基于IMS的雙模智能手機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：雙模智能手機(jī)是能利用CS域和IMS域進(jìn)行通訊的移動(dòng)終端設(shè)備。在分析采用的三種技術(shù)后，再從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)，再到DMS進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際使用的實(shí)物器件進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。 移動(dòng)手機(jī)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了人們之間隨時(shí)隨地溝通，也引發(fā)了社會(huì)信息化的變革。手機(jī)從出現(xiàn)到現(xiàn)在經(jīng)過幾個(gè)階段的發(fā)展，由封閉式操作系統(tǒng)變成開放式操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展功能應(yīng)用。 智能手機(jī)(Smart Phone)是由摩托羅拉、諾基亞、三星等國際著名手機(jī)制造公司聯(lián)合提出來的一種新型手機(jī)，它除了具備基本通話功能外，還具備了PDA的大部分功能，尤其是個(gè)人信息管理、上網(wǎng)瀏覽器和電子郵件功能。智能手機(jī)是具有開放式操作系統(tǒng)、較強(qiáng)功能的CPU、可以根據(jù)需求擴(kuò)展硬件(如存儲(chǔ)卡等)和軟件功能(如游戲、辦公軟件等)的多任務(wù)手機(jī)。近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使處理器能力的不斷增強(qiáng)，現(xiàn)在的智能手機(jī)不再只是手機(jī)與PDA的簡(jiǎn)單組合，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)很多電腦的性能和功能，包括高保真立體聲效、3D圖形效果、辦公、DVD效果的視頻播放、多媒體互聯(lián)游戲、藍(lán)牙、WiFi等。 隨著智能手機(jī)功能性和實(shí)用性的增強(qiáng)，使用者越來越多，尤其適合移動(dòng)商務(wù)人士使用。目前智能手機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也很激烈，一方面諾基亞、摩托羅拉、三星等傳統(tǒng)巨頭想牢牢把握市場(chǎng)份額，另一方微軟、蘋果、谷歌等國際新巨頭也開始進(jìn)入手機(jī)市場(chǎng)。未來的智能手機(jī)不僅在處理器速率上會(huì)有明顯提高，操作系統(tǒng)也會(huì)越來越開放和智能化，為軟件運(yùn)行和內(nèi)容服務(wù)提供了更好的平臺(tái)。隨著3G通信時(shí)代的到來和IMS技術(shù)的逐漸成熟，通信效率和帶寬將得到很大改善，手機(jī)多模接入必將成為一種趨勢(shì)，基于3G手機(jī)的應(yīng)用服務(wù)也會(huì)越來越豐富，更多增值業(yè)務(wù)可以就此展開，如商品、天氣、新聞、股票、交通、應(yīng)用程序下載等，因此廠商不再只關(guān)注智能手機(jī)，而是更加關(guān)心通信軟件和內(nèi)容服務(wù)，因此通信軟件和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力，諸如手機(jī)電視、手機(jī)搜索、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)游戲等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V闊的市場(chǎng)前景。

一、IMS、VCC和WIFI技術(shù)

1、IMS(IP多媒體子系統(tǒng))

IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))是第三代移動(dòng)通信核心網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。是基于IP技術(shù)，融合Internet、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、語音、視頻的網(wǎng)絡(luò)體系[1].IMS的目標(biāo)是融合Internet和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在IMS已被定義為支持所有IP接入網(wǎng)的多媒體業(yè)務(wù)核心網(wǎng)，可以支持任何一種移動(dòng)的或固定的、有線的或無線的IP- CAN(IP Connectivity Access Networks)，包括W- CDMA，CDMA2000，TD- SCDMA，Ethernet，xDSL以及WirelessLAN等接入方式，從而實(shí)現(xiàn)其接入的無關(guān)性。

IMS核心網(wǎng)主要采用SIP(Session Initiation Protocol)協(xié)議進(jìn)行會(huì)話控制。通過IMS，3G(3rd Generation Mobile CommunicationsSystem)網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供PoC(Push to talk over Cellular，一鍵通)、多媒體會(huì)議、即時(shí)消息、Presence等多種業(yè)務(wù)。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上來看，IMS是疊加在原有電路域和分組域網(wǎng)絡(luò)之上的網(wǎng)絡(luò)，通過分組域?qū)崿F(xiàn)信令和用戶數(shù)據(jù)的承載，并可以實(shí)現(xiàn)和原有電路域的互通。

2、VCC(語音呼叫連續(xù)性)

