基于TD－SCDMA的手機圖書館系統設計

賀利娜，李嫄源，田增山

(重慶郵電大學移動通信技術重點實驗室，重慶 400065)

責任編輯:許 盈

0 引言

隨著3G等移動通信技術的迅猛發展，以手機為視聽終端、手機上網為平臺的個性化即時信息傳播載體(第五媒體)已成為眾多用戶的最愛。依托于3G技術和第五媒體的手機圖書館也因此受到越來越多的關注，手機圖書館將會成為未來獲取知識信息的重要途徑和填補人們空閑時間的有效手段。3G技術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的無線通信資費也使得手機圖書館的實現成為可能。本文是基于3G主流標準之一的TD－SCDMA對手機圖書館的系統構建提出了一個新型方案，并對整個系統的架構以及實現上的關鍵技術等進行了一些探討。

1 應用現狀

手機圖書館將無線通信網和數字圖書館系統結合起來，利用高普及率的手機終端延伸傳統的圖書館服務，大幅提高了圖書館資源的整體利用率。目前國內圖書館主要采用基于短信和基于WAP兩種方式來構建手機圖書館服務系統［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，而且每次發送的文本信息容量有限。若文本信息較長，傳送時要將信息拆分成多個消息多次發送，極易產生數據丟失和信息不能實時到達。WAP方式提供了比短信技術更強的服務功能，但是2.5 Gbit/s有限的帶寬和較小的數據傳輸速率使得手機對數據的處理變得復雜［2］。WAP方式不支持POP3、IMAP等協議，而且WAP服務每次獲取必須重新登錄，只要在線，就需付費，這種高通信費用也成為人們的一種負擔。

由于短信方式和WAP方式已經不能滿足人們高速度、高效率閱讀電子資源的要求，這就需要在構建手機圖書館時采用一種新型的無線設備訪問網絡的傳輸技術。TD－SCDMA是一種全新的移動通信技術，采用TDD模式，同時采用同步CDMA、智能天線、接力切換等一系列高新技術。TD－SCDMA系統容量大，特別適合于高業務密度區域。又由于采用智能天線等新技術，TD－SCDMA基站大大降低了發射功率，同時降低了系統運營成本，使得用戶的資費下降變為可能。TD－SCDMA的數據傳輸速度也有了大幅提升，可以實現名副其實的移動寬帶，它能夠處理文本、圖片、視頻流等多種媒體形式，并提供網頁瀏覽、電子商務等多種信息服務。TD－SCDMA標準的諸多優點為構建手機圖書館提供了一個新的切入點，是手機圖書館發展的技術突破。

2 系統需求與設計目標

基于TD－SCDMA 的手機圖書館的設計目標是以手機作為無線移動閱讀終端，通過手機上網實現用戶對圖書館信息資源的訪問和利用。其優勢在于利用TD－SCDMA的寬帶優勢和不同網絡間的無縫漫游技術，將無線通信系統和Internet連接起來，方便用戶查詢、瀏覽、檢索、閱讀海量電子資源，最大化實現對數字資源的利用，突顯手機圖書館的價值，為讀者提供全方位的知識獲取服務。

手機圖書館依托于TD－SCDMA技術，終端是無線移動設備(如手機等)。但是由于這些設備的硬件性能和操作系統的差異較大，系統構建時應盡量降低對手機終端的軟硬件要求，以使用戶可以通過功能最簡單的手機獲取系統提供的各項服務。系統還應具有完善的用戶管理機制，使用戶方便對個人信息的管理［3－4］。

3 系統設計

3.1 系統架構設計

基于TD－SCDMA的手機圖書館的系統架構如圖1所示。整個手機圖書館的構建由圖書信息服務中心、嵌入式Internet接入平臺和手機終端3部分組成。其中，圖書信息服務中心包括數據庫服務器、Web服務器和后臺管理員。數據庫服務器端采用Microsoft SQL Server 2000數據庫，是整個圖書館的數據倉庫，用戶最終從這個倉庫中取得數據資源，并制作存儲圖書、期刊、論文等內容數據［5］;Web服務器提供一個面向手機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據信息，完成與用戶之間的對話通信;后臺管理員負責管理用戶的個人信息、設定各個層次的用戶權限、對個人圖書館進行服務等。嵌入式Internet接入平臺旨在提供一種基于TD－SCDMA和CDMA 2000雙網絡的嵌入式Internet接入方案。該方案主要實現3個功能:一是使互聯終端具有網內數據轉發的能力;二是使互聯終端能夠通過兩個網絡接口同時與TD網和CDMA 2000網進行通信;三是將數據通過蜂窩網路由到Internet中去，和Internet進行有目的性的數據交互。手機終端是一個嵌入式系統，用戶可以通過手機終端瀏覽、查詢和下載電子資源。

