移动互联网终端技术研究

    据工业和信息化部电信研究院出版的《移动互联网白皮书》定义，移动互联网的3要素为：移动网络、移动终端及应用服务，其中移动终端是应用服务的载体。终端的接入类型、硬件系统配置、用户界面（UI）以及提供给第三方开发者的开放程度，决定了终端给予用户的服务质量和用户体验。

 

 

    由于能提供更多、更贴合用户需求的应用，移动互联网应用商店模式已将之前电信运营商的“封闭花园”模式彻底颠覆。而作为移动互联网应用的载体和连接渠道，移动互联网终端扮演着更加重要的角色，本文将就移动互联网终端的类型、操作系统平台、人机交互和移动应用几个方面来分析当前的移动互联网终端技术。

 

 

    1 移动互联网终端的类型

 

 

    移动互联网终端是一种能够连接移动互联网并搭载应用服务的终端设备，依据需求及市场定位的不同，移动互联网终端可划分为功能型移动互联网终端（简称功能型终端）和智能型移动互联网终端（简称智能型终端）。功能型移动终端专注于完成一种或几种功能，对系统的要求没有智能型终端那么高，如当前的无线POS机、低端手机和物联网终端等；智能型终端则搭载了开放的应用编程接口（API），使第三方应用能够更好地与操作系统及底层硬件整合，性能表现更加出色，常见的智能型终端包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。

 

 

    1.1 功能型终端

 

 

    功能型终端具有相对固定的功能和较低的运行环境要求。它的软硬件系统较为简单，更多地使用嵌入式芯片及嵌入式操作系统，因此其成本、功耗、体积都能得到更精细地控制，也能更多地在多种简单任务场景下使用。目前在远程信息录入、交通管理、工业控制方面都有广泛应用。根据Cisco公司的预测[3]，2016年机器对机器（M2M）间产生的网络流量将占到移动网络总流量的4.7%，达到每月508 022 TB。可见功能型终端在未来将有极大的发展空间。

 

 

    1.2 智能型终端

 

 

    Cisco公司预测，将来的移动互联网网络流量主要由智能手机、笔记本、平板电脑产生。这些移动设备的硬件及操作系统都支持丰富的第三方应用，能够满足用户工作、娱乐、社交等各种需求，它们的主要配置如图1所示。智能手机及平板电脑主要采用基于精简指令集（RISC）的ARM架构，在保持性能的同时减少了功耗，电池总量不需太高也能维持长时间地使用；笔记本等高性能电脑则使用基于复杂指令集（CISC）的X86架构，性能优异但是能耗较高，即使使用高容量电池仍然无法维持长时间使用。

 

 

 

    智能手机、平板电脑及笔记本的主要硬件对比

 

    图1 智能手机、平板电脑及笔记本的主要硬件对比

 

[page]    （1）智能手机

 

 

    智能手机从开始只是通信模块和个人数字助理（PDA）功能的组合，到逐渐能够支持第三方应用程序，再到目前成为其价值所在的第三方服务应用。智能手机的CPU从100 MHz左右演变为当前的1.5 GHz双核甚至四核，摄像头也成为了标配，诺基亚甚至推出了4 100万象素的智能手机。在过去的10年中智能手机经历了多种演变：与掌机融合以增加手机游戏体验、在手机上提供视频服务等，但是最终由iPhone带领到了大屏幕、高配置、触摸屏、支持第三方应用的方向上。未来手机的突破性方向将是丰富的附属配件及外设、创新的人机交互界面和强大的计算能力。

 

 

    （2）平板电脑与上网本

 

 

    平板电脑最初是作为书籍与记事本的替代品，但是由于触控笔输入及芯片技术的不成熟，早期平板电脑价格高昂且不易使用。2007年Amazon公司发布了电子阅读器——Kindle。Kindle作为书籍的替代品有良好的使用性。当时的Kindle只能算是功能型终端，主要用作电子书阅读，直到产品kindle fire的出现，才使得Kindle系列终端转为智能型终端，但是主要功能仍然是电子阅读和多媒体娱乐。苹果公司iPad的出现是平板电脑发展史上的一个里程碑。iPad采用高主频专用CPU，配合iOS系统，外观华丽且性能流畅。iPad作为易携带的阅读、娱乐、展示终端，并以苹果应用商店为平台，提供了一个全新的商业生态链。正因iPad的极大成功，各方均群起效仿，例如三星的Galaxy系列、联想的乐Pad系列等。

