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智能環(huán)境是最近剛提出的一種全新概念的無線通信網(wǎng)絡它是由許多用于個人的小便攜信息設備和功能強大的傳感器連成的一個復雜的、具有自組織性的、能夠協(xié)同工作的通信結(jié)構(gòu)。目前存在兩種技術研究傾向（即以技術為中心和以人為中心的研究），而且專家認為，它優(yōu)越于藍牙等無線通信技術。
一、現(xiàn)存的幾種無線通信網(wǎng)絡
現(xiàn)存的幾種相關的無線網(wǎng)絡模型為移動自組織網(wǎng)絡（MANET）、蜂窩網(wǎng)絡以及包括藍牙在內(nèi)的許多短距離的無線局域網(wǎng)。
1.移動自組織網(wǎng)絡（MANET）
MANET是對等網(wǎng)絡，它通常包含成千上萬個可以完全移動的通信節(jié)點，每個節(jié)點可視為一個個人信息器具（如配備有無線收發(fā)機的個人數(shù)字助理），能覆蓋到幾百米的范圍。MANET的目的是形成并維持一個有聯(lián)系關系的多跳網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡能在節(jié)點間傳輸多媒體業(yè)務。
為了能在移動的情況下保證某種服務質(zhì)量，MANET網(wǎng)絡必須采取如下措施：
�。�1）節(jié)點組織采用的方式應使它們都能夠有效地訪問共享通信媒體。在某些情況下，將這種方式稱之為“形成了一個基礎設施”，同樣地，這里的基礎設施能為節(jié)點提供一種信道接入策略。
（2）網(wǎng)絡中能執(zhí)行路由尋址算法。
（3）在移動情況下仍能保持這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，并且還能進行路由尋址。
在MANET網(wǎng)絡中，為了使服務質(zhì)量為最優(yōu)，需要做好網(wǎng)絡的組織結(jié)構(gòu)、路由尋址算法和移動性管理（ORM）這三方面的工作。也就是說，當節(jié)點在高速移動情形下，網(wǎng)絡仍能提供好的吞吐／時延特性。
2.蜂窩網(wǎng)絡
蜂窩網(wǎng)絡是由靜止節(jié)點和移動節(jié)點組成的較大網(wǎng)絡。位于通信子網(wǎng)中的靜止節(jié)點（基站）和構(gòu)成固定基礎設施結(jié)構(gòu)的有線中樞網(wǎng)絡相連。移動節(jié)點的數(shù)量大大超過靜止節(jié)點，每個基站中有成百上千個移動節(jié)點，這些移動節(jié)點通常分布得很分散。每個基站都覆蓋一個很大的區(qū)域，且區(qū)域之間很少重疊。只有當移動節(jié)點移動并發(fā)生越區(qū)切換時，才會出現(xiàn)區(qū)域間的重疊覆蓋情況（每個移動節(jié)點可能一下就會跳到遠離基站的位置去）。這種蜂窩網(wǎng)絡的主要目標就是提供高的服務質(zhì)量和高的帶寬效率。
3.藍牙
藍牙是短距離的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是替代電器之間的電纜線，來提供電器間的射頻連接。藍牙的拓撲為星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，1個主節(jié)點最多可以與7個附屬節(jié)點相連，從而構(gòu)成了微微網(wǎng)絡。每個微微網(wǎng)絡都采用集中指定的時分多址表和跳頻模式。所有節(jié)點都和主節(jié)點保持時序同步。用相應的機制來保證微微網(wǎng)絡間的互聯(lián)，從而形成一個多跳的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡的信息速率大約為1Mbit／s；網(wǎng)絡中典型的傳輸功率是1mW，可望覆蓋10m的范圍。
