基于TD－SCDMA的手機(jī)圖書館系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀利娜，李嫄源，田增山

(重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

責(zé)任編輯:許 盈

0 引言

隨著3G等移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，以手機(jī)為視聽終端、手機(jī)上網(wǎng)為平臺的個(gè)性化即時(shí)信息傳播載體(第五媒體)已成為眾多用戶的最愛。依托于3G技術(shù)和第五媒體的手機(jī)圖書館也因此受到越來越多的關(guān)注，手機(jī)圖書館將會成為未來獲取知識信息的重要途徑和填補(bǔ)人們空閑時(shí)間的有效手段。3G技術(shù)帶來的較寬的無線通信帶寬和較高的傳輸速率以及不斷下調(diào)的無線通信資費(fèi)也使得手機(jī)圖書館的實(shí)現(xiàn)成為可能。本文是基于3G主流標(biāo)準(zhǔn)之一的TD－SCDMA對手機(jī)圖書館的系統(tǒng)構(gòu)建提出了一個(gè)新型方案，并對整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)上的關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行了一些探討。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

手機(jī)圖書館將無線通信網(wǎng)和數(shù)字圖書館系統(tǒng)結(jié)合起來，利用高普及率的手機(jī)終端延伸傳統(tǒng)的圖書館服務(wù)，大幅提高了圖書館資源的整體利用率。目前國內(nèi)圖書館主要采用基于短信和基于WAP兩種方式來構(gòu)建手機(jī)圖書館服務(wù)系統(tǒng)［1］。短信方式和WAP方式都能滿足用戶訪問和利用圖書館，但這兩種方式均有一些局限。短信方式只能支持單一的文本格式，而且每次發(fā)送的文本信息容量有限。若文本信息較長，傳送時(shí)要將信息拆分成多個(gè)消息多次發(fā)送，極易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失和信息不能實(shí)時(shí)到達(dá)。WAP方式提供了比短信技術(shù)更強(qiáng)的服務(wù)功能，但是2.5 Gbit/s有限的帶寬和較小的數(shù)據(jù)傳輸速率使得手機(jī)對數(shù)據(jù)的處理變得復(fù)雜［2］。WAP方式不支持POP3、IMAP等協(xié)議，而且WAP服務(wù)每次獲取必須重新登錄，只要在線，就需付費(fèi)，這種高通信費(fèi)用也成為人們的一種負(fù)擔(dān)。

由于短信方式和WAP方式已經(jīng)不能滿足人們高速度、高效率閱讀電子資源的要求，這就需要在構(gòu)建手機(jī)圖書館時(shí)采用一種新型的無線設(shè)備訪問網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)。TD－SCDMA是一種全新的移動(dòng)通信技術(shù)，采用TDD模式，同時(shí)采用同步CDMA、智能天線、接力切換等一系列高新技術(shù)。TD－SCDMA系統(tǒng)容量大，特別適合于高業(yè)務(wù)密度區(qū)域。又由于采用智能天線等新技術(shù)，TD－SCDMA基站大大降低了發(fā)射功率，同時(shí)降低了系統(tǒng)運(yùn)營成本，使得用戶的資費(fèi)下降變?yōu)榭赡堋D－SCDMA的數(shù)據(jù)傳輸速度也有了大幅提升，可以實(shí)現(xiàn)名副其實(shí)的移動(dòng)寬帶，它能夠處理文本、圖片、視頻流等多種媒體形式，并提供網(wǎng)頁瀏覽、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。TD－SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的諸多優(yōu)點(diǎn)為構(gòu)建手機(jī)圖書館提供了一個(gè)新的切入點(diǎn)，是手機(jī)圖書館發(fā)展的技術(shù)突破。

