嵌入式以太网在移动通信系统中的应用

谢凯

摘要：基于移动通信技术自身的局限性，开始将具备更加广阔的应用前景的嵌入式以太网应用在移动通信系统中，因此研究嵌入式以太网在移动通信系统中的应用。首先分析嵌入式以太网在移动通信系统中应用的可行性，并从具备嵌入式以太网接口的应用模式和不具备嵌入式以太网接口的应用模式两个方面，分析嵌入式以太网在移动通信系统中的应用。

关键词：嵌入式以太网;移动通信;终端端口

中图分类号：TP393.11      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）08-0060-02

網络技术的发展引发了通信系统的技术革命，人们逐渐希望拥有一台移动通信设备，并可以在任何时间、任何地点及时查看移动通信设备的状态，并随时进行远程维护。嵌入式系统在这方面能够起到巨大的作用，所谓嵌入式系统一般是以计算机科学为基础，以满足用户的功能需求为根本目的，能够独立控制处理数据的一项技术，一般体积小、能耗少、可靠性强，在与以太网连接之后就具备了远程通信的能力[1]。目前的嵌入式以太网技术已经有了十分巨大的进步，并且科学家们逐渐将视线转移至嵌入式以太网。在科技的飞速进步之下，各式各样的嵌入式系统越来越多，并且先后接入了以太网，拥有了以太网的连接功能[2]。因而开始将嵌入式以太网应用于移动通信系统中，为用户提供一个方便快捷且成本低廉的通信方式。

1 嵌入式以太网在移动通信系统中应用的可行性

如上文所述，嵌入式以太网因为技术先进、信息传输性能优越、网络延迟低、设备操作简单等原因，已经在现实中实现了初步应用。但是由于嵌入式以太网自身局域性的特点，很多人担心在移动通信技术中，很有可能因为会因为通信用户过多而导致嵌入式以太网过载连接失败，因此对嵌入式以太网在移动通信技术中的应用没有足够的信心[3]。在传统的嵌入式以太网中，因为嵌入式以太网程度通信方式是一种相互协议且非确定性的通信模式，不存在优先级判定，因此当多人同时向一个人发送信息时，系统无法判定那条信息应该首先表达，继而产生逻辑冲突，导致信息接收失败[4]。在同一条网络通路上，即使不是向同一个人发送信息，也很可能因为嵌入式以太网本身的局限性而导致信息发送失败。这种情况看似合理，却几乎不可能会发生。即使在理论上嵌入式以太网的数据流冲突不可避免，但是在移动数据的容量较小时，是能够保证性能的。且嵌入式以太网网络连接的速度较其他网络更快，网络响应速度的增强保证了嵌入式以太网在移动通信技术中的实时性。在嵌入式以太网进一步发展之后，交换机技术得到推广，嵌入式以太网信息碰撞的问题得到了妥善的解决，每个用户都可以独占一条线路，不必再担心信息流冲突的问题[5]。对比研究普通网络和嵌入式以太网，可以发现嵌入式以太网比普通网络对于数据信息的响应速度快太多了，因为以太网自身的特点，网络数据信息在网络上移动时不需要像普通网络一样经过各个节点，而是可以一步到位。这样一来，就能够大量地节省传输时间，并省略了数据通过节点时占据的内存空间。在网络空间中的数据大致可以分为三类：正常周期性传输的运行数据、突发事件的偶然数据和随机性数据。普通网络面对突发性数据和随机数据的反应速度也远不如嵌入式以太网。而且在科技的发展下，嵌入式以太网的造价较过去降低了很多，已经具备了初步普及的条件，这使得嵌入式以太网在移动通信技术中的应用拥有了可行性，并为其提供了可靠的保证。

2 嵌入式以太网在移动通信系统中的应用模式

2.1 具备嵌入式以太网接口的应用模式

嵌入式以太网在应用于移动通信系统以后，需要首先设置嵌入式以太网的接口，并优先完成处理信息网络通信的模块，即通信模块。基于TCP/IP协议的复杂性，想要实现嵌入式以太网通信模块的设立，需要优先处理CPU运行速度、RAM和ROM的内存容量、双网设计切换等嵌入式以太网的核心问题。选择合适的嵌入式以太网控制器以后，就可以真正在移动通信技术中应用嵌入式以太网[6]。嵌入式以太网在移动通信系统中一般有两种应用方式，其一是在如智能手机、笔记本等智能电子设备上安装一个嵌入式以太网接口，并将该设备作为一个嵌入式以太网的节点连接在嵌入式以太网的网络上，具体模型如图1所示。

如上图所示，嵌入式以太网的终端端口分别由个人端口和工程师端口组成，通过嵌入式以太网连接不同的电子设备，并使这些电子设备具备嵌入式以太网的特点。但是若想实现实时性更高的嵌入式以太网移动通信技术，就需要得到硬件层面的保证。整个嵌入式以太网体系都需要支持嵌入式以太网DMA的数据传输，嵌入式以太网控制器的规格为10/100Mbps，将嵌入式以太网控制器的芯片调整为兼容模式，并将嵌入式以太网的数据压缩编码成为数据包。这样才能准确地重新输入代码，定时中断信号，通过指令读取堆栈指针和CPU寄存信息，支撑整个移动通信系统的运行。以太网控制器和收发器的种类很多，随着芯片科技的发展，集成式的嵌入式以太网控制器已经应用在实践领域。因此，此时具备嵌入式以太网接口的应用模式就有两种不同的硬件实现方案。第一，将CPU与嵌入式以太网控制器联合起来，再加上嵌入式以太网收发器，形成嵌入式以太网硬件系统。

