嵌入式以太網在移動通信系統中的應用

謝凱

摘要：基于移動通信技術自身的局限性，開始將具備更加廣闊的應用前景的嵌入式以太網應用在移動通信系統中，因此研究嵌入式以太網在移動通信系統中的應用。首先分析嵌入式以太網在移動通信系統中應用的可行性，并從具備嵌入式以太網接口的應用模式和不具備嵌入式以太網接口的應用模式兩個方面，分析嵌入式以太網在移動通信系統中的應用。

關鍵詞：嵌入式以太網;移動通信;終端端口

中圖分類號：TP393.11? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）08-0060-02

網絡技術的發展引發了通信系統的技術革命，人們逐漸希望擁有一臺移動通信設備，并可以在任何時間、任何地點及時查看移動通信設備的狀態，并隨時進行遠程維護。嵌入式系統在這方面能夠起到巨大的作用，所謂嵌入式系統一般是以計算機科學為基礎，以滿足用戶的功能需求為根本目的，能夠獨立控制處理數據的一項技術，一般體積小、能耗少、可靠性強，在與以太網連接之后就具備了遠程通信的能力[1]。目前的嵌入式以太網技術已經有了十分巨大的進步，并且科學家們逐漸將視線轉移至嵌入式以太網。在科技的飛速進步之下，各式各樣的嵌入式系統越來越多，并且先后接入了以太網，擁有了以太網的連接功能[2]。因而開始將嵌入式以太網應用于移動通信系統中，為用戶提供一個方便快捷且成本低廉的通信方式。

1 嵌入式以太網在移動通信系統中應用的可行性

如上文所述，嵌入式以太網因為技術先進、信息傳輸性能優越、網絡延遲低、設備操作簡單等原因，已經在現實中實現了初步應用。但是由于嵌入式以太網自身局域性的特點，很多人擔心在移動通信技術中，很有可能因為會因為通信用戶過多而導致嵌入式以太網過載連接失敗，因此對嵌入式以太網在移動通信技術中的應用沒有足夠的信心[3]。在傳統的嵌入式以太網中，因為嵌入式以太網程度通信方式是一種相互協議且非確定性的通信模式，不存在優先級判定，因此當多人同時向一個人發送信息時，系統無法判定那條信息應該首先表達，繼而產生邏輯沖突，導致信息接收失敗[4]。在同一條網絡通路上，即使不是向同一個人發送信息，也很可能因為嵌入式以太網本身的局限性而導致信息發送失敗。這種情況看似合理，卻幾乎不可能會發生。即使在理論上嵌入式以太網的數據流沖突不可避免，但是在移動數據的容量較小時，是能夠保證性能的。且嵌入式以太網網絡連接的速度較其他網絡更快，網絡響應速度的增強保證了嵌入式以太網在移動通信技術中的實時性。在嵌入式以太網進一步發展之后，交換機技術得到推廣，嵌入式以太網信息碰撞的問題得到了妥善的解決，每個用戶都可以獨占一條線路，不必再擔心信息流沖突的問題[5]。對比研究普通網絡和嵌入式以太網，可以發現嵌入式以太網比普通網絡對于數據信息的響應速度快太多了，因為以太網自身的特點，網絡數據信息在網絡上移動時不需要像普通網絡一樣經過各個節點，而是可以一步到位。這樣一來，就能夠大量地節省傳輸時間，并省略了數據通過節點時占據的內存空間。在網絡空間中的數據大致可以分為三類：正常周期性傳輸的運行數據、突發事件的偶然數據和隨機性數據。普通網絡面對突發性數據和隨機數據的反應速度也遠不如嵌入式以太網。而且在科技的發展下，嵌入式以太網的造價較過去降低了很多，已經具備了初步普及的條件，這使得嵌入式以太網在移動通信技術中的應用擁有了可行性，并為其提供了可靠的保證。

2 嵌入式以太網在移動通信系統中的應用模式

2.1 具備嵌入式以太網接口的應用模式

嵌入式以太網在應用于移動通信系統以后，需要首先設置嵌入式以太網的接口，并優先完成處理信息網絡通信的模塊，即通信模塊。基于TCP/IP協議的復雜性，想要實現嵌入式以太網通信模塊的設立，需要優先處理CPU運行速度、RAM和ROM的內存容量、雙網設計切換等嵌入式以太網的核心問題。選擇合適的嵌入式以太網控制器以后，就可以真正在移動通信技術中應用嵌入式以太網[6]。嵌入式以太網在移動通信系統中一般有兩種應用方式，其一是在如智能手機、筆記本等智能電子設備上安裝一個嵌入式以太網接口，并將該設備作為一個嵌入式以太網的節點連接在嵌入式以太網的網絡上，具體模型如圖1所示。

如上圖所示，嵌入式以太網的終端端口分別由個人端口和工程師端口組成，通過嵌入式以太網連接不同的電子設備，并使這些電子設備具備嵌入式以太網的特點。但是若想實現實時性更高的嵌入式以太網移動通信技術，就需要得到硬件層面的保證。整個嵌入式以太網體系都需要支持嵌入式以太網DMA的數據傳輸，嵌入式以太網控制器的規格為10/100Mbps，將嵌入式以太網控制器的芯片調整為兼容模式，并將嵌入式以太網的數據壓縮編碼成為數據包。這樣才能準確地重新輸入代碼，定時中斷信號，通過指令讀取堆棧指針和CPU寄存信息，支撐整個移動通信系統的運行。以太網控制器和收發器的種類很多，隨著芯片科技的發展，集成式的嵌入式以太網控制器已經應用在實踐領域。因此，此時具備嵌入式以太網接口的應用模式就有兩種不同的硬件實現方案。第一，將CPU與嵌入式以太網控制器聯合起來，再加上嵌入式以太網收發器，形成嵌入式以太網硬件系統。

