（通信与信息系统专业论文）手机软件平台中的呼叫控制模块的研究与开发.pdf

论文题目：手机软件平台中的呼叫控制模块的研究与开发 专业：通信与信息系统 研究生：张瑞先 指导老师：王安义 摘要 c 签名，越牡 ( 签名) 世界移动通信的迅猛发展，使得移动终端的竞争越来越激烈。市场的需求为手机设 计提出了更高的要求，外观时尚、界面友好、性能优良、功能强大才能在市场上占据一 席之地。本文结合从事的手机系统软件的设计工作，对g s m 系统和手机平台进行了阐 述，对呼叫控制模块进行了详细的分析和设计。介绍了g s m 系统技术和g s m 协议栈， 对协议栈软件分层进行了研究并对呼叫控制模块进行了分析。从系统软件和系统硬件两 个方面对手机平台进行了介绍。在对整个呼叫控制流程进行分析研究的基础上，以状态 机的控制机制和事件驱动的消息模型为基本思想对整个呼叫控制模块进行了设计。给出 了呼叫处理的状态机，并列出了引起状态转换的事件及状态转换关系图。针对呼叫管理 中进入和离开历史记录的问题，设计了调整方案。在去电、来电、自动重拨和挂断电话 的模块设计中，对消息序列图进行了研究，设计了程序的流程，并针对出现的问题给出 了解决方案。设计实现了呼叫控制的增值服务言语传情和黑名单。通过在p c 机上仿真 和下载到手机上的调试信息和功能项的综合测试，验证了其设计的正确性和可行性。 关键词：g s m 系统；软件平台；呼叫控制；m m i 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc a l lc o n t r o lm o d u l ei nm o b i l e p h o n es o f t w a r ep l a t f o r m s p e c i a l t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：z a n gr n i x i a n i n s t r u c t o r ：w a n ga n y i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) t h eb o o m i n gd e v e l o p m e n to f t h em i b i l ec o m m u n i c a t i o ni nt h ew o r l d b r i n g si n c r e a s i f i g l y f i e r c ec o m p e t i t i o no fm o b i l ep h o n e s ，a n dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rm o b i l ep h o n e s d e s i g nh a v e b e e nc l a i m e ds oa st om e e td e m a n d so fm a r k e t a sar e s u l t ，m a r k e tc a nb ed o m i n a t e do n l yb y m o b i l ep h o n e sw i t hf a s h i o n a b l ea p p e a r a n c e ，f r i e n d l yi n t e r f a c e ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea n d s t r o n gf u n c t i o n s c o m b i n e dw i md e s i g nw o r ki nm o b i l ep h o n es y s t e ms o f t w a r e t h i st h e s i s m a d ea n e x p a t i a t i o nt og s ms y s t e ma n dm o b i l ep h o n ep l a t f o r m s ，g a v ead e t a i l e da n a l y s i sa n d d e s i g nt oc a l lc o n t r o lm o d u l e ，h a da ni n t r o d u c t i o nt og s ms y s t e mt e c h n o l o g ya n dg s m p r o t o c o ls t a c k ，d i dar e s e a r c hf o rs o f t w a r el a y e r so ft h ep r o t o c o ls t a c k ，a n dm a d ea na n a l y s i s f o rt h ec a l lc o n t r o lp r o c e s s i na d d i t i o n ，i ti n t r o d u c e dt h em o b i l ep h o n ep l a t f o r mf r o m r e s p e c t s o fs y s t e ms o f t w a r ea n ds y s t e mh a r d w a r er e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o r t h