4.其他局域網(wǎng)絡
還有一種正在發(fā)展的短距離商用系統(tǒng)是家用射頻。此系統(tǒng)的目的和藍牙非常相似，但該網(wǎng)絡模型基于IEEE 802.11標準，能處理單跳自組織網(wǎng)絡，無線電波采用跳頻模式，信道接入可基于時分多址（TDMA）和載波偵聽多址接入（CSMA）模式。信息速率最高可達大約2Mbit／s；傳輸功率是100mW，典型的覆蓋范圍是一間房子或一個院子。
這些傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡的主要目標都是在移動環(huán)境下提供高的服務質(zhì)量（即高吞吐量／低時延）和高的帶寬效率。對于有固定基礎設施結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡來說，聯(lián)系很少發(fā)生中斷，并且中斷事件和能量使用無關。而在移動性網(wǎng)絡中，拓撲結(jié)構(gòu)的改變通常是由節(jié)點的移動性引起，而不是由為了執(zhí)行各種網(wǎng)絡協(xié)議造成的能量耗盡引起的。因此，為了提高系統(tǒng)性能，在協(xié)議設計中，移動性管理和故障恢復比能量保持更為重要。
二、智能環(huán)境的基本概念
隨著分化很小的、低功率的計算設備和無線通信技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多用于個人的小便攜信息設備和功能強大的傳感器。這些傳感器在環(huán)境中能連成網(wǎng)。當我們試圖將這些設備連成一個復雜的、具有自組織性的、并能夠協(xié)同工作的通信結(jié)構(gòu)時，就出現(xiàn)了兩種技術研究傾向（即以技術為中心和以人為中心的研究）。
近幾年的研究內(nèi)容就是建立一個新的計算范例，它本質(zhì)上類似于一個普遍存在的計算網(wǎng)。許多術語（諸如普遍深入的、無形的、穩(wěn)定的、任何時間、任何地點、靈活的、擴展了的現(xiàn)實以及信息設備等）可能會讓讀者產(chǎn)生不同的理解，但是它們的共同目標就是在人和環(huán)境之間建立一種共生關系（而現(xiàn)在已經(jīng)普遍存在的計算范例是人和計算機之間的聯(lián)系）。這種新的計算范例可從以人為中心來研究人和智能環(huán)境間的通信內(nèi)容，或從以技術為中心來研究構(gòu)成智能環(huán)境需要哪些新的技術（尤其是網(wǎng)絡設施方面），以及隨著新范例的發(fā)展，軟件設施和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要有哪些新變動。
1.以人為中心的研究
（1）設計目標
此時不論人是否移動、智能環(huán)境是否動態(tài)地在改變，在人機接口（HCI）中，智能環(huán)境的輸入／輸出功能都必須滿足人（作為信息需求者）的需求。這種環(huán)境中，可能發(fā)生的變化有人的數(shù)量、信息提供者的數(shù)量、人的位置以及智能環(huán)境中設備的位置等幾種。這些變化可以理解為人和環(huán)境間的聯(lián)系（如人在辦公室、人在家里、人在車里和人在機場是不同的）。
以人為中心的研究目的就是使人-機之間以及人-人之間的信息交流更為便利、快捷。為此，在智能環(huán)境中研究HCI需達到如下設計目標：
① 保密性：必須為用戶提供保密要求（如只對信息擁有者提供個人生物鑒定資料）。
② 有效性：讓用戶有更多時間做他想要做的。
③ 動態(tài)用戶界面：當某個用戶想要呼叫另一用戶時，系統(tǒng)應能自動察覺。通過理解HCI當前的通信內(nèi)容，預測用戶的意圖，使用戶最小限度地參與智能環(huán)境。
（2）應考慮的問題
為達到上述設計目標，需考慮如下問題：
