无线网络与移动计算概念课件

无线网络与移动计算

WirelessNetworksandMobileComputing

周继鹏暨南大学计算机科学系无线网络与移动计算周继鹏暨南大学计算机科学系杂志：IEEETransactionsonWirelessCommunicationsIEEETransactionsonMobileComputingJournalonWirelessCommunicationsandNetworkingACM/KluwerJournalofWirelessNetworksIEEETransactionsonVehicularTechnologyACMMobileComputingandCommunicationsReview会议：SigCom，Infocom,Globecom、MobiCom、Mobihoc，Mobisys,VLDB、SiGMOD、MobiQuitous、MDM等移动计算有关杂志、会议以及网站杂志：移动计算有关杂志、会议以及网站一、引言二、移动计算应用需求三、什么是移动计算？四、无线通信的发展五、移动计算基本特点六、移动计算系统组成七、移动计算研究的基本问题八、移动计算模型移动计算技术概述一、引言移动计算技术概述移动计算的应用需求2.移动应用急剧增加无处不在的工作范围。在金融、移动办公、通讯、公共交通、远程医疗、公共信息分布,现场数据采集等领域,移动计算或数据处理的作用已经变得日趋重要。背景：无线通讯网络技术的飞速发展和PDA、笔记本电脑、手持电话等移动计算和通讯设备迅速普及；移动计算的应用需求2.移动应用急剧增加背景：移动计算的应用需求移动计算的军事需求数字化移动通信与指挥－未来战场关键技术。基于Adhoc网络结构，融感知、追踪、通信、指挥等于一体的战术互联网。移动计算的应用需求移动计算的军事需求移动计算vs.无线网络虽然无线网络和移动式计算功能通常联系在一起，但二者并不完全一样。某些无线网的计算机不是便携式的。（军方或老式建筑物不便于布线的计算机）也有真正的移动式无线应用。（移动办公室）移动计算vs.无线网络虽然无线网络和移动式计算功能通常联便携式计算设备便携式计算设备WirelessNetworksWirelessNetworks有线网络与无线网络的区别在成本和施工难度方面：有线通信的开通需要架设电缆，施工成本高。有些地方由于地势或距离的影响不能铺设。无线相当容易。在可扩展性方面：有线通信的质量会随着线路的扩展急剧下降。而无线的扩频方式在可靠性、可用性方面超出有线通信。在传输带宽方面：无线网络目前不无有线网络。但无线网络频谱没有完全应用。在传输距离方面：有线网络与无线网络都有衰减，但无线网络受天气等因素影响，衰减变化较大、有线网络与无线网络的区别在成本和施工难度方面：有线通信的开通有线网络与无线网络的区别在抗干扰能力方面：有线网络是通过加屏蔽层技术抗干扰，抗干扰能力较强；无线网络没有屏蔽能力，只能通过调节自身无线信号发射强度、频率、跳频等技术抗增加抗干扰能力，具有不稳定性，有许多技术带研究。在安全性方面：无线网络的信号没有边界，容易截获，安全的成本比有线网络高。有线网络与无线网络的区别在抗干扰能力方面：有线网络是通过加屏移动计算的应用需求3.移动计算的国防需求数字化战场移动指挥－未来美国DOD关键基础技术

MANET网单兵计算机数字化部队移动计算的应用需求3.移动计算的国防需求Bps(比特/秒)GPRS3G4G2G3.5GBpsGPRS3G4G2G3.5G无线网络与移动计算概念课件adhocUMTS,WLAN,GSM,cdma2000,DAB,...PersonalTravelAssistant,DAB,PDA,laptop,GSM,UMTS,WLAN,Bluetooth,...移动计算的应用需求adhocUMTS,WLAN,PersonalTrav物联网物联网概念:把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网和移动通信网络连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网应用：数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，包括各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等，通过不同的互连方式进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”的一种服务。数字家庭的四大功能：信息、通信、娱乐和生活。个人保健:

人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。平安城市建设：利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。物联网物联网概念:把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感

移动计算商业应用举例：越来越多的手机都会支持无线网，商场只要在适当地点安装AP，顾客进入商场网络覆盖区域后用手持无线设备便可自动连通商场网页浏览商场信息，超市更可在购物车上安装PSA(个人购物助理)方便顾客购物。WAPGatewayMerchant1WAP/AgentServerMerchantnInternetProviderNetworkWAPTerminalSQLSQLSQL-WMLpages-listofmerchantsProductsProducts移动计算商业应用举例：WAPGatewayMercha

移动计算是基于无线通信技术和便携式移动计算设备的分布式计算模式。

Atechnologythatallowstransmissionofdata,viaacomputer,withouthavingtobeconnectedtoafixedphysicallink.

WWW：World-WideWeb

WebWithoutWires?!

移动计算＝分布计算技术＋移动通信＋数据库技术什么是移动计算？移动计算是基于无线通信技术和便携式移动计算设备的分布式计

无线计算(WirelessComputing)

无限计算(AlwaysonComputing)

漫游计算(NomadicComputing）泛化计算(PervasiveComputing

UbiquitousComputingUntethered(无范围的))

嵌入计算(EmbeddedComputing

)