無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)在近年來得到很大的發(fā)展，已經(jīng)廣泛用于辦公區(qū)、家庭、通信熱點(diǎn)地區(qū)等場(chǎng)合，用戶完全可以通過WLAN接入IMS核心網(wǎng)，從而使用基于IMS的VoIP(Voiceover IP)電話服務(wù)。同時(shí)應(yīng)該注意到以下兩點(diǎn)：第一，CS域提供的話音業(yè)務(wù)是基本的收入來源，不可能立即停用，會(huì)與IMS網(wǎng)絡(luò)共存較長(zhǎng)的時(shí)間。第二，IMS雖然采用基于SIP的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式支持VoIP業(yè)務(wù)，但其語音質(zhì)量難以得到保證。語音呼叫連續(xù)性(Voice Call Continuity，VCC)即是3GPP針對(duì)IMS域與CS域間語音呼叫連續(xù)性的解決方案?；赩CC業(yè)務(wù)，通過引入支持GSM/CDMA/UMTS和WLAN接入方式的雙?；蚨嗄Ｒ苿?dòng)終端設(shè)備，用戶可以在有WLAN覆蓋的地區(qū)，通過WLAN方式接入IMS進(jìn)行語音通話，當(dāng)用戶移出WLAN服務(wù)區(qū)后，又會(huì)漫游到移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上繼續(xù)進(jìn)行語音通話，并且可以在兩者之間進(jìn)行無縫切換。

3、WIFI(無線保真技術(shù))

WIFI，是IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的一種，最高帶寬可達(dá)11 Mbps，根據(jù)實(shí)際情況，帶寬可自動(dòng)調(diào)整三種不同的帶寬，分別為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps.帶寬的自動(dòng)調(diào)整性有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。具有速度快、可靠性高等特性。在開放性區(qū)域，通訊距離可達(dá)305米，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76米到122米，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，且組網(wǎng)的成本更低。

WLAN(無線局域網(wǎng))是由AP(Access Point)和無線網(wǎng)卡組成的無線網(wǎng)絡(luò)。AP稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器或接入點(diǎn)，它是傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁或紐帶，因此任何一臺(tái)裝有無線網(wǎng)卡的終端都可通過AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)或廣域網(wǎng)絡(luò)的資源，它的工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置無線發(fā)射器的HUB或者是路由，而無線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的終端設(shè)備。

二、軟硬件架構(gòu)體系設(shè)計(jì)

創(chuàng)建本智能手機(jī)的軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)，需要基于IMS和VCC實(shí)現(xiàn)原理和具體功能需求來設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，下圖是基于Linux和IMS的系統(tǒng)架構(gòu)圖。

基于IMS的系統(tǒng)架構(gòu)圖

在上圖中，最上層是根據(jù)實(shí)際需求開發(fā)的一些應(yīng)用程序，采用分層實(shí)現(xiàn)的機(jī)制，為每種業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相應(yīng)的業(yè)務(wù)引擎，這些業(yè)務(wù)引擎都是基于底層的一些網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(如SIP)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)的具體業(yè)務(wù)模塊。上圖列舉了三種業(yè)務(wù)引擎，可以根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。移動(dòng)通信中的音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)通過使用基于GStreamer(一個(gè)開源的多媒體框架庫)的媒體播放工具來實(shí)現(xiàn)編解碼工作。圖中的IMS Core模塊由一些公共的核心IMS API組成，以供具體業(yè)務(wù)引擎實(shí)現(xiàn)時(shí)進(jìn)行調(diào)用。IMS SDK中的Driver層是在硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一次抽象，以達(dá)到與所用操作系統(tǒng)和具體硬件設(shè)備無關(guān)的目的。 1、硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)好整個(gè)智能手機(jī)，首先需要從用戶的角度來考慮功能需求狀況，同時(shí)注意其開發(fā)成本。一般而言，智能手機(jī)的硬件平臺(tái)須從兩部分考慮，即處理器和外設(shè)。

智能手機(jī)比普通手機(jī)有更高的性能，是因?yàn)樗捎玫暮诵奶幚砥鞯牟煌Ｆ胀ㄊ謾C(jī)所選用的處理器的運(yùn)行頻率不過幾十MHz、最多也只一百多MHz，這種處理器處理基本語音功能還可以，但在處理圖像視頻等多媒體數(shù)據(jù)時(shí)性能就遠(yuǎn)不夠?？捎糜谑謾C(jī)處理器有：三星的ARM系列、TI的OMAP系列、INTEL的XSCAL系列等。

隨著智能手機(jī)的發(fā)展，需要有更高性能的嵌入式微處理器。

本智能手機(jī)選用了Intel公司的基于XScale架構(gòu)的PXA270高性能嵌入式處理器，其最高主頻可達(dá)624MHz，支持無線多媒體指令集擴(kuò)展(Wireless MMX)，允許PXA270以較低的時(shí)鐘頻率實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的多媒體性能。該處理器提供了非常豐富的外設(shè)接口，如LCD、音頻、USB、I2C、SD/MMC、CF、藍(lán)牙、WiFi、數(shù)碼相機(jī)、鍵盤等接口[7].PXA270處理器中采用了Wireless MMX和SpeedStep兩項(xiàng)Intel專利技術(shù)，進(jìn)一步將高性能計(jì)算和動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)相結(jié)合，使得該處理器與其他同類芯片相比，在多媒體處理能力和功耗方面有著非常大的優(yōu)勢(shì)。