�、� 中斷問題：中斷何時發(fā)生、采用何種方式觸發(fā)？當產(chǎn)生中斷后，智能環(huán)境如何將被中斷任務的狀態(tài)告知用戶，以備以后任務恢復之用。
�、� 控制問題：用戶和智能環(huán)境何時才應該發(fā)生相互聯(lián)系？控制區(qū)域的最佳范圍是多少？控制域的靈活變動程度如何？人和環(huán)境共同認可的控制域是多少，如何實現(xiàn)？
�、� 人的行為問題：人們想要用某種技術來執(zhí)行某些任務，而不是用這種技術本身，所以行為問題不是技術問題。普遍可接受的觀點是，智能環(huán)境必須用一種謹慎的方式來使人們能執(zhí)行當前普遍存在的活動，同時能提供某些增值服務。另外智能環(huán)境還必須能讓人們做一些當前所設想不到的活動，即智能環(huán)境必須和人類的活動同時演進發(fā)展。第三個問題也就是當我們在日常生活中接納了智能環(huán)境這個概念之后，哪些活動將成為主流的發(fā)展趨勢，這是研究者很難預測的問題。
在智能環(huán)境中是否存在有關鍵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一組相關聯(lián)的設施組成并且能為活動提供連貫性的、關鍵性的連接。其目的是使活動的完成不依賴于單個設施。
�、� 評估問題：評價一個智能環(huán)境好與壞的準則是什么呢？前已提到，在智能環(huán)境中，我們需要關心的是以人為中心的活動，并不是技術本身。為了滿足技術和人類活動的共同演進，必須使智能環(huán)境的重大演進和實用目的相聯(lián)系。為此，提出要發(fā)展“真實實驗室”旨在發(fā)展新技術和新的環(huán)境來滿足真正的人類活動。
當然研究智能環(huán)境需要各種學科的共同努力，不僅局限于硬件和軟件設計。智能環(huán)境為社會學家和生物學家呈現(xiàn)了一個有趣的研究平臺：即一部分研究工作就是在智能環(huán)境中測試當前理論；另一部分研究工作就是拓展、修正或是替換當前理論。社會學家和生物學家要研究可用性測試，還要研究核心理論結(jié)構(gòu)，當然，這也需要其他學科的參與。
2.以技術為中心的研究
智能環(huán)境需要新的硬件技術來使由計算設備構(gòu)成的自組織網(wǎng)之間互聯(lián)成網(wǎng)，需要高效的中繼設備技術來支持異類、分布式系統(tǒng)間的互操作。
（1）智能環(huán)境的構(gòu)成
智能環(huán)境由智能空間、智能節(jié)點和網(wǎng)絡三部分構(gòu)成。
① 智能空間
智能環(huán)境包括一組物理空間，智能節(jié)點就分布在此空間并在此空間傳輸。這些空間或是指一間房內(nèi)的物理空間，或是僅由可通過無線媒質(zhì)互相連通的一組節(jié)點構(gòu)成。
② 智能節(jié)點
智能節(jié)點不同于傳統(tǒng)的端節(jié)點和網(wǎng)絡節(jié)點。它具有潛在的計算功能、能進行無線通信、具有自我激勵機制并且能完成特定的功能等共同屬性。
a.智能節(jié)點的共同屬性
·由定義可知，智能節(jié)點要在局部空間具有智能，因此它必須具備計算和存儲能力。這樣才能保證它的自主操作，并且和其他智能節(jié)點進行協(xié)議的聯(lián)系。而這種處理能力能進一步保證完成某個特定的功能。
·智能節(jié)點需要無線通信鏈路，此鏈路通常和節(jié)點中的處理芯片相結(jié)合并保證此節(jié)點和其他智能節(jié)點之間進行無線互聯(lián)。
·智能節(jié)點必須具有自我充電的能力，最好是使用一種不需要經(jīng)常更換電池的技術。當智能節(jié)點到處存在時，電池的更換就變得很頻繁。這就需要研究更好的電池技術，而周圍的功率源更值得研究。