嵌入式以太網的控制器和收發器都需要執行IEEE 802.3所制定的規則，由TCP/IP協議完成解釋和執行計劃。還可以使用集成芯片作為嵌入式以太網的主體，其具體模式如圖2所示。

如圖2所示，64位操作系統的CPU與嵌入式以太網控制器處于同一集成芯片上，不需要使用外部數據線連接，而是通過其芯片內部的數據總線作為連接工具。因此，圖2所示的集成式硬件系統具備極強的抗干擾性和可靠性，不過在價格上較分布式硬件系統略貴。因此，當CPU為64位或32位操作系統時，通常使用集成式硬件系統，但是當操作系統變為16位，因為不容易找到能夠與其相匹配的嵌入式以太網控制器作為集成芯片的組成部分。

2.2 不具備嵌入式以太網接口的應用模式

不具備嵌入式以太網接口的智能移動通信設備無法直接與嵌入式以太網連接，只能先通過RS232/485連在一起，將另一個具備嵌入式以太網接口的移動通信設備作為中轉站，作為節點連接在嵌入式以太網接口上，并將不具備嵌入式以太網接口的智能移動通信設備連接在具備嵌入式以太網接口的移動通信設備上。相比于具備嵌入式以太網接口的應用模式，不具備嵌入式以太網接口的應用模式在軟件配置和成本控制上有一定的差異。嵌入式以太網本質上是在物理與數據網絡層面具備邏輯拓撲結構的一種總線型網絡，這種網絡能夠實現包括TCP/IP協議在內的各種高層協議。作為一種成熟的高層協議，TCP/IP協議在指定的最初就擁有一個具備廣適性的通信協議。這個網絡通信協議的層次模型如下圖所示。

如圖3所示，網絡通信協議的層次模型共分為6層，應用程序作為應用層，TPC/IP協議作為傳輸層，UDP和邏輯鏈路作為網絡連接層，均由微處理器處理。嵌入式以太網訪問控制層作為鏈路訪問層由嵌入式以太網控制器管理，嵌入式以太網收發器作為物理層由硬件驅動器實現。因此，所有的通信行為均由微處理器在應用層、傳輸層和網絡連接層實現。考慮到嵌入式以太網的數據存儲能力有限，在完成保留其數據處理能力的前提下，可以將TPC/IP協議拆分為IP協議、TPC協議和UDP協議，這三個協議都是TPC/IP協議的基本協議。

為了滿足TPC/IP協議的復雜性，一般將多任務、多線程的TPC/IP協議軟件作為操作系統，嵌入式以太網一般具備極強的實時通訊功能，因而具備移動通信系統的實時性特征，嵌入式以太網對于每一個具備物理特性的應用都保證了其可預測性。因此，在TPC/IP協議實現時，采用了嵌入式以太網作為移動通信系統的重要工具，利用多任務機制和互斥機制進行管理和調度。

因此，在實現嵌入式以太網的應用模型的過程中，需要一次構建嵌入式RTOS模塊以及TPC/IP模塊。充分利用嵌入式操作系統的多角度互斥機制，使嵌入式以太網在移動通信系統中的應用機制清晰可見。

就目前來看，嵌入式以太網的建設成本已經控制在了很低的程度，已經初步具備了大范圍推廣的條件。無論是使用具備嵌入式以太網接口的應用模式還是使用不具備嵌入式以太網接口的應用模式作為嵌入式以太網的實現方式，都會因網絡節點數的不同對網絡流量產生不同的影響。因此具體在實際中應用哪種模式，需要根據具體情況和所需成本來考慮。

3 結束語

移動通信技術的應用是必然的發展，本文將嵌入式以太網應用在移動通信系統中，對其進行了簡要探討和研究。為了增強移動通信系統的實時性和操作性，上文中簡單介紹了嵌入式以太網，探究了嵌入式以太網在移動通信系統中應用的可行性，并在此基礎上設計了嵌入式以太網在移動通信系統中的應用模式及其相關技術的實現。綜上所述，應用嵌入式以太網的移動通信技術有著廣泛的應用前景，因此這項新興技術還需要更加深入的研究。

參考文獻：

[1] 馮程.256比特密碼算法在5G移動通信系統應用中關鍵問題研究[J].信息安全研究，2020，6（8）：716-721.

[2] 董峰.移動通信系統中的無線定位技術及其應用[J].通信電源技術，2020，37（12）：94-96.

[3] 左艷潔.基于以太網和嵌入式Web的自動氣象監測站[J].信息與電腦（理論版），2020，32（2）：191-192+195.

[4] 胡祖輝，施佺，吳國慶.基于嵌入式以太網的遠程監控系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2019，27（10）：120-124.

[5] 周鑫，田曄非.基于DM9161EP的嵌入式光纖以太網傳輸系統設計[J].儀表技術與傳感器，2019（6）：42-46.

[6] 凌啟東.基于融合通信的嵌入式網關系統設計[J].工業控制計算機，2018，31（12）：119-121.

【通聯編輯：張薇】