移动计算的Buzzwords无线计算(WirelessComputing)移动Connectivity

connectedsemi-connected(asymmetric)weaklyconnecteddisconnectedMobileDeviceCapability

formfactor(电子产品规格)WindowsbasedGUImultimediareal-timemultimediaMobility

stationarynomadic(pedestrianspeed)mobile(vehicularspeed)roaming(mobileacrossnetworks)移动计算的三维认识ConnectivityMobileDeviceCapa什么是移动（mobility）?Currentresearchfocusesonthreeaspectsofdeployingservicesinamobilecomputingenvironment:1、usermobility（personalmobility)2、terminalmobility3、mobileaccesstoresources.什么是移动（mobility）?Currentresear用户移动性：一个用户在包括固定网络和移动网络在内的整个网络系统中，移动到任何地理位置，用唯一ID号，使用任何终端接入网络,并得到网络业务服务的能力，该能力包括对其所使用终端的定位及相关路由、计费等。终端移动性是指一个终端从不同位置或从移动接入网络识别并定位该终端的能力。如手提电脑访问无线局域网，移动电话通通讯。移动访问资源：移动设备能够发现和存取需要的资源。包括服务的发现和管理。如手机上网。用户移动性：一个用户在包括固定网络和移动网络在内的整个网络系车载网络移动访问资源InternetVehiclarClusterRoadsidetoVehicularCommunicationsVehiculartoVehicularCommunicationsRoadsidetoVehicularCommunicationsRoadsidetoVehicularCommunicationsBaseStation车载网络移动访问资源InternetVehiclarCluHowdoesitaffectthefollowing?HardwareLighterMorerobustLowerpowerWirelesscommunicationDisconnectionLowbandwidthHighbandwidthvariabilityHeterogeneousCan’ttuneforstationaryaccessNetworkprotocolsNamechangesDelaychangesErrorratechanges移动意味着变化HowdoesitaffectthefollowiFidelityHighfidelitymaynotbepossibleDataconsistencyStrongconsistencynolongerpossibleLocation/transparencyawarenessTransparencynotalwaysdesirableNames/addressesNamesofendpointsmaychangeSecurityLighter-weightalgorithmsEndpointauthenticationharderDevicesmorevulnerable移动意味着变化Fidelity移动意味着变化PerformanceNetwork,CPUallconstrainedDelayanddelayvariabilityOperatingsystemsNewresourcestotrackandmanage:energyApplicationsNamechangesChangesinconnectivityChangesinqualityofresourcesPeopleIntroducesnewcomplexities,failures,devices移动意味着变化Performance移动意味着变化移动带来的问题Generally,mobilitystressesallresourcesfurther:CPUPowerBandwidthDelaytoleranceRadiospectrumHumanattentionPhysicalsizeConstraintsonperipheralsandGUIs(modalityofinteraction)Locationsfordeviceplacement移动带来的问题Generally,mobilitystr移动计算的基本特点有限的带宽—蜂窝通信系统波特率9.6Kbps，IMT-2000144Kbps到EDGE300Kbps，远远低于固定网络中的铜缆或光纤通信的速率。移动性―必须适应不同地点的连接请求，并且经常在移动时要求保持连接；在不同服务器覆盖范围之间移动，越区切换比较常见。可靠性—由于其便携性和工作环境，可靠性更低，更容易受到干扰而出现网络故障。可能长时间地域网络断接，一些假设条件不同于传统的分布系统。移动计算装置也有一些潜在的不安全因素，如碰撞、磁场干扰、易于遗失和失窃等。安全性移动计算的基本特点有限的带宽—蜂窝通信系统波特率9.6Kbp与位置相关－应用程序可能与位置相关，移动导致位置的不断变换。有限的电源能力—通过蓄电池供电，但容量非常有限，一般只能维持2～5个小时，而计算密集型程序能源耗更大。频繁断接性—移动计算机在移动过程中，一般不采用保持持续联网的工作方式，而是主动/被动地间歇性入网、断接和重接，甚至越区切换。非对称性―包括通信与资源安全乃至QoS的非对称性，访问的是地理上分布的异构节点。由于电源能力的限制，移动设备上的资源与功能有限。复杂性—为支持移动性必须加入更多的功能并最终达到网络负载均衡；移动性也必然要求跨软硬件平台的兼容性。移动计算的基本特点与位置相关－应用程序可能与位置相关，移动导致位置的不断变换。移动通信与计算环境移动通信与计算环境移动计算系统

移动计算系统特征：1.移动性：不同地点的连接请求,移动时保持连接;主动与被动的断接与重接;网络条件的多样性;能源限制;通信的非对称性（用户规模，安全鉴别）移动计算系统移动计算系统特征：移动计算环境

移动计算环境组成由固定网络、移动网络、无线通信、笔记本电脑、PDA、手持电话以及移动着的用户构成。它是传统的固定网络分布计算环境利用了先进无线通信技术后的扩充。

移动计算环境的基本特征

1.

大多数移动终端设备相对便宜，便携，并且易于使用;

2.移动计算的解决方案应该包括有线和无线两个方面;

3.通信服务器和后台服务器要在同一硬件平台上。

移动计算环境移动计算环境组成移动计算环境的基本特征移动通信基本概念无线通信:通过电磁波传输数据。无线电波是一种波长较长、频率较低的电磁波。移动通信基本概念无线通信:通过电磁波传输数据。无线电波是一种无线通信:通过电磁波传输数据无线通信:通过电磁波传输数据无线通信的概念和基本原理无线通信是利用电磁波信号在自由空间中的传播特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又称为移动通信，通常把二者合称为无线移动通信。无线通信系统组成:发送设备、接收设备和无线信道.无线信道是无线通信的传输媒介，信道性能的好坏直接决定着通信的质量。变换器发射机天线接收天线接收机变换器无线通信的概念和基本原理无线通信是利用电磁波信号在自由空间中通信复用技术

频分多址（频份多路复用）

频分多址（FDMA,FrequencyDivisionMultipleAccess）是使用较早也是使用较多的一种多址接入方式，被广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。FDMA的技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的多个子频带，每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。通信复用技术频分多址（频份多路复用）通信复用技术