2 系統(tǒng)需求與設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于TD－SCDMA 的手機(jī)圖書館的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以手機(jī)作為無線移動(dòng)閱讀終端，通過手機(jī)上網(wǎng)實(shí)現(xiàn)用戶對圖書館信息資源的訪問和利用。其優(yōu)勢在于利用TD－SCDMA的寬帶優(yōu)勢和不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫漫游技術(shù)，將無線通信系統(tǒng)和Internet連接起來，方便用戶查詢、瀏覽、檢索、閱讀海量電子資源，最大化實(shí)現(xiàn)對數(shù)字資源的利用，突顯手機(jī)圖書館的價(jià)值，為讀者提供全方位的知識獲取服務(wù)。

手機(jī)圖書館依托于TD－SCDMA技術(shù)，終端是無線移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī)等)。但是由于這些設(shè)備的硬件性能和操作系統(tǒng)的差異較大，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)應(yīng)盡量降低對手機(jī)終端的軟硬件要求，以使用戶可以通過功能最簡單的手機(jī)獲取系統(tǒng)提供的各項(xiàng)服務(wù)。系統(tǒng)還應(yīng)具有完善的用戶管理機(jī)制，使用戶方便對個(gè)人信息的管理［3－4］。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于TD－SCDMA的手機(jī)圖書館的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。整個(gè)手機(jī)圖書館的構(gòu)建由圖書信息服務(wù)中心、嵌入式Internet接入平臺和手機(jī)終端3部分組成。其中，圖書信息服務(wù)中心包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器和后臺管理員。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端采用Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫，是整個(gè)圖書館的數(shù)據(jù)倉庫，用戶最終從這個(gè)倉庫中取得數(shù)據(jù)資源，并制作存儲圖書、期刊、論文等內(nèi)容數(shù)據(jù)［5］;Web服務(wù)器提供一個(gè)面向手機(jī)終端的可視化圖形用戶操作界面，用來顯示和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)信息，完成與用戶之間的對話通信;后臺管理員負(fù)責(zé)管理用戶的個(gè)人信息、設(shè)定各個(gè)層次的用戶權(quán)限、對個(gè)人圖書館進(jìn)行服務(wù)等。嵌入式Internet接入平臺旨在提供一種基于TD－SCDMA和CDMA 2000雙網(wǎng)絡(luò)的嵌入式Internet接入方案。該方案主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:一是使互聯(lián)終端具有網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力;二是使互聯(lián)終端能夠通過兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口同時(shí)與TD網(wǎng)和CDMA 2000網(wǎng)進(jìn)行通信;三是將數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)路由到Internet中去，和Internet進(jìn)行有目的性的數(shù)據(jù)交互。手機(jī)終端是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，用戶可以通過手機(jī)終端瀏覽、查詢和下載電子資源。

本系統(tǒng)架構(gòu)在圖書信息服務(wù)中心之上，以現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫和電子資源為核心，用戶通過無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)訪問網(wǎng)絡(luò)。成功接入網(wǎng)絡(luò)后系統(tǒng)將用戶的請求信息進(jìn)行壓縮、封裝，然后TD－SCDMA模塊通過TD網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，CDMA 2000模塊通過CDMA網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)信息。Web服務(wù)器接收到用戶發(fā)送的請求信息，通過ODBC方式與數(shù)據(jù)庫建立連接，按用戶的請求信息對數(shù)據(jù)庫記錄進(jìn)行查詢。服務(wù)器將查詢結(jié)果通過Internet和蜂窩網(wǎng)傳遞到手機(jī)終端，手機(jī)終端把接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解壓縮和恢復(fù)，最終將電子資源準(zhǔn)確無誤地提供給讀者。

圖1 基于TD－SCDMA的手機(jī)圖書館系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2 系統(tǒng)流程介紹

本系統(tǒng)要求用戶成功登錄后方可對圖書信息進(jìn)行移動(dòng)查詢、下載等在線操作。在手機(jī)終端，用戶在圖書館首頁輸入的個(gè)人登錄信息(用戶名、密碼等)被發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行身份驗(yàn)證，只有通過身份驗(yàn)證的合法用戶才能發(fā)送Http請求信息。這些請求信息被傳送到Web服務(wù)器，若Web服務(wù)器繁忙，則用戶可以重新發(fā)送請求或者選擇放棄操作;若Web服務(wù)器空閑，則響應(yīng)請求信息。用戶根據(jù)服務(wù)器反饋的結(jié)果選擇操作命令，同時(shí)Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并將與該操作命令相關(guān)的查詢結(jié)果呈現(xiàn)給用戶供其閱讀。手機(jī)圖書館在線操作過程如圖2所示。

