基于红外通信协议的信息广播系统.doc

基于红外通信协议的信息广播系统摘要：本文介绍了一种针对便携式信息终端如PDA，手提电脑，基于红外通信协议的信息广播系统。为了实现由红外光学媒介作为传播媒介的信息广播服务，开发了新的红外数据通信协议和新的比普通IrDA设备覆盖面积更广的红外光学收发器。还设计了针对PDA接收数据和访问数据的数据管理模块，以及数据组织结构。本文将详细地介绍该通信协议以及对信息广播系统的概述。根据实验结果，目前的红外通信协议和增强的红外光学收发器可以确保一个巨大的服务区和长距离的通信质量，这就使得广大的PDA用户可以同时享受服务。为了确定协议和系统的工作性能，一个实验性的广播系统已经试用。关键词：红外光学，IrDA，通信协议，PDA，广播，掌中操作系统1绪论近几年来便携式信息终端越来越朝着小型化，轻量化，高性能发展，例如PDA和掌上电脑。这些设备使用量的激增导致了对无线通信的需求。针对用户的多种需要为用户提供多种媒介是很重要的。对于无线数据通信而言，两种可用的基本的方法是：无线电和红外。然而无线电频谱非常拥挤，并且被严格管制尤其在城市里，还要求大量的功率，组件又相对昂贵。相比而言，红外虽然频谱有限，但红外频谱完全不受管制并且何以提供很高的数据传输速率。红外组件既便宜又低功耗。表一比较了无线电和红外在无线传输的优缺点。1993年红外数据组织(IrDA)与IT界的巨头IBM，HP，夏普组成工作组，为低消耗的串行红外通信设立标准。所建立的IrDA1.1协议针对点对点通信时数据传输速率达到115.2Kbps，硬件扩展后更是达到了4Mbps的高速率。如数码摄像机，手机，PDA之类的设备除了可以应用红外通信外还拥有文件传输和打印等传统应用。IrDA协议的核心是只支持点对点通信的IrLAP数据链路层。最近，由于局域网广播服务拥有高的数据传输速率和宽广的覆盖范围，所以在有热点的区域和办公楼得到了迅速的推广。几乎所有的PDA类的产品都会内置红外接口支持IrDA1.1或者IrDA1.2。如果PDA用户想用无线电链接以获取信息，就必须扩展一个无线电通信模块。而无线电通信模块会使得电源续航时间锐减，这对于希望设备使用时间更长的用户来说是一个致命的缺点。当大量的用户同时访问网络时，无线电会产生一个服务交通拥挤的问题。由于越来越多的PDA用户希望得到更多的信息，一种新的依靠红外的信息广播系统被提出来了。目前该系统的目标是为大多数用户提供一种新的通信媒介，通过这种媒介用户可以获得商业，旅游，购物和娱乐信息。PDA不仅仅是接受者，用户还可以从利用PDA的通信能力接收到的信息中搜索出自己感兴趣的信息。PDA用户只要安装应用软件而不需增加模块就可以享受系统提供的服务了。预计新型的信息广播服务将会拓展PDA的用途。图一展示了该系统的一种用途。应用信息广播系统，有两个主要的技术问题需要解决。一个是通信协议，另一个是针对存放和管理PDA接收到的数据的数据结构。对于第一个问题，有一个从根本上支持点对点通信的可以运用于大多数PDA红外设备的标准红外通信协议IrDA1.1。为了使更多的用户可以同时接受信息，需要发展一种新的支持一对多的通信协议。对于第二个问题，由PDA接收的数据的访问和存放必须有一个有效的数据结构。2系统概述应用红外的信息广播系统提供了一种从红外接收器到PDA类终端的单程数据通信方式。在这一部分将给出一个信息广播系统的概述。图二所示为系统组成。PDA终端从红外收发器接收数据内容并以数据库记录的形式将其保存。红外单元所控制的收发器发送数据信息。如果需要，可以在控制单元中加入传感器以搜集访问对内容服务器和内容提供者里的分布式内容管理有用的条件。控制单元通过以太网或者无线电无线网络与内容服务器相连。内容服务器将会管理广播的内容，发送广播内容清单或对红外收发器的控制单元下命令。例如，向一个特定的收发器控制单元发送一份内容清单，发送一个命令来改变特定收发器的条件或者收集各个收发器的访问条件。内容提供者准备或者修改好内容后通过因特网将内容发送给内容服务器。信息广播系统利用两种通信媒介：红外和因特网。红外用来实现数据包从收发器到PDA终端的传输。通过以太网应用TCP/IP协议实现收发器的控制单元，内容服务器，内容提供者之间的链接。因为收发器控制单元和内容服务器之间用以太网链接，所以系统管理者可以在任何与因特网相连的机器上访问它们。