频分多址

CH2CH1CH3CH1CH2CH3MUXCH1CH2CH3带宽复用信号f复用器通信复用技术频分多址CH2CH1CH3CH1CH2CH3通信复用技术时分多址（时分多路复用）时分多址（TDMA,TimeDivisionMultipleAccess）是在给定频带的最高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙，各用户按照分配的时隙，以突发脉冲序列方式接受和发送信号。

通信复用技术时分多址（时分多路复用）通信复用技术时分多址

A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2复用器t通信复用技术时分多址A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信通信复用技术波分复用（波分多路复用）整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。

F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤

棱柱/衍射光栅通信复用技术波分复用（波分多路复用）F2F1F3光谱F1F2主要通信技术码分多址（码分多路复用）

码分多址（CDMA,CodeDivisionMultipleAccess）也称扩频多址（SSMA,SpreadSpectrumMultipleAccess）。将原信号的频带扩宽，再经调制发送出去；接收端接收到经扩频的宽带信号后，作相关处理，再将其解扩为原始数据信号。每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码主要通信技术码分多址（码分多路复用）多路复用技术FDMA、TDMA和CDMA对比

CDMA与TDMA和FDMA的区别，就好像一个国际会议上，TDMA是任何时间只有一个人讲话，其他人轮流发言；FDMA则是把与会的人员分成几个小组，分别进行讨论；而CDMA就像大家在一起，每个人使用自己国家的语言进行讨论

多路复用技术FDMA、TDMA和CDMA对比移动计算的硬件环境1.移动终端

便携笔记本电脑、基于笔输入的计算机、掌上电脑、PDA、寻呼机、PDA/寻呼机、PDA/电话机、移动打印机、移动传真机、移动扫描仪等。Nokia9110Nokia3GvisionSierraPCMCIACDPDModemThenewEricssonR380phone,whichfeatureswirelessdatafunctions移动计算的硬件环境Nokia9110NokiaSierra

移动通信系统

包括:

低功率通信系统移动卫星系统无线LAN/WAN

专用移动通信系统寻呼系统数字蜂窝系统移动通信系统掌上电脑、智能手机进入发展新阶段芯片种类更多，速度更快。

CPU是INTEL、TI、Motorola三足鼎立。主频533～100MHZ。基于StrongARM架构的芯片为中低端产品采用，将陆续退出市场，基于Xscale机构的PXA250PXA255,PXA260系列将逐渐成为主流。产品如DellAximX5、iPAQ3970，联想XP618、SONYNX73V、NX80V。SONY03年9月推出自己CPU（SONYHandheldEngine）的ClieUX40和UX50。屏幕配置更高。屏幕已完成从4096色到65536色（TFTLCD）分辨率：240×320或320×320。掌上电脑、智能手机进入发展新阶段操作系统更强、应用软件更全面。预装微软POCKETPC2003操作系统，采用新的系统内核（新的GUI界面、工具软件、帮助软件和应用软件等），较PPC2002在Wi-Fi和多媒体功能上有加强。Palm与ClieUX40等采用Palm5.0操作系统。在智能手机方面，除常见的掌上电脑操作系统之外，还有诺基亚的Symbian（塞班）、微软Smartphone和Google的Android等操作系统，它们将手机功能、无线互连功能和娱乐功能有机结合起来。外设接口更全。目前采用较多的是MMS/SD或者CF接口。SONY系列掌上电脑则采用了MemoryStick。有的机型如ASUSA620则采用了SD/CF双接口。新的接口也层出不穷，如存储卡、USB、IEEE1394a/b、键盘、GPRS、GPS等。操作系统更强、应用软件更全面。2.Modem/无线网卡或其他数字网络接口设备交换网络Modem，蜂窝拨号适配器或ISDN拨号适配器，或特殊的无线网络接口，如ARDIS，RAM，CDPD目前，能适应所有无线连接形式的统一Modem还没有产品。3.E-mail服务器2.Modem/无线网卡或其他数字网络接口设备4.通信服务器和无线交换机（网关）如Shiva的NetRover用于异步网络传输，TEKnique的TX-5000用于无线网关。它们的功能包括：

异步有线会话，连接与断接服务，话路路由管理，移动标志，网络安全管理，异步无线网络连接与断接服务，协议转换（网关功能）

5.应用和/或数据服务器通常通信服务器与应用/数据服务器之间以局域网相连，这种连接也可以用高速总线或者广域网中的私用线路完成。

4.通信服务器和无线交换机（网关）移动计算设备的电池问题

锂电池连续工作时间仍然是有限的，目前大约是3～5小时。而且未来5年这种情况将不会有大的改善。

燃料电池：在笔记本计算机燃料电池开发方面，日本和德国厂商领先。2003年3约东芝公司醇燃料电池，平均输出功率为12瓦，最大输出功率可达20瓦，可以连续工作5个小时以上，计划于2004年投产。NEC公司2003年6月也推出醇燃料电池，平均功率为14瓦，最大达34瓦，可驱动平均耗电量为12瓦的笔记本连续工作5小时，即将推出可连续工作40小时的醇燃料电池。德国Masterflex与SmartfuelCell公司也计划于2004年推出氢燃料电池与醇燃料电池。移动计算设备的电池问题移动计算软件

（1）移动客户软件（2）移动通信服务器/交换机（3）软件应用和/或数据服务器软件移动计算软件（1）移动客户软件

操作系统、网络软件和各种移动终端驱动程序

(如:WinCE,PalmOS,Nokia等开发的无线操作系统EPOC）用户界面通信服务器软件的客户机部分传输层软件，如TCP/IP

传输层与应用层之间的中间件特殊的无线网络的驱动程序手写体与声音识别软件移动客户软件操作系统、网络软件和各种移动终端驱动程序移动客户软件

远程用户的连接确认通信端口管理安全验证单一逻辑信道：为了提供高速的带宽服务，通常把几个物理信道绑定来创建一条逻辑信道,形成多信道的通信。多物理连接的多线程管理通信协议管理与后台应用服务器或数据库系统的逻辑连接