圖2 手機(jī)圖書館在線操作過程

3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的處理主要集中在圖書館服務(wù)中心和嵌入式Internet接入平臺上。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求，系統(tǒng)模塊主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊、數(shù)據(jù)封裝模塊、同步組合模塊以及無線傳輸模塊5個(gè)部分。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

各功能模塊功能說明如下:

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊。該模塊是構(gòu)建數(shù)字圖書館的基礎(chǔ)，主要目的是屏蔽數(shù)據(jù)的異構(gòu)性，將不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)如TXT、PDF等轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)接入數(shù)據(jù)的一致格式化，使其能夠在不同的手機(jī)終端上閱讀。

2)數(shù)據(jù)壓縮模塊。該模塊用于去除數(shù)據(jù)的冗余信息，減少各種數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，可以采用靜態(tài)的壓縮格式，將圖書采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并保存起來供其他模塊使用。

3)數(shù)據(jù)封裝模塊。該模塊用于確保數(shù)據(jù)片段可以正確地發(fā)送到手機(jī)終端。圖書數(shù)據(jù)沿著TCP/IP協(xié)議棧向下傳輸時(shí)，每一層都添加一個(gè)報(bào)頭，并將封裝后的內(nèi)容作為數(shù)據(jù)傳遞給下一層，直到物理層，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為比特流進(jìn)行傳輸。

4)同步組合模塊。該模塊用于對接收到的碼流進(jìn)行差錯(cuò)檢測控制，以保證系統(tǒng)能正確提取每一幀中的各種信息［6］，完成數(shù)據(jù)信息的組合。

5)無線傳輸模塊。該模塊用于完成對圖書數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將處理后的圖書信息通過TD網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)終端。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的部分關(guān)鍵技術(shù)

4.1 數(shù)據(jù)分割

由于圖書信息的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TD－SCDMA的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，因此傳輸時(shí)需要對圖書信息進(jìn)行分割。TD－SCDMA有多個(gè)并行時(shí)隙，可將傳送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分割并映射到多個(gè)物理信道上，通過不同的時(shí)隙進(jìn)行傳輸。

分割原理是這樣的:數(shù)據(jù)流的傳送是以數(shù)據(jù)塊為單位的。分割時(shí)首先要在數(shù)據(jù)塊上添加循環(huán)冗余(CRC)校驗(yàn)比特，并將一個(gè)傳輸時(shí)間間隔(TTI)內(nèi)的所有傳送塊按順序級聯(lián)起來，并對級聯(lián)后的傳送塊進(jìn)行碼塊分段。如果TTI大于10 ms，那么比特序列將被分割并映射到連續(xù)的無線幀上形成TD幀。在TD－SCDMA系統(tǒng)中經(jīng)過交織后的數(shù)據(jù)平均分配到兩個(gè)5 ms的TD子幀上，即子幀分段。TD子幀單元輸出的比特流被映射到該子幀時(shí)隙的碼道上進(jìn)行傳輸［7］。TD－SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 TD－SCDMA系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

4.2 數(shù)據(jù)封裝

本文數(shù)據(jù)信息的封裝是基于TCP/IP協(xié)議和TD－SCDMA的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的。TCP是一種面向連接的、可靠的傳輸層通信協(xié)議，它位于IP層之上，TCP不會發(fā)生丟包現(xiàn)象。同時(shí)TCP會用一個(gè)校驗(yàn)和函數(shù)來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否錯(cuò)誤，保證了數(shù)據(jù)的完整性和正確性，比較適合圖書數(shù)據(jù)的傳輸，所以本文在傳輸層上選擇TCP做協(xié)議。