ew h o l ec a l lc o n t r o lp r o c e s s ，i tm a d ead e s i g nt ot h ew h o l ec a l lc o n t r o lm o d u l ew i t hc o n t r o l m e c h a n i s mo fs t a t em a c h i n ea n de v e n td r i v e nm e s s a g em o d u l ea sb a s i ct h o u g h t s ，p r e s e n t e da s t a t em a c h i n ef o rc a l lc o n t r o l ，a n dl i s t e de v e n t sc a u s e ds t a t et r a n s i t i o na sw e l la ss t a t e t r a n s i t i o nd i a g r a m m o r e o v e r , i td e s i g n e da na d j u s t m e n tp l a na i m i n ga tp r o b l e m so fs c r e e n f l o wi nt h ec a l lm a n a g e m e n t ，m a d ear e s e a r c ho nm e s s a g es e q u e n c ec h a r t si nt h ed e s i g n so f m o ( m o b i l eo r i g i n a t e d ) ，m t ( m o b i l et e r m i n a t e d ) ，a u t o m a t i cr e d i a la n dh u n gu pm o d u l e ， d e s i g n e dt h ep r o c e d u r ef l o w , a n dp r o v i d e ds o l u t i o n st op r o b l e m so c c u r r e d t h ed e s i g n r e a l i z e si v ra n db l a c kl i s tf u n c t i o n t h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g nh a db e e n t e s t e dt h r o u g hs i m u l a t i o no np c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) ，a n dc o m p r e h e n s i v et e s t st ot r a c e m e s s a g ed o w n l o a d e di nm o b i l ep h o n ea n df u n c t i o n s k e y w o r d s ：g s mm o b i l ep h o n ep l a t f o r mc a l lc o n t r o lm a n m a n c h i n ei n t e r f a c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西姿科技土学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓欤秘海夏户期：一i 。占一f 口 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：弓钦之镶蒜一， 指导教师签名： 年月日 i 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 移动通信的发展 随着信息社会的到来，各种信息的提取、传输、压缩、处理技术在人类的科研生产 生活中起到越来越重要的作用。通信技术作为信息传输的手段，在各种信息技术中起着 支撑的作用，世界各国都在致力于现代通信技术的开发及现代综合通信系统的建设。通 信技术的发展程度己成为一个国家发达程度的标志。 移动通信技术可以给人们的工作生活带来了极大的方便，因而移动通信技术得到了 迅速的发展，并在现代通信中占据着越来越重要的地位。目前移动通信技术正朝着能“在 任何时间，任何地点，向任何人提供快速可靠的通信服务，这一日标发展。 在过去的十几年中，无线通信领域发生了重大变革。从模拟通信发展到数字通信， 从单纯的话音传输业务发展到包括低速数据传输的综合业务，从单基站系统发展到多基 站系统，从单一覆盖模式发展到蜂窝和复蜂窝覆盖模式。无线通信技术的不断进步扩大 了无线通信的应用范围，使纷新的应用领域层出不穷，例如移动电话，数据多媒体、移 动计算、移动电子商务、蓝牙( 微型网络) 、无线局域网和无线i n t e m e t 等等。目前，第三 代( 3 g ) 宽带无线通信系统正在进行研制和开发，并且向第四代( 4 g ) 无线多媒体通信飞速 发展。 但目前在市场中占主导地位的依旧是g s m 移动通信系统。 1 1 2 手机应用软件开发的现状和研究的意义 g s m 移动终端设备的软件由物理层，协议栈和应用层三部分软件构成”，其中物 理层的软件与终端设备所选用的硬件方案以及选择的操作系统有关。