移动通信服务器/交换机软件

远程用户的连接确认移动通信服务器/交换机软件

基于局域网的数据库服务，如Windows、

UNIX下的SYBASE、ORACLE、SQL数据库。基于小型机的服务，如AS/400

基于大型机的服务

应用和/或数据库服务器软件基于局域网的数据库服务，如Windows、应用和移动计算的前沿课题无线通信网络无线接入模型与方法（无缝漫游）服务质量保证（QoS）多网集成基于位置的计算定位与移动性管理位置服务能源供应便携式电池显示、处理、通信等处的节能措施环境感知（Context-Aware)计算移动数据管理与移动数据库移动中间件移动安全（WirelessCyberspaceSecurity)移动计算的前沿课题无线通信网络移动计算模型Thefollowingmodelsofcomputinginthemobileenvironmentarecurrentlybeingresearchedandinvestigated:Client/ServerModelClient/Proxy(Agent)/ServerModelClient/Intercept/ServerModelMobileAgentModelPeer-to-PeerModel移动计算模型Thefollowingmodelsof

传统分布式Client/Server模型ThreemajorproblemsofClient/ServerModel：

ControlofindividualresourcesiscentralizedinaserverEachsingleserverisapotentialbottleneckToimprovetheperformance,multipleimplementationofsimilarfunctionsmustbeneededresourcesserverClientprocess1Clientprocess2Clientprocess3Servicerequest传统分布式Client/Server

移动环境Client/ServerModel经典Client/ServerModels必须扩充以支持断接操作，适应移动网络的弱连接性。服务器（功能）在固定网络多处复制以备不时之需；断接时，移动节点机可能需要模拟服务器的功能；Client与Server的信息交换：远程过程调用（RPC）－含异步RPC其他优化（过滤、压缩等）技术对于轻载应用或Client不可靠情形，可转移部分功能到固定网络。移动环境Client/ServerM

Client/Agent/ServerModel该模型为三层模型，将移动客户机部分功能转至固定网络的代理Agent(亦称Proxy)。代理将移动终端与网络服务器的相互作用一分为二。客户机提出要求之后，可进入睡眠状态，甚至断接状态。Agent的基本功能是消息的管理，在此基础上增加与应用相关的功能，例如，压缩、调整发送次序、打包等。对于轻载移动客户机比较合适；代理可作为多个移动终端的全权代表(Surrogate);代理既可以作为服务器的全权代表，也可以只具备部分特定功能，这样客户机可以连接到具有连接到具有特定功能的代理，如数据库代理、Web浏览器代理。Client/Agent/

代理为移动用户服务，当用户激活代理后，由代理完成移动用户要求的服务，用户可以继续移动甚至断接，当代理完成任务并且重新建立连接后，代理再把结果报告给用户。（1）使得自动通信成为可能，可以在任意时间提供信息（2）降低了开销，因为代理工作时，用户可以关机（3）提高了用户的工作效率（4）利用了C/S和存储-转发的优点（5）控制分解

Client/Agent/ServerModel(续)代理为移动用户服务，当用户激活代理后，由代理完成移该模型为双代理模型，即代理成对出现。客户端代理(CSI)作为本地服务器代理运行在移动终端；而服务器端代理作为移动终端代理运行在服务器(SSI)

。C/I/S模型对于移动客户机和服务器均透明；代理主要作为Cache起作用，提供了断接处理的灵活性。

对于重载客户（特别是计算功能强且有Cache）比较合适；用于克服C/A/S模型不足，比较适合于弱连接性场合；主要不足：每一类移动网络应用都需要修改客户和服务器。

Client/Intercept/ServerModel该模型为双代理模型，即代理成对出现。客户端代理(CSI)作为P2PModel客户、服务器并不清晰区分,在环境中地位相同。服务器在移动状态下，亦需要经常性关机以节省能源；各种节点地位于能力相当，其间进行信息于服务的交换，分布式控制方案；在服务器一端需要设置Agent以适应断接与弱连接性；主要任务:强大的搜索于检索功能，对于点播类型任务而不适合于实时任务；适合重载客户；典型系统:Gnutella,Napster,andMorpheus.P2PModel客户、服务器并不清晰区分,在环境中地位相移动Agent：由于对移动Agent的定义还没有明确，所以，目前还没有一个关于移动Agent的确切的定义。一般认为移动Agent是一类能在自己控制之下从一台计算机移动到另一台计算机的自治程序，并可与其它Agent或资源交互的软件实体。它们能为分布式应用提供方便的、高效的和鲁棒的执行框架。上世纪90年代初，GeneralMagic公司在推出其商业系统Telescript时第一次提出了移动Agent的概念，它除了具有软件Agent的基本特性--自治性、响应性、主动性和推理性外，还具有移动性，即它可以在网络上从一台主机自主地移动到另一台主机，代表用户完成指定的任务。移动Agent：移动Agent：目前，移动Agent的研究已取得了一些成就，产生了较多的移动Agent原型系统，如OpenGroup公司的MOA、Stuttgart大学的Mole、Ochanomizu大学的MobileSpaces等。但它们还都很不成熟，存在着各种各样的缺陷。可以把目前的众多Agent系统看成是实验室的系统，离真正实用的产品还有很大的距离。移动Agent：