嵌入式以太网的控制器和收发器都需要执行IEEE 802.3所制定的规则，由TCP/IP协议完成解释和执行计划。还可以使用集成芯片作为嵌入式以太网的主体，其具体模式如图2所示。

如图2所示，64位操作系统的CPU与嵌入式以太网控制器处于同一集成芯片上，不需要使用外部数据线连接，而是通过其芯片内部的数据总线作为连接工具。因此，图2所示的集成式硬件系统具备极强的抗干扰性和可靠性，不过在价格上较分布式硬件系统略贵。因此，当CPU为64位或32位操作系统时，通常使用集成式硬件系统，但是当操作系统变为16位，因为不容易找到能够与其相匹配的嵌入式以太网控制器作为集成芯片的组成部分。

2.2 不具备嵌入式以太网接口的应用模式

不具备嵌入式以太网接口的智能移动通信设备无法直接与嵌入式以太网连接，只能先通过RS232/485连在一起，将另一个具备嵌入式以太网接口的移动通信设备作为中转站，作为节点连接在嵌入式以太网接口上，并将不具备嵌入式以太网接口的智能移动通信设备连接在具备嵌入式以太网接口的移动通信设备上。相比于具备嵌入式以太网接口的应用模式，不具备嵌入式以太網接口的应用模式在软件配置和成本控制上有一定的差异。嵌入式以太网本质上是在物理与数据网络层面具备逻辑拓扑结构的一种总线型网络，这种网络能够实现包括TCP/IP协议在内的各种高层协议。作为一种成熟的高层协议，TCP/IP协议在指定的最初就拥有一个具备广适性的通信协议。这个网络通信协议的层次模型如下图所示。

如图3所示，网络通信协议的层次模型共分为6层，应用程序作为应用层，TPC/IP协议作为传输层，UDP和逻辑链路作为网络连接层，均由微处理器处理。嵌入式以太网访问控制层作为链路访问层由嵌入式以太网控制器管理，嵌入式以太网收发器作为物理层由硬件驱动器实现。因此，所有的通信行为均由微处理器在应用层、传输层和网络连接层实现。考虑到嵌入式以太网的数据存储能力有限，在完成保留其数据处理能力的前提下，可以将TPC/IP协议拆分为IP协议、TPC协议和UDP协议，这三个协议都是TPC/IP协议的基本协议。

为了满足TPC/IP协议的复杂性，一般将多任务、多线程的TPC/IP协议软件作为操作系统，嵌入式以太网一般具备极强的实时通讯功能，因而具备移动通信系统的实时性特征，嵌入式以太网对于每一个具备物理特性的应用都保证了其可预测性。因此，在TPC/IP协议实现时，采用了嵌入式以太网作为移动通信系统的重要工具，利用多任务机制和互斥机制进行管理和调度。

因此，在实现嵌入式以太网的应用模型的过程中，需要一次构建嵌入式RTOS模块以及TPC/IP模块。充分利用嵌入式操作系统的多角度互斥机制，使嵌入式以太网在移动通信系统中的应用机制清晰可见。

就目前来看，嵌入式以太网的建设成本已经控制在了很低的程度，已经初步具备了大范围推广的条件。无论是使用具备嵌入式以太网接口的应用模式还是使用不具备嵌入式以太网接口的应用模式作为嵌入式以太网的实现方式，都会因网络节点数的不同对网络流量产生不同的影响。因此具体在实际中应用哪种模式，需要根据具体情况和所需成本来考虑。

3 结束语

移动通信技术的应用是必然的发展，本文将嵌入式以太网应用在移动通信系统中，对其进行了简要探讨和研究。为了增强移动通信系统的实时性和操作性，上文中简单介绍了嵌入式以太网，探究了嵌入式以太网在移动通信系统中应用的可行性，并在此基础上设计了嵌入式以太网在移动通信系统中的应用模式及其相关技术的实现。综上所述，应用嵌入式以太网的移动通信技术有着广泛的应用前景，因此这项新兴技术还需要更加深入的研究。

参考文献：

[1] 冯程.256比特密码算法在5G移动通信系统应用中关键问题研究[J].信息安全研究，2020，6（8）：716-721.

[2] 董峰.移动通信系统中的无线定位技术及其应用[J].通信电源技术，2020，37（12）：94-96.

[3] 左艳洁.基于以太网和嵌入式Web的自动气象监测站[J].信息与电脑（理论版），2020，32（2）：191-192+195.

[4] 胡祖辉，施佺，吴国庆.基于嵌入式以太网的远程监控系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2019，27（10）：120-124.

[5] 周鑫，田晔非.基于DM9161EP的嵌入式光纤以太网传输系统设计[J].仪表技术与传感器，2019（6）：42-46.

[6] 凌启东.基于融合通信的嵌入式网关系统设计[J].工业控制计算机，2018，31（12）：119-121.

【通联编辑：张薇】