由于国内芯片研发 水平的限制，还没有任何厂商可以提供相应的解决方案，这一部分通常采用国外的产品 如t i ，a d i 和c o n t e x 等公司提供的解决方案。虽然协议栈的软件是g s m 终端设备 软件的核心部分，但是由于标准已经固定，所以软件部分不会有较大的改变，而且丌发 协议软件的成本大，周期长，随着g s m 移动通信系统逐渐退出市场的趋势，再去花大 量的资源迸行协议栈软件的丌发现实意义不是很大。对于用户而言，协议层软件是不可 见的，用户最直观感受就是应用层软件所反映出来的界面和操作的简易性，应用层软件 的性能对于移动终端产品的优劣具有举足轻重的作用。同时应用层软件与通信设备的标 准是相对独立的，不仅可以再g s m 移动终端上使用，在各种c d m a 终端以及其他标准 西安科技大学硕士学位论天 的手持设备上也可以使用，因此应用层软件的设计不仅具有现实而且具有长远的意义。 本文正是立足于手机应用软件，对手机平台中的呼叫控制模块进行研究与开发， 以呼口q 控制模块这一重要组成部分为基础，进而掌握整个手机应用软件的开发。 1 2 论文的工作和结构 本论文来自深圳万利达移动通信设备有限公司的手机项目。 手机软件平台中的呼叫控制模块的研究与开发工作前后经历了三个主要阶段： 第一阶段：学习阶段。在原有移动通信的理论基础上，迸一步对移动通信系统进行 深入学习，阅读大量数字移动通信系统的书籍，着重于对移动终端所涉及到的理论进行 有针对性的学习，为后续的工作奠定了良好的专业理论基础。同时，为了更好的进行软 件设计，阅读通信协议软件设计方法的相关书籍和文章，并参阅软件工程的书籍，学习 必要的软件设计知识。对整个手机系统软件的架构进行把握。 第二阶段：设计阶段。在了解了移动通信终端协议体系和整个手机架构的前提下， 对呼叫控制模块进行了总体设计，对屏幕流的管理给出了调整方案，对去电、来电、自 动重拨、挂断电话模块进行了详细的设计。 第三阶段：应用阶段。理论结合实践在手机软件平台上设计实现了呼叫管理的增值 业务：“言语传情”和“手机黑名单”。 根据攻读研究生期间所完成工作，将论文结构安排如下： 第一章：绪论。简要介绍了移动通信系统的发展与手机应用软件开发的现状以及进 行此研究的必要性和实际意义。 第二章：g s m 系统技术和0 s m 协议栈研究。g s m 的系统结构和g s m 协议栈的分 层模型及主要的业务流程。 第三章：手机平台的体系结构。从系统硬件和软件方面进行了阐述。 第四章：整个呼叫过程的分析。整个呼叫处理的过程及主要的信令流程。 第五章：呼叫控制模块的设计。总体设计和主要模块的设计，呼叫增值服务的实现。 软件的调试验证了设计的j 下确性和可行性。 第六章：总结课题结果、不足之处以及展望。 2g s m 系统技术和g s m 协议栈研究 2g s m 系统技术和g s m 协议栈研究 2 1g s m 系统技术 2 1 1g s m 技术发展历程 g s m 数字移动通信系统起源于欧洲。最初，欧洲各国都有自己的移动通信网络， 如：英国的t a c s ( 全接入通信系统) 和北欧的n m t ( = l g 欧移动电话) 等。作为第一代移动 通信的典型代表，他们都存在这样或那样的缺点。1 ) 各国系统间没有公共的接口，使 得欧洲各国用户不能享受方便的漫游服务。2 ) 没有充分考虑对数据业务的支持。3 ) 频 率复用低下。4 ) 安全性差，用户信息的安全得不到保障。在这种情况下，欧洲主要电 信运营商和制造商于1 9 8 2 成立了g s m 专题小组，负责用于整个欧洲大陆的移动通信系 统研究和制定工作。并于1 9 8 8 完成g s m 通信协议第一阶段标准的第一版。这种新兴的 通信系统是基于数字信号，能有效地避免第一代移动通信系统的各种弊病。1 9 9 0 年， g s m 系统在德国、英国等地进行试运行。运行结果得到许多国家电信运营商和制造商 的认同，g s m 系统开始了广泛的应用。g s m 标准组织于1 9 9 3 年完成了g s m 通信协议 第二阶段规范的制定工作，第二阶段的协议进一步完善了系统性能，特别是对数据业务 的支持和扩充方面。1 9 9 4 年6 月该组织开始制定第2 + 阶段的g s m 通信协议，并将其合 入第二阶段。这一阶段标准主要目的是引入第二代移动通信系统到第三代移动通信系统 的过渡方案a p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) ，即通用分组无线业务。g p r s 借鉴了网 络通信的分组传输方法，系统可以动态地调整物理资源以满足用户对不同数据传输速率 和传输质量的要求“1 。 2 1 2g s m 体系结构 g s m 系统的整体结构如图2 1 所示。 基站( b s s ) 平d 交换网络( n s s ) 三个子系统“1 。 整个g s m 系统可以分为移动台端( m s 端) 、 每个子系统在整个系统中完成不同的功能。 