移动代理是一种能够在异构的计算机或移动网络上的结点之间自主迁移的程序。它能够自主选择何时迁往何地；在执行的任意一点将自己挂起，然后自主迁移到另一节点上，并在到达新地点之后唤醒自己继续执行；还可以通过克隆自己或者产生子代理散布到多个节点上，每个代理均以自治，必要时以相互合作的方式共同完成更为复杂的任务。支持断接性与互操作性是其主要的优点，即使断接时，其他节点就可以从移动代理处访问到原节点的数据。其他好处还包括减少网络延迟，支持轻载移动设备；代理执行可以独立于发送节点，其异步信息搜索与数据访问能力是其他模型所不具备的。传统代理模型中的Agent可视作一个静态代理，因为它不能动态迁移到其他服务器上去。

MobileAgentModel移动代理是一种能够在异构的计算机或移动网络上MobileAgentModel（续）Agent的一个重要能力在于与其他Agent的交互与合作能力MobileAgentModel还具有以下性质：－Agentautonomy（自治性）－Agentinteroperability（互操作性）－Agentreactiveness（响应性）－Agentmobility（移动性）MobileAgentModel（续）Agent的一个重移动网络中的几个重要问题路由选择(routingselection):决定哪一些链路或信道用于源节点和目标节点的信息传输。受到链路选择和信道分配的影响，好的路由选择应该能够均衡网络资源的应用，提高网络的吞吐量。信道分配（channelassignment）:是节点对或链路（link）在那些信道集上传输信息，信道分配决定链路之间是否干扰，决定网路的拓扑结构，影响网络的路由选择和性能。传输调度（transmissionscheduling）:是指节点在什么时间段应用那一些信道传输信息，是链路之间不受干扰，目标是最大化网络的同步传输。移动网络中的几个重要问题路由选择(routingselec干扰模型信道重用干扰模型信道重用能量问题（energy）：如何节约使用能量延长网络生存时间。有三个方面的研究进展：传输能量控制（transmitpowercontrol）：移动节点的传输能量控制，维护网络拓扑的连通性。主要目标是发现路由路径，转发数据包是能量消耗最小。负载均衡（loaddistributionbalance）：网络通信的分布使网络生存最大化。负载的分布减少节点的使用，路由的选择增加整个网络的生存时间（overallnetworklifetime）。休眠控制（sleep/powercontrol）：减少网络中节点的能量消耗，路由选择协调节点的休眠控制。定位问题（localization）：就是决定无线自组网络或传感器网络中节点的坐标，这个值要与节点到其邻居节点的距离一致。移动定位技术是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量（如传输时间、幅度、相位、角度等），根据算法判断被测物体的位置。能量问题（energy）：如何节约使用能量延长网络生存时间。作业利用一种移动网络实例说明移动计算的一个基本概念、实际应用或研究需要解决的问题。清楚阐述其基本概念、基本原理、应用前景或一些悬而未解的问题。作业利用一种移动网络实例说明移动计算的一个基本概念、实际应用

无线网络与移动计算

WirelessNetworksandMobileComputing

周继鹏暨南大学计算机科学系无线网络与移动计算周继鹏暨南大学计算机科学系杂志：IEEETransactionsonWirelessCommunicationsIEEETransactionsonMobileComputingJournalonWirelessCommunicationsandNetworkingACM/KluwerJournalofWirelessNetworksIEEETransactionsonVehicularTechnologyACMMobileComputingandCommunicationsReview会议：SigCom，Infocom,Globecom、MobiCom、Mobihoc，Mobisys,VLDB、SiGMOD、MobiQuitous、MDM等移动计算有关杂志、会议以及网站杂志：移动计算有关杂志、会议以及网站一、引言二、移动计算应用需求三、什么是移动计算？四、无线通信的发展五、移动计算基本特点六、移动计算系统组成七、移动计算研究的基本问题八、移动计算模型移动计算技术概述一、引言移动计算技术概述移动计算的应用需求2.移动应用急剧增加无处不在的工作范围。在金融、移动办公、通讯、公共交通、远程医疗、公共信息分布,现场数据采集等领域,移动计算或数据处理的作用已经变得日趋重要。背景：无线通讯网络技术的飞速发展和PDA、笔记本电脑、手持电话等移动计算和通讯设备迅速普及；移动计算的应用需求2.移动应用急剧增加背景：移动计算的应用需求移动计算的军事需求数字化移动通信与指挥－未来战场关键技术。基于Adhoc网络结构，融感知、追踪、通信、指挥等于一体的战术互联网。移动计算的应用需求移动计算的军事需求移动计算vs.无线网络虽然无线网络和移动式计算功能通常联系在一起，但二者并不完全一样。某些无线网的计算机不是便携式的。（军方或老式建筑物不便于布线的计算机）也有真正的移动式无线应用。（移动办公室）移动计算vs.无线网络虽然无线网络和移动式计算功能通常联便携式计算设备便携式计算设备WirelessNetworksWirelessNetworks有线网络与无线网络的区别在成本和施工难度方面：有线通信的开通需要架设电缆，施工成本高。有些地方由于地势或距离的影响不能铺设。无线相当容易。在可扩展性方面：有线通信的质量会随着线路的扩展急剧下降。而无线的扩频方式在可靠性、可用性方面超出有线通信。在传输带宽方面：无线网络目前不无有线网络。但无线网络频谱没有完全应用。在传输距离方面：有线网络与无线网络都有衰减，但无线网络受天气等因素影响，衰减变化较大、有线网络与无线网络的区别在成本和施工难度方面：有线通信的开通有线网络与无线网络的区别在抗干扰能力方面：有线网络是通过加屏蔽层技术抗干扰，抗干扰能力较强；无线网络没有屏蔽能力，只能通过调节自身无线信号发射强度、频率、跳频等技术抗增加抗干扰能力，具有不稳定性，有许多技术带研究。在安全性方面：无线网络的信号没有边界，容易截获，安全的成本比有线网络高。有线网络与无线网络的区别在抗干扰能力方面：有线网络是通过加屏移动计算的应用需求3.移动计算的国防需求数字化战场移动指挥－未来美国DOD关键基础技术