 

 

    上网本是一种低价、体积小、功能精简的小型笔记本，但是无论从价格、便携性、性能表现、功能应用还是外观设计上，上网本都难以和平板电脑比肩。实际上，平板电脑覆盖了上网本的市场，上网本的前景堪忧，如果没有突破性的改变，很难再有转机。

 

 

    （3）笔记本电脑

 

 

    笔记本电脑是在具有高性能、大屏幕、快速的键盘鼠标输入、能满足用户所有工作娱乐所需的同时兼顾便携性的一类电脑。未来的笔记本在性能、UI界面上会有更大地变化，续航性、可携带性和数据交互速度也将有更明显地提高，将是用户第一台电脑的主要选择。

 

 

    2 智能终端操作系统及应用技术

 

 

    智能终端操作系统主要有诺基亚公司的Symbian、苹果公司的iOS、谷歌公司的Android、微软公司的Windows Phone和RIM公司的黑莓OS。根据StatCounter公司的统计，虽然Symbian系统仍占全球手机市场份额第一，但是在智能手机、平板电脑及新兴终端的领域，Symbian将逐步被淘汰，iOS、Android以及Windows Phone将被广泛采用。

 

 

    2.1 iOS系统

 

 

    iOS[4]是苹果公司系列终端产品的操作系统。它分为轻触层、媒体层、核心服务层和核心操作系统层。底层为所有应用程序提供基础服务，高层提供复杂服务和技术。iOS为基于Unix微内核的系统，常用的轻触层的功能采用Object-C语言实现，可以自行管理内存，具有流畅的运行速度。

 

 

    iOS的优势在于引入了itunes应用商店模式，使用户可以自行编写或定制软件，同时也可以在应用商店将此软件推广而获得收益。该模式吸引了众多软件公司进入应用市场开发软件，扩大了终端应用的来源，也使用户有了更多选择。而后期多平台系统（iPad、iPhone、iTouch）上购买的应用及多媒体资源能够进行多次复用，更将使得itunes应用商店体现突出优势。

 

 

    iOS的设计理念非常出色。iOS用傻瓜相机的理念设计UI，用户不需要接触安装位置、安全、隐私等问题，而多点触控技术的使用更是使这些操作都非常简单，所以极受普通用户的欢迎。从系统角度看，iOS和硬件契合度高，由于是苹果公司自主设计的软硬件，在获得性能提升的同时也确定了系统的封闭性。对于多媒体资源和应用，只能从应用商店获得，并且苹果公司实行较为严格的应用审核制度，恶意软件无法通过安装方式进入系统，这样它不仅确定了一个封闭循环的商业模式，也同时在安全性上得到了保证。

 

[page]    2.2 Android系统

 

 

    Android[5]是谷歌公司发布的一款基于Linux系统的移动终端操作系统。与iOS的封闭性相反，Android秉承了谷歌自由、开放的风格，鼓励用户及软件开发商自由地裁剪系统和开发应用。这一点让各个智能终端厂商能够按照自己的需求对Android进行二次开发，也能够让用户选择或者开发最适合的操作系统及应用。开放的系统带来了大量的搭载智能终端及用户。2011年8月Canalys公司发布统计数据，Android已占领全球智能手机50%的市场，成为智能手机的最大操作平台。

 

 

    由于是开源、开放性的系统，Android在应用市场上没有采用准入制度，在安全性上有所缺失，无法控制应用可能带来的入侵。虽然安全性软件能够提供一些保障，但Android还是可能随时面临病毒的威胁，将成为杀毒软件和病毒的主要战场。

 

 

    Android系统除了底层的Linux内核及函数库，应用层是建立在被划分为Android Runtime的核心库和Dalvik虚拟机上，应用程序使用Java开发。Android架构如图2所示。但是Java的内存自动管理机制会使得Android系统的内存在任意时间释放，导致了Android应用的不稳定。在Android2.3引入C/C++ NDK之后，这个问题才有所好转，但是NDK功能上仍不完整，仍需进一步地完善。

 

 

 

     Android架构(摘自Android开发者官方指南)

 

    图2 Android架构（摘自Android开发者官方指南）

 

[page]    2.3 Windows Phone系统

 