图2 1g s m 网络结构幽 西安科技大学硕士学位论文 上图中所用缩写说明： s i m ：s u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l em e ：m o b i l ee q u i p m e n t b t s ：b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o nb s c ：b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r h l r ：h o m el o c a t i o nr e g i s t e rv l r ：s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r m s c ：m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r e i r ：e q u i p m e n ti d e n t i t yr e g i s t e r a u c ：a u t h e n t i c a t i o nc e f l t e rm s ：m o b i l es t a t i o n b s s ：b a s es t a t i o ns y s t e mn s s ：n e ts w i t c hs y s t e m m s ：就是用户所使用的手持设备。由两部分组成，移动终端( m e ) 和客户识别卡 ( s i m ) a m e ：就是俗称的“裸机”，它可完成话音编解码、信道编解码、信息加密、信息的 调制和解调等工作。 s i m 卡：就是“手机的身份卡”，它类似于我们现在所用的i c 卡，因此也称作智能 卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以 防止非法客户进入网络。s i m 卡还存储与网络和客户有关的管理数据，只有插入s i m 卡 后移动终端才能接入进网。 b s s 子系统是在一定的无线覆盖区中由m s c 控制，并与m s 进行通信的系统设备。 它主要负责完成无线信号的发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制 器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。 b s c ：具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，它主要负责无线网络资源的管理、 小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。 b t s ：无线接口设备，它完全由b s c 控制。主要负责无线传输，完成无线与有线的 转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。 交换网络子系统( n s s ) 主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理 所需的数据库功能。n s s 由一系列功能实体所构成，它们是： m s c ：是g s m 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话 路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接v i 。它可完成网络接 口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成b s s 、m s c 之间的切换和辅助性的无 线资源管理、移动性管理等。另外，为了建立至移动台的呼叫路由，有的m s c 还应能 完成入口m s c ( g m s c ) 的功能，即查询位置信息的功能。 v l r ：是一个数据库，是存储m s c 为了处理所管辖区域中m s ( 统称拜访客户) 的来 话、去话呼叫所需检索的信息。例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的 服务等参数。 h l r ：也是一个数据库，是存储管理部门用于移动客户管理的数据。每个移动客户 都应在其归属位置寄存器( h l r ) 注册登记，它主要存储两类信息：一是有关客户的参数； 2g s m 系统技术和g s m 协议栈研究 二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由。例如m s c 、v l r 地址等。 a u c ：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数f 随机 号码r a n d 、符合密钥s r e s 、密钥k c ) i 举功能实体。 e i r ：也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、 监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。 2 1 3m s 端软件结构 m s 端作为一个子系统需要和网络端子系统进行控制和数据信息的通信。因此，m s 端软件结构框架包括以下几个组成部分：应用层( a l ：a p p l i c a t i o n l a y e r ) 和远程应用( r a ： r e m o t ea p p l i c a t i o n ) ：应用程序接i ( a p i ：a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ) ；g s m 协议栈软 件；a p i 函数库以及低层硬件。具体到本文所基于的手机平台，在第三章中对软件的结 构有详细的描述。下面简要介绍各部分的功能。 