MANET网单兵计算机数字化部队移动计算的应用需求3.移动计算的国防需求Bps(比特/秒)GPRS3G4G2G3.5GBpsGPRS3G4G2G3.5G无线网络与移动计算概念课件adhocUMTS,WLAN,GSM,cdma2000,DAB,...PersonalTravelAssistant,DAB,PDA,laptop,GSM,UMTS,WLAN,Bluetooth,...移动计算的应用需求adhocUMTS,WLAN,PersonalTrav物联网物联网概念:把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网和移动通信网络连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网应用：数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，包括各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等，通过不同的互连方式进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”的一种服务。数字家庭的四大功能：信息、通信、娱乐和生活。个人保健:

人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。平安城市建设：利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。物联网物联网概念:把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感

移动计算商业应用举例：越来越多的手机都会支持无线网，商场只要在适当地点安装AP，顾客进入商场网络覆盖区域后用手持无线设备便可自动连通商场网页浏览商场信息，超市更可在购物车上安装PSA(个人购物助理)方便顾客购物。WAPGatewayMerchant1WAP/AgentServerMerchantnInternetProviderNetworkWAPTerminalSQLSQLSQL-WMLpages-listofmerchantsProductsProducts移动计算商业应用举例：WAPGatewayMercha

移动计算是基于无线通信技术和便携式移动计算设备的分布式计算模式。

Atechnologythatallowstransmissionofdata,viaacomputer,withouthavingtobeconnectedtoafixedphysicallink.

WWW：World-WideWeb

WebWithoutWires?!

移动计算＝分布计算技术＋移动通信＋数据库技术什么是移动计算？移动计算是基于无线通信技术和便携式移动计算设备的分布式计

无线计算(WirelessComputing)

无限计算(AlwaysonComputing)

漫游计算(NomadicComputing）泛化计算(PervasiveComputing

UbiquitousComputingUntethered(无范围的))

嵌入计算(EmbeddedComputing

)

移动计算的Buzzwords无线计算(WirelessComputing)移动Connectivity

connectedsemi-connected(asymmetric)weaklyconnecteddisconnectedMobileDeviceCapability

formfactor(电子产品规格)WindowsbasedGUImultimediareal-timemultimediaMobility

stationarynomadic(pedestrianspeed)mobile(vehicularspeed)roaming(mobileacrossnetworks)移动计算的三维认识ConnectivityMobileDeviceCapa什么是移动（mobility）?Currentresearchfocusesonthreeaspectsofdeployingservicesinamobilecomputingenvironment:1、usermobility（personalmobility)2、terminalmobility3、mobileaccesstoresources.什么是移动（mobility）?Currentresear用户移动性：一个用户在包括固定网络和移动网络在内的整个网络系统中，移动到任何地理位置，用唯一ID号，使用任何终端接入网络,并得到网络业务服务的能力，该能力包括对其所使用终端的定位及相关路由、计费等。终端移动性是指一个终端从不同位置或从移动接入网络识别并定位该终端的能力。如手提电脑访问无线局域网，移动电话通通讯。移动访问资源：移动设备能够发现和存取需要的资源。包括服务的发现和管理。如手机上网。用户移动性：一个用户在包括固定网络和移动网络在内的整个网络系车载网络移动访问资源InternetVehiclarClusterRoadsidetoVehicularCommunicationsVehiculartoVehicularCommunicationsRoadsidetoVehicularCommunicationsRoadsidetoVehicularCommunicationsBaseStation车载网络移动访问资源InternetVehiclarCluHowdoesitaffectthefollowing?HardwareLighterMorerobustLowerpowerWirelesscommunicationDisconnectionLowbandwidthHighbandwidthvariabilityHeterogeneousCan’ttuneforstationaryaccessNetworkprotocolsNamechangesDelaychangesErrorratechanges移动意味着变化HowdoesitaffectthefollowiFidelityHighfidelitymaynotbepossibleDataconsistencyStrongconsistencynolongerpossibleLocation/transparencyawarenessTransparencynotalwaysdesirableNames/addressesNamesofendpointsmaychangeSecurityLighter-weightalgorithmsEndpointauthenticationharderDevicesmorevulnerable移动意味着变化Fidelity移动意味着变化PerformanceNetwork,CPUallconstrainedDelayanddelayvariabilityOperatingsystemsNewresourcestotrackandmanage:energyApplicationsNamechangesChangesinconnectivityChangesinqualityofresourcesPeopleIntroducesnewcomplexities,failures,devices移动意味着变化Performance移动意味着变化移动带来的问题Generally,mobilitystressesallresourcesfurther:CPUPowerBandwidthDelaytoleranceRadiospectrumHumanattentionPhysicalsizeConstraintsonperipheralsandGUIs(modalityofinteraction)Locationsfordeviceplacement移动带来的问题Generally,mobilitystr移动计算的基本特点有限的带宽—蜂窝通信系统波特率9.6Kbps，IMT-2000144Kbps到EDGE300Kbps，远远低于固定网络中的铜缆或光纤通信的速率。移动性―必须适应不同地点的连接请求，并且经常在移动时要求保持连接；在不同服务器覆盖范围之间移动，越区切换比较常见。可靠性—由于其便携性和工作环境，可靠性更低，更容易受到干扰而出现网络故障。可能长时间地域网络断接，一些假设条件不同于传统的分布系统。移动计算装置也有一些潜在的不安全因素，如碰撞、磁场干扰、易于遗失和失窃等。安全性移动计算的基本特点有限的带宽—蜂窝通信系统波特率9.6Kbp与位置相关－应用程序可能与位置相关，移动导致位置的不断变换。有限的电源能力—通过蓄电池供电，但容量非常有限，一般只能维持2～5个小时，而计算密集型程序能源耗更大。频繁断接性—移动计算机在移动过程中，一般不采用保持持续联网的工作方式，而是主动/被动地间歇性入网、断接和重接，甚至越区切换。非对称性―包括通信与资源安全乃至QoS的非对称性，访问的是地理上分布的异构节点。由于电源能力的限制，移动设备上的资源与功能有限。复杂性—为支持移动性必须加入更多的功能并最终达到网络负载均衡；移动性也必然要求跨软硬件平台的兼容性。移动计算的基本特点与位置相关－应用程序可能与位置相关，移动导致位置的不断变换。移动通信与计算环境移动通信与计算环境移动计算系统