圖書信息服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝時(shí)，在傳輸層采用TCP做報(bào)頭，并將TCP報(bào)頭附加在圖書信息等高層數(shù)據(jù)前面形成數(shù)據(jù)段，完成一次封裝。在網(wǎng)絡(luò)層將用來尋址的IP報(bào)頭加在數(shù)據(jù)段的前面封裝成IP包，此時(shí)IP包將作為數(shù)據(jù)鏈路層的高層數(shù)據(jù)參與封裝。傳送到數(shù)據(jù)鏈路層時(shí)，分別在IP包前后加上TD首部和TD尾部，封裝形成TD幀。TD幀結(jié)構(gòu)支持智能天線和上行同步，能夠?qū)⑿畔⒖焖?、可靠地傳遞給用戶。圖書數(shù)據(jù)信息封裝過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)信息封裝過程

4.3 數(shù)據(jù)解封裝

數(shù)據(jù)解封裝是數(shù)據(jù)封裝的逆過程。接收圖書數(shù)據(jù)信息時(shí)，先對每個(gè)TD幀的幀長參數(shù)進(jìn)行檢查，判斷參數(shù)是否在正常范圍內(nèi)，進(jìn)而判定接收正確與否。若接收不正確，則采用數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，要求高層重新傳送數(shù)據(jù);若接收正確，則讀取數(shù)據(jù)鏈路層TD幀協(xié)議字段的控制信息，同時(shí)去除TD幀的首部和尾部，將一次解封裝后的剩余信息傳送到網(wǎng)絡(luò)層。每一層執(zhí)行相同的操作:讀取協(xié)議信息，依次在網(wǎng)絡(luò)層去除IP報(bào)頭信息，在傳輸層去除TCP報(bào)頭信息等，最終還原圖書數(shù)據(jù)信息。

4.4 同步組合

本文研究的同步是指TD－SCDMA多種同步技術(shù)中的傳輸信道同步。傳輸信道同步就是傳輸信道實(shí)體之間的幀同步。幀同步是指接收方應(yīng)當(dāng)能從接收到的二進(jìn)制比特流中區(qū)分幀的起始與終止。同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如圖6所示。

圖6 同步傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)流的頭部和尾部都要附加上一個(gè)特殊的字符或者比特序列，用來標(biāo)記一個(gè)數(shù)據(jù)流的開始和結(jié)束，一般還要附加一個(gè)校驗(yàn)序列(如16位或32位CRC校驗(yàn)碼)，以便對數(shù)據(jù)流進(jìn)行差錯(cuò)檢測控制。手機(jī)終端可以根據(jù)不同信道傳輸?shù)膸瑯?biāo)識區(qū)分二進(jìn)制比特流的起始和終止，并啟用軟件對幀標(biāo)識進(jìn)行檢測，從而正確接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)同步并完成數(shù)據(jù)組合。一旦出現(xiàn)幀丟失和同步時(shí)鐘問題，就采用TD－SCAMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的lu接口時(shí)間校正機(jī)制，重傳緩沖器中的數(shù)據(jù)，保證傳輸?shù)腝oS。

5 結(jié)束語

本文基于3G等移動(dòng)通信技術(shù)的帶寬優(yōu)勢，從數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸帶寬著手，提出并構(gòu)建了一種具有TD－SCDMA和CDMA 2000雙網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖謾C(jī)在線圖書館設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)的圖書館相比，該手機(jī)圖書館擺脫了PC機(jī)和有線網(wǎng)絡(luò)的限制，用戶可以通過手機(jī)移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)在一定區(qū)域內(nèi)隨時(shí)隨地訪問圖書館。這種方式大大提高了電子資源的利用效率，改變了圖書館的服務(wù)方式，改善和提升了公益性文化事業(yè)的功能與作用。由于圖書館提供給用戶的是知識和信息，這對于提高國民的綜合素質(zhì)和整體科學(xué)文化水平也具有十分重要的意義。

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