本系統架構在圖書信息服務中心之上，以現有的數據庫和電子資源為核心，用戶通過無線網絡接入點訪問網絡。成功接入網絡后系統將用戶的請求信息進行壓縮、封裝，然后TD－SCDMA模塊通過TD網發送數據信息，CDMA 2000模塊通過CDMA網發送數據信息。Web服務器接收到用戶發送的請求信息，通過ODBC方式與數據庫建立連接，按用戶的請求信息對數據庫記錄進行查詢。服務器將查詢結果通過Internet和蜂窩網傳遞到手機終端，手機終端把接收到的數據信息進行解壓縮和恢復，最終將電子資源準確無誤地提供給讀者。

圖1 基于TD－SCDMA的手機圖書館系統架構圖

3.2 系統流程介紹

本系統要求用戶成功登錄后方可對圖書信息進行移動查詢、下載等在線操作。在手機終端，用戶在圖書館首頁輸入的個人登錄信息(用戶名、密碼等)被發送到后臺數據庫進行身份驗證，只有通過身份驗證的合法用戶才能發送Http請求信息。這些請求信息被傳送到Web服務器，若Web服務器繁忙，則用戶可以重新發送請求或者選擇放棄操作;若Web服務器空閑，則響應請求信息。用戶根據服務器反饋的結果選擇操作命令，同時Web服務器與數據庫服務器進行數據交互，并將與該操作命令相關的查詢結果呈現給用戶供其閱讀。手機圖書館在線操作過程如圖2所示。

圖2 手機圖書館在線操作過程

3.3 系統關鍵模塊設計

系統對數據的處理主要集中在圖書館服務中心和嵌入式Internet接入平臺上。根據系統設計的需求，系統模塊主要包括數據預處理模塊、數據壓縮模塊、數據封裝模塊、同步組合模塊以及無線傳輸模塊5個部分。系統功能模塊如圖3所示。

圖3 系統功能模塊

各功能模塊功能說明如下:

1)數據預處理模塊。該模塊是構建數字圖書館的基礎，主要目的是屏蔽數據的異構性，將不同結構的數據如TXT、PDF等轉化為統一的數據格式，實現接入數據的一致格式化，使其能夠在不同的手機終端上閱讀。

2)數據壓縮模塊。該模塊用于去除數據的冗余信息，減少各種數據之間的相關性，可以采用靜態的壓縮格式，將圖書采集后的數據進行壓縮并保存起來供其他模塊使用。

3)數據封裝模塊。該模塊用于確保數據片段可以正確地發送到手機終端。圖書數據沿著TCP/IP協議棧向下傳輸時，每一層都添加一個報頭，并將封裝后的內容作為數據傳遞給下一層，直到物理層，數據被轉換為比特流進行傳輸。

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

5)無線傳輸模塊。該模塊用于完成對圖書數據的網絡傳輸，將處理后的圖書信息通過TD網絡和CDMA網絡傳輸到手機終端。

4 系統實現的部分關鍵技術

4.1 數據分割

由于圖書信息的長度遠遠大于TD－SCDMA的數據幀結構，因此傳輸時需要對圖書信息進行分割。TD－SCDMA有多個并行時隙，可將傳送的數據流進行分割并映射到多個物理信道上，通過不同的時隙進行傳輸。

分割原理是這樣的:數據流的傳送是以數據塊為單位的。分割時首先要在數據塊上添加循環冗余(CRC)校驗比特，并將一個傳輸時間間隔(TTI)內的所有傳送塊按順序級聯起來，并對級聯后的傳送塊進行碼塊分段。如果TTI大于10 ms，那么比特序列將被分割并映射到連續的無線幀上形成TD幀。在TD－SCDMA系統中經過交織后的數據平均分配到兩個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隙的碼道上進行傳輸［7］。TD－SCDMA系統的幀結構如圖4所示。