 

    Windows Phone[6]是由微软公司发布的操作系统，该操作系统基于Windows CE内核，由硬件层、内核层、系统层和应用层4个部分组成。Windows Phone架构如图3所示，是一种基于。Net CLR虚拟机运行应用程序。

 

 

    Windows Phone明确分开了本地和云端的应用，并分别为两种不同的应用提供不同的支持。同时，它明确分开了高性能应用及普通应用，并为之提供了两种不同的开发平台。Windows Phone同样采用应用准入制度，在安全性上相对有保证。可以预计，随着诺基亚的加入，Windows Phone的表现也许将会令人耳目一新。

 

 

 

     Windows Phone架构(摘自MSDN Windows Phone开发指南)

 

    图3 Windows Phone架构（摘自MSDN Windows Phone开发指南）

 

 

    3 人机交互技术

 

 

    人机交互技术（HCIT）是指通过输入/输出设备，实现人与计算机通信的技术，它是计算机用户界面设计中的一个重要内容。最早的人机交互方式是打孔纸带，然后有了键盘和鼠标，1973年施乐公司（Xerox）发布的第一台图形界面电脑使得让人与机器的交互更加简单直观。

 

 

    现在的人机交互规则是机器学习人的思维与行为习惯，多点触屏技术让机器按照人的习惯进行指令输入，即使没有经过训练的人也能迅速学会使用。语音识别技术能识别人的语言，再加上远端的云，能让人仅动动嘴就能完成人机交互。体感识别技术则能够让人的身体变为机器可识别的控制器。更多的人机交互技术还在研究开发中，例如增强现实技术、脑波读取技术等。新型人机交互技术示例如图4所示。

 

    新型人机交互技术示例

 

    图4 新型人机交互技术示例

 

 

    3.1 触屏技术

 

 

    触屏技术的主要原理是用户在使用工具碰触前端的触摸屏时，所触摸的位置会被触摸屏的控制器检测到，并通过接口送至CPU，从而确定输入的信息。触屏技术包括电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波（SAW）技术触摸屏。当前的移动终端主要使用的是电容技术触摸屏。

 

 

    世界上的第一款触控移动终端是苹果公司的个人数字助理（PDA）——Newton MessagePad，今天在苹果公司的iOS界面中仍能找到Newton界面的影子。触屏技术的使用意味着人们不仅只有使用键盘这样一种人机交互方式，还能通过触屏使用户以更贴近人体习惯的方式操作终端。

 

 

    触屏技术真正让大众接受并倍受追捧是在iPhone发布之后。完全为手指操作而设计的屏幕界面和软件运作命令给触屏技术带来了革命性变化，同时由于移动终端商业模式的改变，各种基于触摸的新型应用大量出现，又使触屏技术被更多人所喜爱。

 

[page]    当前的触屏技术在输入方式上只有点击与滑动，反馈方式只有屏幕显示。其实触屏技术还有很大的潜力，例如触屏技术的软件支持以及人体工程学的研究，都还有很多工作可做。

 

 

    3.2 语音处理技术

 

 

    语音拨号及语音控制其实早就是移动终端的配置之一。它可以通过对移动终端接收的语音信号进行简单处理。当前典型的语音处理应用是iPhone 4S的Siri，它能够识别从移动终端收到的语音，并将信息通过网络发回计算中心进行匹配处理，然后发回移动终端给予用户相应的反馈。Siri的前身据称即是五角大楼的能学习组织的认知助手（CALO）[7]项目，目的就是为了探索如何把语音、自然语言理解、视觉、演说、机器学习、制订计划、理性思考等全部融合到一个模仿人类的助理中，帮助人们完成不同的事情。通过对自然语言理解的进一步发展，Siri已经从语音识别的领域扩大到了人工智能。Siri在云端对语音识别结果进行机器学习、服务搜索、自然语言处理，再加上与各种应用API的连接，在未来将形成一个基于语音的智能事务处理平台。

 

 

    3.3 体感动作识别技术

 

 