·智能節(jié)點必須能完成特定的功能。這是因為，在智能環(huán)境中，傳統(tǒng)的計算和網(wǎng)絡平臺將被分解成具有特定功能的一些設備（如當前的ＰＣ將由一系列智能節(jié)點所替代）。
·這些智能節(jié)點可構(gòu)成靈活的無線網(wǎng)，用來和其他固定或移動設備以及Internet相連。
b.智能節(jié)點的類型
·個人節(jié)點：它對用戶來說是主要的計算節(jié)點，同時要注意，當所有的智能節(jié)點都具有某種潛在的計算能力時，個人節(jié)點主要起計算平臺的作用，也有可能負責和外部網(wǎng)絡進行通信。
·可卸載的輸入／輸出節(jié)點：如眼鏡、擴音器以及耳機中的加蓋顯示屏。
·可隨身攜帶的節(jié)點：如手掌鍵盤和手持文本輸入設備。
·個人傳感器：如定位裝置（GPS和IPS）、環(huán)境參數(shù)（溫度、氣壓）和生物傳感器（血壓等）。
·智能房間和智能車輛中的輸入／輸出設備：如超屏顯示器、無線鍵盤、打印機和攝影機。
·智能房間和智能車輛中的存儲設備：可以是暫時性存儲，也可是永久性的作為檔案存儲。
·為網(wǎng)絡層和應用層提供服務的服務器：如可提供內(nèi)容緩存服務。
·網(wǎng)關：包括以人為中心的智能網(wǎng)絡接入點、永久性的網(wǎng)關以及Internet接入點。
有些智能節(jié)點不止起到一種作用（如個人節(jié)點、以人為中心的智能網(wǎng)絡接入點等），這些作用比當前通用的PC和個人數(shù)字助理PDA的作用更為具體。智能節(jié)點除了上述作用外，還應包括一些不可達到的節(jié)點或是被丟棄節(jié)點具有的功能（如和其他節(jié)點或是Internet相連接時，不能僅依賴具有接入功能的個人節(jié)點的唯一的連接）。
③ 網(wǎng)絡
網(wǎng)絡能將智能節(jié)點連接起來，能讓節(jié)點間相互通信，從而為用戶提供方便的服務。
a.網(wǎng)絡環(huán)境具有的特征
·范圍大小：每個人可能包括數(shù)十種節(jié)點。這就意味著，當在一個可容納1000人的禮堂里，智能空間中可能就存在著成千上萬個節(jié)點。當然，我們可采用分層結(jié)構(gòu)來處理自身網(wǎng)絡范圍內(nèi)的節(jié)點。但是，研究其他網(wǎng)絡內(nèi)部的節(jié)點分布也是關鍵問題。
·無線信道帶來的問題：因為無線信道易被偷聽、易受到各種干擾因此，網(wǎng)絡應能提供安全性保證和信息的確認。另外當前的射頻無線信道提供的帶寬有限，這對某些需要很大帶寬（如個人節(jié)點和超平顯示器之間的無線鏈路）的鏈路來說是不可以接受的，但如將網(wǎng)絡空間中許多節(jié)點的傳輸帶寬合并就可以大大超過射頻帶寬，這樣在傳輸時就不需要進行功率控制。無線信道會遭受衰落，所以也要考慮如何保證服務質(zhì)量（QoS）。
·移動性問題：智能節(jié)點可能會移動，移動性會給網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)增加動態(tài)特性，所以需要研究動態(tài)連接、動態(tài)路由算法和安全性問題。
b.網(wǎng)絡協(xié)議和算法
除了智能環(huán)境的三種構(gòu)成元素外，為了支持智能環(huán)境，還需要許多網(wǎng)絡協(xié)議和算法。這些協(xié)議和算法包括：
·相鄰節(jié)點的可察覺性：智能節(jié)點發(fā)出信號建立一組能直接通達的節(jié)點。
·鏈路信息的互換性：節(jié)點之間能互換信息（如ID、鏈路類型、鏈路承載能力），從而可確定需要建立哪些鏈路、需要保持哪些鏈路。
·自組織和自我互聯(lián)性：節(jié)點應能夠根據(jù)分級互聯(lián)原則進行自我組網(wǎng)，這種互聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)必須適應移動節(jié)點的動態(tài)特性。我們也可通過節(jié)點的這種互聯(lián)性構(gòu)成的網(wǎng)進行路由算法和QoS評估。