圖4 TD－SCDMA系統的幀結構

4.2 數據封裝

本文數據信息的封裝是基于TCP/IP協議和TD－SCDMA的幀結構進行研究的。TCP是一種面向連接的、可靠的傳輸層通信協議，它位于IP層之上，TCP不會發生丟包現象。同時TCP會用一個校驗和函數來檢驗數據是否錯誤，保證了數據的完整性和正確性，比較適合圖書數據的傳輸，所以本文在傳輸層上選擇TCP做協議。

圖書信息服務中心進行數據封裝時，在傳輸層采用TCP做報頭，并將TCP報頭附加在圖書信息等高層數據前面形成數據段，完成一次封裝。在網絡層將用來尋址的IP報頭加在數據段的前面封裝成IP包，此時IP包將作為數據鏈路層的高層數據參與封裝。傳送到數據鏈路層時，分別在IP包前后加上TD首部和TD尾部，封裝形成TD幀。TD幀結構支持智能天線和上行同步，能夠將信息快速、可靠地傳遞給用戶。圖書數據信息封裝過程如圖5所示。

圖5 數據信息封裝過程

4.3 數據解封裝

數據解封裝是數據封裝的逆過程。接收圖書數據信息時，先對每個TD幀的幀長參數進行檢查，判斷參數是否在正常范圍內，進而判定接收正確與否。若接收不正確，則采用數據重傳機制，要求高層重新傳送數據;若接收正確，則讀取數據鏈路層TD幀協議字段的控制信息，同時去除TD幀的首部和尾部，將一次解封裝后的剩余信息傳送到網絡層。每一層執行相同的操作:讀取協議信息，依次在網絡層去除IP報頭信息，在傳輸層去除TCP報頭信息等，最終還原圖書數據信息。

4.4 同步組合

本文研究的同步是指TD－SCDMA多種同步技術中的傳輸信道同步。傳輸信道同步就是傳輸信道實體之間的幀同步。幀同步是指接收方應當能從接收到的二進制比特流中區分幀的起始與終止。同步傳輸的數據格式如圖6所示。

圖6 同步傳輸的數據格式

數據傳輸時每個數據流的頭部和尾部都要附加上一個特殊的字符或者比特序列，用來標記一個數據流的開始和結束，一般還要附加一個校驗序列(如16位或32位CRC校驗碼)，以便對數據流進行差錯檢測控制。手機終端可以根據不同信道傳輸的幀標識區分二進制比特流的起始和終止，并啟用軟件對幀標識進行檢測，從而正確接收數據，實現同步并完成數據組合。一旦出現幀丟失和同步時鐘問題，就采用TD－SCAMA網絡結構中的lu接口時間校正機制，重傳緩沖器中的數據，保證傳輸的QoS。

5 結束語

本文基于3G等移動通信技術的帶寬優勢，從數據傳輸速率和傳輸帶寬著手，提出并構建了一種具有TD－SCDMA和CDMA 2000雙網絡傳輸的手機在線圖書館設計方案。與傳統的圖書館相比，該手機圖書館擺脫了PC機和有線網絡的限制，用戶可以通過手機移動應用服務在一定區域內隨時隨地訪問圖書館。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方式，改善和提升了公益性文化事業的功能與作用。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和整體科學文化水平也具有十分重要的意義。

［1］徐忻，婁路.基于3G的手機圖書館服務系統構建研究［J］.圖書與情報，2009，20(3):50 －54.

［2］師曉青，艾霧.手機圖書館信息服務現狀分析及基于TD－SCDMA的展望［J］. 圖書館學研究，2009，5(4):69 －72，76.

［3］方瑋，張成昱，竇天芳.基于資源整合的手機圖書館系統的設計與實現［J］.現代圖書情報技術，2009，15(6):76－80.

［4］方杰.基于手機閱讀的高校無線移動電子圖書館建設方案初探［J］.科技情報開發與經濟，2008，18(28):19－21.

［5］張維容，賈愛霞.手機在移動數字圖書館的應用［J］.科技情報開發與經濟，2008，18(22):3 －6.

［6］孫軍鵬，趙舒.實現TDMA系統幀同步的一種算法［J］.重慶科技學院學報:自然科學版，2007，9(2):53 －55.

［7］李世鶴.TD－SCDMA第三代移動通信系統［M］.北京:人民郵電出版社，2003.

［8］郭梯云，鄔國揚.移動通信［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2000.