在選用傳統(tǒng)通信模塊也有多種選擇，本智能手機(jī)系統(tǒng)選用了Philips的Sysol- 3通信模塊，該模塊包含了基帶芯片、RF射頻芯片組、Combo Flash芯片以及GSM/GPRS終端所需的全部軟件功能。Sysol- 3有著完善的功能和穩(wěn)定的性能，此外還具有非常小的外形尺寸和非常輕的重量，能夠滿足智能手機(jī)、數(shù)碼通信設(shè)備等無線終端設(shè)備的薄、輕、小巧的需求。

現(xiàn)在流行的無線網(wǎng)卡接口主要有兩種，一種是基于標(biāo)準(zhǔn)PCMCIA接口，另一種是基于USB接口。因?yàn)镮ntel Xscale PXA270處理器內(nèi)部集成了雙通道16位PCMCIA PC Card/CF控制器，支持8位/16位I/O模式和Memory模式的訪問。所以我們采用PCMCIA接口來擴(kuò)展88W8686無線網(wǎng)卡。 2、軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好智能手機(jī)的硬件開發(fā)平臺(tái)后，下面需要根據(jù)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)平臺(tái)。系統(tǒng)的Bootloader通過編譯移植u- boot來實(shí)現(xiàn)，它對(duì)PXA270處理器有較好的支持。然后移植相應(yīng)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，配置和裁減Linux內(nèi)核，完成對(duì)Linux的交叉編譯[8].至于根文件系統(tǒng)，采用Busybox工具進(jìn)行編譯生成，并使用mkfs.jffs2工具創(chuàng)建JFFS2類型的文件系統(tǒng)映象。最后逐一將u- boot、Linux內(nèi)核及文件系統(tǒng)映象燒寫到Flash中進(jìn)行測(cè)試運(yùn)行。 3、DMS SKD層的設(shè)計(jì)

關(guān)于DMS(Dual Mode Services)SDK層，終端研發(fā)人員既可以自己設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，也可以通過購買使用第三方提供的SDK解決方案，諸如PicoMobile和Ecrio等公司就提供此類方案。SDK的設(shè)計(jì)既需要滿足本系統(tǒng)的功能要求，同時(shí)也要滿足模塊化、簡(jiǎn)約化的要求，從而方便日后進(jìn)行新功能的擴(kuò)展與集成。SDK層的工作主要是基于SIP協(xié)議、IMS通信的信令流程、GSM通話信令來進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。與通話有關(guān)的API的實(shí)現(xiàn)過程主要是基于SIP協(xié)議通過發(fā)送或接收相應(yīng)的SIP信令來實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的交互，與硬件有關(guān)的API主要是通過調(diào)用相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。以上主要實(shí)現(xiàn)了與電話業(yè)務(wù)相關(guān)的功能，根據(jù)業(yè)務(wù)的需要，還可以在此基礎(chǔ)上對(duì)SDK進(jìn)行擴(kuò)展。 4、DMS后臺(tái)服務(wù)設(shè)計(jì)

DMS Daemon Service，即DMS后臺(tái)服務(wù)程序，是與DMSSDK層(主要是VCC Engine)交互的主體部分，它的實(shí)現(xiàn)工作主要是基于Qtopia把DMS SDK層提供的API封裝成可供上層應(yīng)用調(diào)用的公共接口。

其中DMSDaemon是整體后臺(tái)服務(wù)類;DMSTelephonyService負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電話相關(guān)的功能接口;IMSControlService用于響應(yīng)上層控制程序的IMS服務(wù)請(qǐng)求;一切與底層DMS SDK子系統(tǒng)有關(guān)的調(diào)用由DMSLayer來完成。 三、WIFI驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

同有線網(wǎng)絡(luò)一樣，接入無線局域網(wǎng)需要網(wǎng)卡設(shè)備，目前WLAN網(wǎng)卡常用的接口有PCI、USB、PCMCIA和CF卡接口，嵌入式系統(tǒng)常用的WLAN網(wǎng)卡接口一般有PCMCIA、USB和CF卡接口，其中PCMCIA和CF卡接口邏輯類似，在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，采用PCMCIA接口擴(kuò)展成WLAN接口，接入WiFi無線網(wǎng)卡。因此如果想要使用無線網(wǎng)卡，需要實(shí)現(xiàn)Linux下PCMCIA接口的驅(qū)動(dòng)程序和具體無線網(wǎng)卡設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。Linux內(nèi)核對(duì)常用的無線局域網(wǎng)卡的支持都很好，通過內(nèi)核配置時(shí)選擇Networkdevice supportàWireless LAN，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的支持，因此無線網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)程序移植比較簡(jiǎn)單。

隨著IMS標(biāo)準(zhǔn)的不斷補(bǔ)充與完善，對(duì)VCC標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)不斷完善和擴(kuò)充，勢(shì)必也會(huì)有更多的基于IMS的業(yè)務(wù)。同時(shí)有更多種接入方式的功能強(qiáng)大的智能手機(jī)終端，從而真正的實(shí)現(xiàn)任一時(shí)間、任一地點(diǎn)、任一設(shè)備地訪問網(wǎng)絡(luò)，使用網(wǎng)絡(luò)更加方便，以便更好的實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公。