·信源節(jié)點的可察覺性：為了執(zhí)行某項功能，通信節(jié)點可能需要許多信源節(jié)點的參與（如需要內(nèi)容服務器、緩存器和多媒體轉(zhuǎn)換器）。查找信源節(jié)點的算法就是能找到一組可用的信源節(jié)點并根據(jù)應用功能、網(wǎng)絡的質(zhì)量指標優(yōu)化等的考慮，從中選出最好的一個。
·對Internet的依賴性：Internet提供了很多有用的資源和服務，同時也為許多分散開來的自組織網(wǎng)提供了可互相連通的鏈路（見圖1）。由于距離問題或安全問題，和Internet相連的鏈路可能會中斷或者不可達到，所以智能節(jié)點必須能夠自主操作。這就存在一個智能節(jié)點的自主性和對Internet的依賴性之間的均衡問題。
·以用戶為中心的通信和會話協(xié)議：通信應基于用戶，而不是基于物理節(jié)點或位置。因此，我們需要的協(xié)議、信息源位置和代理必須使用戶和應用程序之間能通過名稱來相互通信。一個會話就是由一系列應用程序組成，其中可能包含有許多網(wǎng)絡流和自組織網(wǎng)之間的互聯(lián)。會話協(xié)議必須能夠處理動態(tài)變化，即多個節(jié)點、多個信息流構(gòu)成的會話可動態(tài)加入、離開，會話的合并和分解。
（2）智能環(huán)境的軟件設施支持
在智能空間和智能物體普遍存在的世界里，軟件無處不在。曾有這樣的術語，你今天寫的軟件到了明天就會成為歷史；在Internet時代里，這句術語就變成這樣：你腦中正在構(gòu)思的軟件已經(jīng)成為了歷史。
智能部件可能具有很長的使用年限，因此不能輕易替換或更新，或是某些不能看見的、很難更換的設備。換句話說，智能設備和智能空間即使在未組網(wǎng)之間就固有存在了。所以我們需要研究的是如何為新老設備提供轉(zhuǎn)換和代理服務。因為，不管某種新設備的功能如何吸引人，也沒有人愿意更新和升級家里所有的設備。
因此構(gòu)造智能環(huán)境需要下列軟硬件技術的支持：
①軟件技術的支持
·信源節(jié)點的可察覺性：必須能知道臨近地區(qū)信源節(jié)點的類型、位置和特性。
·相互操作性：不論專用設備還是通用設備，不論處理功率的大小、存儲容量的多少和網(wǎng)絡帶寬的多少，他們必須具有互操作性。
·定位：能以一定的分辨率確定幾米到一二百米范圍內(nèi)的用戶或是設備的位置。
·移動性察覺：智能環(huán)境應能夠接納固定狀態(tài)的小設備和用戶也允許服務的轉(zhuǎn)交和重新協(xié)商。
·事件管理：我們可以即時定義一種事件來區(qū)分設備和環(huán)境中事件的集合和分解。
②支持硬件設備
·命名：能有效區(qū)分本地智能環(huán)境和周圍環(huán)境中的信源節(jié)點、設備（如讓指定的兩部電話通信）。
·安全和隱私：在公開和半公開的地方保持通信的隱秘性、安全性。
·設備的可檢測性：必須知道鄰近地區(qū)有哪些設備以及這些設備的用途。如智能環(huán)境應該知道是否用戶手中有某種設備并能對設備進行相應的調(diào)節(jié)。另外用戶有可能中途更換設備，所以智能環(huán)境必須能夠接納異類設備。
·適應性：當設備的數(shù)量、用戶數(shù)以及服務請求發(fā)生變化時，智能環(huán)境至少應能讓設備進行動態(tài)配置并能提供相應的服務（如智能環(huán)境提供給數(shù)十人和數(shù)百人的視頻服務種類是不同的）。
·QoS保證：QoS的管理包括資源預約、接入控制和協(xié)商。
·獨立執(zhí)行特性：當操作平臺、語言、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，也能夠提供可靠的服務。