移动计算系统特征：1.移动性：不同地点的连接请求,移动时保持连接;主动与被动的断接与重接;网络条件的多样性;能源限制;通信的非对称性（用户规模，安全鉴别）移动计算系统移动计算系统特征：移动计算环境

移动计算环境组成由固定网络、移动网络、无线通信、笔记本电脑、PDA、手持电话以及移动着的用户构成。它是传统的固定网络分布计算环境利用了先进无线通信技术后的扩充。

移动计算环境的基本特征

1.

大多数移动终端设备相对便宜，便携，并且易于使用;

2.移动计算的解决方案应该包括有线和无线两个方面;

3.通信服务器和后台服务器要在同一硬件平台上。

移动计算环境移动计算环境组成移动计算环境的基本特征移动通信基本概念无线通信:通过电磁波传输数据。无线电波是一种波长较长、频率较低的电磁波。移动通信基本概念无线通信:通过电磁波传输数据。无线电波是一种无线通信:通过电磁波传输数据无线通信:通过电磁波传输数据无线通信的概念和基本原理无线通信是利用电磁波信号在自由空间中的传播特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又称为移动通信，通常把二者合称为无线移动通信。无线通信系统组成:发送设备、接收设备和无线信道.无线信道是无线通信的传输媒介，信道性能的好坏直接决定着通信的质量。变换器发射机天线接收天线接收机变换器无线通信的概念和基本原理无线通信是利用电磁波信号在自由空间中通信复用技术

频分多址（频份多路复用）

频分多址（FDMA,FrequencyDivisionMultipleAccess）是使用较早也是使用较多的一种多址接入方式，被广泛应用于卫星通信、移动通信、一点多址微波通信系统中。FDMA的技术核心是把传输频带划分为较窄的且互不重叠的多个子频带，每个用户都被分配到一个独立的子频带中；各用户采用滤波器，分别按分配的子频带从信道上提取信号，实现多址通信。通信复用技术频分多址（频份多路复用）通信复用技术

频分多址

CH2CH1CH3CH1CH2CH3MUXCH1CH2CH3带宽复用信号f复用器通信复用技术频分多址CH2CH1CH3CH1CH2CH3通信复用技术时分多址（时分多路复用）时分多址（TDMA,TimeDivisionMultipleAccess）是在给定频带的最高数据传输速率的条件下，把传递时间划分为若干时间间隙，各用户按照分配的时隙，以突发脉冲序列方式接受和发送信号。

通信复用技术时分多址（时分多路复用）通信复用技术时分多址

A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信号MUX复用后的数据流时隙号1231D3D2D1时间片12时间片2D1时隙D2复用器t通信复用技术时分多址A2A1A3原始信号D2D1D3数字化信通信复用技术波分复用（波分多路复用）整个波长频带被划分为若干个波长范围，每路信号占用一个波长范围来进行传输。

F2F1F3光谱F1F2F3共享光纤的光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤

棱柱/衍射光栅通信复用技术波分复用（波分多路复用）F2F1F3光谱F1F2主要通信技术码分多址（码分多路复用）

码分多址（CDMA,CodeDivisionMultipleAccess）也称扩频多址（SSMA,SpreadSpectrumMultipleAccess）。将原信号的频带扩宽，再经调制发送出去；接收端接收到经扩频的宽带信号后，作相关处理，再将其解扩为原始数据信号。每个用户把发送信号用接收方的地址码序列进行编码主要通信技术码分多址（码分多路复用）多路复用技术FDMA、TDMA和CDMA对比

CDMA与TDMA和FDMA的区别，就好像一个国际会议上，TDMA是任何时间只有一个人讲话，其他人轮流发言；FDMA则是把与会的人员分成几个小组，分别进行讨论；而CDMA就像大家在一起，每个人使用自己国家的语言进行讨论

多路复用技术FDMA、TDMA和CDMA对比移动计算的硬件环境1.移动终端

便携笔记本电脑、基于笔输入的计算机、掌上电脑、PDA、寻呼机、PDA/寻呼机、PDA/电话机、移动打印机、移动传真机、移动扫描仪等。Nokia9110Nokia3GvisionSierraPCMCIACDPDModemThenewEricssonR380phone,whichfeatureswirelessdatafunctions移动计算的硬件环境Nokia9110NokiaSierra

移动通信系统

包括:

低功率通信系统移动卫星系统无线LAN/WAN

专用移动通信系统寻呼系统数字蜂窝系统移动通信系统掌上电脑、智能手机进入发展新阶段芯片种类更多，速度更快。

CPU是INTEL、TI、Motorola三足鼎立。主频533～100MHZ。基于StrongARM架构的芯片为中低端产品采用，将陆续退出市场，基于Xscale机构的PXA250PXA255,PXA260系列将逐渐成为主流。产品如DellAximX5、iPAQ3970，联想XP618、SONYNX73V、NX80V。SONY03年9月推出自己CPU（SONYHandheldEngine）的ClieUX40和UX50。屏幕配置更高。屏幕已完成从4096色到65536色（TFTLCD）分辨率：240×320或320×320。掌上电脑、智能手机进入发展新阶段操作系统更强、应用软件更全面。预装微软POCKETPC2003操作系统，采用新的系统内核（新的GUI界面、工具软件、帮助软件和应用软件等），较PPC2002在Wi-Fi和多媒体功能上有加强。Palm与ClieUX40等采用Palm5.0操作系统。在智能手机方面，除常见的掌上电脑操作系统之外，还有诺基亚的Symbian（塞班）、微软Smartphone和Google的Android等操作系统，它们将手机功能、无线互连功能和娱乐功能有机结合起来。外设接口更全。目前采用较多的是MMS/SD或者CF接口。SONY系列掌上电脑则采用了MemoryStick。有的机型如ASUSA620则采用了SD/CF双接口。新的接口也层出不穷，如存储卡、USB、IEEE1394a/b、键盘、GPRS、GPS等。操作系统更强、应用软件更全面。2.Modem/无线网卡或其他数字网络接口设备交换网络Modem，蜂窝拨号适配器或ISDN拨号适配器，或特殊的无线网络接口，如ARDIS，RAM，CDPD目前，能适应所有无线连接形式的统一Modem还没有产品。3.E-mail服务器2.Modem/无线网卡或其他数字网络接口设备4.通信服务器和无线交换机（网关）如Shiva的NetRover用于异步网络传输，TEKnique的TX-5000用于无线网关。它们的功能包括：

异步有线会话，连接与断接服务，话路路由管理，移动标志，网络安全管理，异步无线网络连接与断接服务，协议转换（网关功能）

5.应用和/或数据服务器通常通信服务器与应用/数据服务器之间以局域网相连，这种连接也可以用高速总线或者广域网中的私用线路完成。

4.通信服务器和无线交换机（网关）移动计算设备的电池问题

锂电池连续工作时间仍然是有限的，目前大约是3～5小时。而且未来5年这种情况将不会有大的改善。

燃料电池：在笔记本计算机燃料电池开发方面，日本和德国厂商领先。2003年3约东芝公司醇燃料电池，平均输出功率为12瓦，最大输出功率可达20瓦，可以连续工作5个小时以上，计划于2004年投产。NEC公司2003年6月也推出醇燃料电池，平均功率为14瓦，最大达34瓦，可驱动平均耗电量为12瓦的笔记本连续工作5小时，即将推出可连续工作40小时的醇燃料电池。德国Masterflex与SmartfuelCell公司也计划于2004年推出氢燃料电池与醇燃料电池。移动计算设备的电池问题移动计算软件

（1）移动客户软件（2）移动通信服务器/交换机（3）软件应用和/或数据服务器软件移动计算软件（1）移动客户软件

操作系统、网络软件和各种移动终端驱动程序

(如:WinCE,PalmOS,Nokia等开发的无线操作系统EPOC）用户界面通信服务器软件的客户机部分传输层软件，如TCP/IP

传输层与应用层之间的中间件特殊的无线网络的驱动程序手写体与声音识别软件移动客户软件操作系统、网络软件和各种移动终端驱动程序移动客户软件

远程用户的连接确认通信端口管理安全验证单一逻辑信道：为了提供高速的带宽服务，通常把几个物理信道绑定来创建一条逻辑信道,形成多信道的通信。多物理连接的多线程管理通信协议管理与后台应用服务器或数据库系统的逻辑连接

移动通信服务器/交换机软件

远程用户的连接确认移动通信服务器/交换机软件

基于局域网的数据库服务，如Windows、

UNIX下的SYBASE、ORACLE、SQL数据库。基于小型机的服务，如AS/400

基于大型机的服务

应用和/或数据库服务器软件基于局域网的数据库服务，如Windows、应用和移动计算的前沿课题无线通信网络无线接入模型与方法（无缝漫游）服务质量保证（QoS）多网集成基于位置的计算定位与移动性管理位置服务能源供应便携式电池显示、处理、通信等处的节能措施环境感知（Context-Aware)计算移动数据管理与移动数据库移动中间件移动安全（WirelessCyberspaceSecurity)移动计算的前沿课题无线通信网络移动计算模型Thefollowingmodelsofcomputinginthemobileenvironmentarecurrentlybeingresearchedandinvestigated:Client/ServerModelClient/Proxy(Agent)/ServerModelClient/Intercept/ServerModelMobileAgentModelPeer-to-PeerModel移动计算模型Thefollowingmodelsof

传统分布式Client/Server模型ThreemajorproblemsofClient/ServerModel：

ControlofindividualresourcesiscentralizedinaserverEachsingleserverisapotentialbottleneckToimprovetheperformance,multipleimplementationofsimilarfunctionsmustbeneededresourcesserverClientprocess1Clientprocess2Clientprocess3Servicerequest传统分布式Client/Server

移动环境Client/ServerModel经典Client/ServerModels必须扩充以支持断接操作，适应移动网络的弱连接性。服务器（功能）在固定网络多处复制以备不时之需；断接时，移动节点机可能需要模拟服务器的功能；Client与Server的信息交换：远程过程调用（RPC）－含异步RPC其他优化（过滤、压缩等）技术对于轻载应用或Client不可靠情形，可转移部分功能到固定网络。移动环境Client/ServerM

Client/Agent/ServerModel该模型为三层模型，将移动客户机部分功能转至固定网络的代理Agent(亦称Proxy)。代理将移动终端与网络服务器的相互作用一分为二。客户机提出要求之后，可进入睡眠状态，甚至断接状态。Agent的基本功能是