    2009年微软公司公布了Xbox360游戏机的外设——Kinect。不需任何控制器，Kinect能捕捉三维空间中玩家的动作，以完成指令输入。其原理[8]是利用连续光（近红外线）对测量空间进行光斑编码，通过感应器读取已编码的散射后光线，然后解码生成一张有深度的3D图像，再对连续的3D图像进行解析，滤除干扰噪声，提取人体模型，记录人体动作，并通过机器学习理解使用者的肢体动作，最终生成一个有20个关节的人体骨架，从而理解人体动作。在游戏中，玩家只需要在Kinect前做出相应的动作，Kinect就能够做出相应的反应。体感动作识别技术不仅只是用于动作侦测，细化之后甚至可以对脸部表情、肌肉、唇语进行解读，也可以同面部识别技术结合，或者与虚拟现实结合使用，甚至用于外部环境感知。

 

 

    对于当前的移动终端来说，Kinect的耗电量仍然太大，暂时只能用于笔记本，且需要接入电源。但是这并不阻碍将其列入移动终端的人机交互技术中，就像其他计算机技术一样，体感识别技术必将进入移动终端领域。

 

 

    4 热点应用

 

 

    社交网络服务（SNS）是一种可以构筑并反映人与人彼此之间的网络关联关系的一种在线平台服务。在SNS平台上，每个用户都有自己的展示网页，可以上传照片、视频、文字，用户之间可以基于社会关系、个人兴趣等因素连接到一起，形成用户黏度。用户通过即时消息、电子邮件等方式进行在线交互。当前热门的SNS网站Facebook、Twitter、Google+都推出了各自在不同操作系统上的无线移动客户端，以争夺移动用户市场，据Ender analysis公司统计，使用移动设备登入Facebook的用户已超过3亿人。

 

 

    基于位置的服务（LBS）是一种能够通过移动设备获取用户地理信息，并以此提供信息或娱乐的服务方式。由于LBS在商业、娱乐、社交和工作等领域有较大的应用前景，目前各个操作系统都提供了LBS支持，也出现了各种基于LBS的移动应用，例如Foursquare、Google Latitude等。

 

 

    SNS、LBS在移动互联网时代组成了一个新词：SoLoMo。2011年，KPCB[9]公司的John Doerr指出未来人们使用移动设备的时间将增加，其中通过移动SNS建立友好的连接，共享位置、音乐，进行交流等社交活动的时间也将加速增长，并通过分析日本SNS网站Mixi’s的月访问来源、手机功能的平均时间消耗比例，以及各种SNS网的访问量增长比率证明了这一观点。因此，各大SNS网站都在各自的领域内开始将这3个概念统一，开发新的产品，争取获得更多的潜在用户。与此同时，挖掘互联网的新型商业模式也是移动互联网领域的创新热点。

 

 

    移动支付是指用户使用移动互联网终端对其消费进行在线支付。随着移动互联网应用的拓展，用户会有在任何地点进行支付的需求，所以这个领域亦被认为是未来很有前景的移动互联网应用领域之一，甚至PayPal公司预测2016年人们不再需要现金和钱包。但是当前的发展仍不明朗，目前的移动支付有多种解决方案，例如运营商代扣、手机钱包、手机信用卡读卡器等。

 

 

    根据美国国家标准与技术研究所的定义，云计算就是允许用户在任意地点按需接入一个共享的、可定制内容（例如网络、服务器、存储、应用及服务）的计算资源池，而此计算资源池可以进行快速部署，并能够将管理内容和与服务提供商的交互过程最少化。云计算主要有3种服务模型：软件级服务（SaaS）、平台级服务（PaaS）和基础设施级服务（IaaS）。其中PaaS及IaaS主要向企业用户提供服务，而主要面对移动用户终端的是SaaS，向互联网终端用户提供存储及计算服务（例如谷歌提供的系列移动互联网应用，以及苹果公司新的语音交互Siri服务等）。三星等其他公司也陆续开始提供SaaS服务，争夺移动互联网终端用户市场。

 

 

    5 结束语

 

 

    由于谷歌、苹果等公司的强势介入，移动互联网终端在人机交互技术与理念、操作系统技术、性能展现与外观设计、商业模式和应用开发上都有了跳跃性的发展，进而达到移动互联网终端以及移动互联网应用服务的高速扩张；由于云计算概念的出现，应用服务概念的推广，以及移动互联网的快速发展，可以预见未来若干年都将是移动互联网终端高速发展和彼此激烈竞争的时期，各种创新技术或商业模式的不断涌现，必将使移动互联网终端市场呈现百花齐放的繁荣景象。