·互操作性：在中繼環(huán)境中具有互操作性，所有的中繼環(huán)境所能提供的服務可能不同，他們之間必須能互操作，否則智能節(jié)點就會被分割開來。
·范圍：智能環(huán)境可以很大，智能節(jié)點的分布可以很密集，可以讓成千上萬個設備分布在1m之內(nèi)。分布范圍可以是一幢建筑物大小、大學校園、城市、縣、省、全國以至全球。
·易理解性：智能環(huán)境中的中繼器必須能提供所有服務，所以復雜是不可避免的。大多數(shù)應用者不會直接和中繼層發(fā)生聯(lián)系，他們只是和簡單的高級標注語言或是庫函數(shù)進行高層的抽象聯(lián)系。少數(shù)應用者可能需要和中繼層進行低層聯(lián)系。這就意味著存在有特殊的中繼層，它能夠抽象服務，同時當不需高層聯(lián)系時也能將之旁路掉。
·安全性：能提供隱秘性和認證。安全服務可以是依賴設備的、依賴用戶的，也可以是依賴智能空間的。
·容錯性：當硬件、網(wǎng)絡連接或系統(tǒng)服務出現(xiàn)故障時，能恢復正常。
三、智能環(huán)境的發(fā)展趨勢
智能環(huán)境究竟是研究實驗平臺還是分離地研究各種技術呢？在研究HCI時，就提出要在智能環(huán)境中發(fā)展living laboratories。然而，對所有跟智能環(huán)境相關的學科來說，研究這種實驗平臺是否值得。
1.研究實驗平臺的好處
（1）在設備和人之間提供了較好的測試層；
（2）更有效的評估；
（3）有些情形下，不需要考慮真實世界的復雜性，它有可能建立一個封閉的世界。
2.研究實驗平臺的缺點
（1）測試平臺需要很多來自研究中的信息資源；
�。�2）測試平臺需要在各學科之間進行語言轉(zhuǎn)換；
�。�3）智能環(huán)境的發(fā)展還不很成熟，不能發(fā)展有用的測試平臺。而沒有了測試平臺，就無法將獨立的研究項目連貫起來。有些人認為，這種連貫性并不是必須的。還有許多方法來研究智能環(huán)境的發(fā)展，有用的研究可以基于不同的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)沒有必要聯(lián)系起來。而另一些人卻認為，系統(tǒng)之間不僅要聯(lián)系，而且還要協(xié)同工作。例如，有人將這種協(xié)同工作必須成拱形原則。還有人認為，每個系統(tǒng)至少要和其他ｎ個系統(tǒng)協(xié)同工作。有些人認為，強調(diào)這種協(xié)同性沒有意義，我們首先應該強調(diào)的是，系統(tǒng)之間應交換哪些信息，而不是協(xié)同工作的標準是什么。還有一種方案就是增加各自獨立研究領域的結(jié)合力度，以此建立一個通用的問題領域。
3.智能環(huán)境應研究的問題
歸納起來，智能環(huán)境即將研究以下問題：
（1）應用方面：自組織的電話會議，用于獲取交易；技術支持會議和技術教育，用來改進生產(chǎn)力；用戶接口，用來理解高層的用戶意圖，而不是某個具體指令；用戶接口，此接口為空中接口，適用于當前可接入的任何設備；用戶接口，平衡用戶的諸多需求，減輕中斷影響；用戶接口，可允許用戶出錯和錯誤理解用戶的意圖。
�。�2）傳感器：和成千上萬設備共同陳列的高度自適應傳感器；允許人們使用遠程傳感器做為人身體的延伸。
（3）通信設備和網(wǎng)絡：接入?yún)f(xié)議使完全自組織的各種無線系統(tǒng)均能以很好的性能共享頻譜。并且保持在阻塞期間性能的下降可以接受；各種自組織的網(wǎng)絡，設備數(shù)量比今天的數(shù)量多1000倍。
�。�4）自適應系統(tǒng)：加電后設備能自我組織；系統(tǒng)允許其他設備能輕易加入，并可立即使用；系統(tǒng)能充分利用地理環(huán)境。
摘自《郵電設計技術》