因此系统管理有效且易于实现。为了使得更多的用户从收发器接收信息，设计了一种新的拥有更强发送能力(满足安全标准)的覆盖更大范围传输更远距离的红外收发器。在实验设备中，基于PDA修改了一个掌上终端，设计了一个信号放大器，用来发大驱动一组红外发光二极管的电流。这个设备在五米内支持高达115kb的数据传输速度。3红外通信协议IrDA1.1的协议堆栈如图三所示。IrDA协议堆栈中有三个强制性的层；一个物理层，一个LrLAP层，LrLMP(红外连接管理协议)层。后者包括了提供多路通道申请访问链接的LM-MUX(链路管理复用器)和提供支持问询链接是否建立的服务的数据库LM-IAS。可选的组件包括基于信任的传输控制协议TinyTP；串行电缆链接仿真器IrCOMM；网络接口组件IrLAN；目标交换组件IrOBEX。物理层IrDA提供光传输检测和信号调制编码的硬件。IrDA链接必须考虑到的一个重要层面是链接是半双工的，即工作站不能同时发送和接收。这是由于发送与接收存在明显串音，会引起一些饱和潜伏。IrDA协议时一种点对点半双工通信，在进行数据通信之前，必须建立通信链接。因为在同一时间同一接收区域，有许多用户从一台红外收发器接收数据。很明显上面提到的标准IrDA通信协议不能用于红外信息广播系统的数据传播。系统的目标是不用建立链接操作而可以基本地提供数据广播服务。图四所示是一种叫做BIr(红外广播)的新的通信协议。在BIr协议里，物理层IrDA链接机器不做任何改变，新的IrLAP层和TinyTp层发展了针对红外收发器单元(只发送)和PDA终端(只接收)的数据广播支持。BIr里的IrLAP层包含硬件发现，数据发送，数据接收和出错恢复。在BIr里IrLAP层的固定结构如图五所示。表格2是BIr可用的9个协议驱动函数。BIr协议有以下特点：1).数据传输时不需要任何交涉链接，因此即使不在一个增强的红外接收单元附近，数据传输也可以实现。2).因为IrDA的物理层被完全保留，所以不需要对这一层做烦人的改进。3).TinyTP和IrLAP放在了一起，只有用于信息广播时才有效，所以新的TinyTP和IrLAP更加紧凑而不会耗费很多PDA的资源(可能有台式机或掌上电脑那么多资源)。4).若需要，更多的像BCH的代码修正算法可以用来实现可更好地可信赖的数据传输。因为IrDA1.1最高数据传输速率达到115200bps，所以将其设为默认的数据传输速率，如果PDA制造商能使他们的产品达到更高的数据传输速率，BIr就能很轻易地升级最高数据传输速率，因为BIr协议并不取决于物理层。4信息广播的方法假设红外收发器单元将反复广播N份内容，是每份内容的大小。广播过程如图六所示。当把PDA的红外接口转向收发器时，PDA端的用户可以收到红外收发器发出的信息。如果传输不出错，那么接受全部信息的最小时间可以由算出，其中V是平均传输时间。如果服务区周边有严重干扰，正确地接受所有内容就可能要更多的时间。如果用户错过了一个内容，就要等待下一个发送周期。有的时候用户接收到内容可能有一点点错误，那么他必须用重新接收一个内容来顶替整个内容。当然了，当内容比较大时，这样做是很没效率的。为了尽可能减少接收时间，就要把巨大的内容分为几个帧来发送。出错时，用户只要重新接收其中几个帧，而不用重新接收整个，因此接受用的总的时间就缩短了。图七给出的例子说的是一个广播发送数据帧的几种情况。情况I是最完美的，PDA用户没有出错地接收完A,B,C的内容。情况II用户在接收过程中错过了几帧内容，为了获得所有内容，用户不得不在下一个接受周期内重新接收错过的帧。在情况III中，有几帧出错了，用户需重新接收这几帧以取代出错的帧。在应用层有内容管理模块，有如通过关键词搜索内容，信息分类，删除旧的不需要的信息之类的功能强劲的函数。存储在PDA里面内容的数据结构如表3所示。在这种结构里面有三个数据块，总体信息导引块，文档数据块和图像数据块。在总体信息导引块里，第一项和第二项是用来进行信息分类和搜索的，第三项的最高位是用来禁止或许可删除数据的(1:禁止删除数据；0:允许删除数据)。第四项注明内容里的图片数，第五项图片数据的偏移地址。文档数据块包含文档类型和图片位置的命令。基于上面提到的方式方法，在基于PDA的掌上电脑上实现了信息系统。图八展示了一些应用在基于PDA的掌上电脑上的布局。5结论主要介绍了一种应用红外