1 - a l ：应用层是移动台所有应用程序集合，用户通过调用各种应用程序来完成所需 的功能。按照功能可以分为通信应用、电源管理和调试测试等。 2 a p i ：应用软件程序接口。此接口提供给应用程序开发人员两个方面的调用：与 g s m 协议相关的接口调用：与协议无关的、而应用程序开发所必要的接口调用。 3 a p i 函数库：提供独立于g s m 协议功能、而应用程序开发必需的功能。 4 物理层包括g s m 硬件、自定义设备、实时多任务嵌入式操作系统以及相关设备 的驱动程序。此层直接与协议栈的第二层软件接口。也是整个协议栈与底层硬件接口的 关键。 5 ，g s m 协议栈软件：整个移动台端的核心软件，主要完成m s 子系统与b s s 和n s s 子系统间的交互工作。 g s m 协议栈是整个移动台端软件的核心，在下面的一节中对g s m 协议栈进行详细 的研究和设计。 2 2g s m 协议栈研究 2 2 1g s m 协议分层模型 g s m 协议的分层原理来自于丌放式系统互连( o s i ) 参考模型。根据协议分层的概念， 通信处理过程可以看作由最低层到最高层的若干有序的逻辑层次构成。每层都存在实体 单元。最低层是信息在两个远距离实体之问的物理传输，要依赖物理介质，而最高层代 表外部用户的观点。每一层向它的上层提供服务，这些服务是对下一层提供服务的扩充。 g s m 协议栈分为三屡即网络层、数据链路层和物理层”。在o s i 参考模型中， 西安科技大学硕士学位论文 每层业务接入点( s a p ：s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 定义为向相邻高层提供业务的通道。s a p 既 用于对提供业务实体的控制，又用于数据传送。g s m 协议栈的分层模型图如图2 2 所示。 k 娅z - - s k p 哪s 螂一s 廿躺肛s 肝 l 副e d 寻曲 l 。- 。 | # 五订j 厂。； 一l 一书”南严l 一 。一 卜vv y l 。i 。 。c 与 8 寺矿 2 m 9 镕f 4 i 。：二；：! ； l1 w r 牛牛m ” layer2黜据镕月 o i a x t l - wc b t a r e o 自 幽2 2 协议分层模型 第一层是物理层，为最低层。物理层实体能提供下列服务： 接入能力：物理层通过一系列有限的逻辑信道提供传输服务，将不同组合的逻辑信 道复用到物理信道上。g s m 中的逻辑信道是用于区分各种数据流而用的表示方法。逻 辑信道主要包括：s a c c h 慢速随路控制信道；s d c c h 单独专用控制信道；f a c c h 快 速随路控制信道。以上三个逻辑信道合称为专用控制信道( d c c h ) 。当m s 端与网络端 建立连接时，d c c h 是对等实体间进行控制消息传递之用。其中s d c c h 和f a c c h 是 主d c c h 信道。b c c h 为广播控制信道，是网络端向移动台广播网络配置信息之用。 r a c h 为随机接入信道，是m s 端向网络端申请各种物理资源之用：p a g c h 则是寻呼 接入允许信道，是网络端分配给m s 端各种物理资源应答之用。物理信道是安排在无线 媒介上的传输单元。 误码检测：物理层提供错误保护的传输服务，包括检错和纠错。 加密：物理层能对在无线信道传输的用户信息进行加密。 专用物理信道建立：物理资源上专用物理信道的建立由第三层的r r 子层控制。在 该信道操作过程中，物理层需要测试相邻基站的b c c h 上信号的功率等级和质量，以及 2g s m 系统技术和g s m 协议栈研究 专用物理信道的质量。测量结果送到第三层的r r 子层，测量控制信息也由r r 提供。 空闲模块下小区网络选择：空闲模式时，物理层与第三层协作在b c c h c c c h 信 道上选择最佳小区，满足用户对网络选择的要求。 第二层是数据链路层，为中间层。数据链路层实体( 简称d l 实体) 所要完成的工作 是通过无线接口上的逻辑信道在第三层实体间传送控制和数据信息。提供服务包括：非 确认信息的传输，确认信息的传输等。 第三层为最高层，即网络层。第三层实体提供在个蜂窝移动网和其相连接的其他 公众移动网中建立、维护和终止电路交换连接的功能。还要提供必要的补充业务和短消 息业务的控制功能。按照第三层实体所要完成的功能可以分成无线资源管n ( r r ) 、移动 管理( m m ) 和连接管理( c m ) 三个子层。 处于最高子层的连接管理子层又由3 个功能实体构成。即呼叫控制( c c ) 、短消息业 务支持( s m s ) 和补充业务支持( s s ) 。这样，第三层实体共包括5 个功能实体。 r r 实体所提供的功能是完成与物理传输资源有关的管理。提供的服务包括：专用 物理信道的建立与维持；应网绍请求而进行的越区切换；信道传输模式的改变和质量测 量等。 m m 实体具有支持移动用户的移动特性所必须的功能。提供的服务包括：当移动台 激活与去激活时，或者用户所处定位区改变时，m m 实体负责通知网络；m m 实体不需 要完成用户身份鉴别和注册的工作。 c c 实体具有为建立与拆除m s 端主叫和被叫时的电路交换连接所必须的功能。提 供的服务包括：发起呼叫、连接呼叫和释放呼叫等。 s s 支持完成各种补充业务，如：呼叫转移、来电号码显示等。 s m s 实体则支持完成点到点或广播短消息内容的接收与发送。 2 2 _ 2 软件模块划分及呼叫控制流程分析 g s m 协议栈中每层协议实体的规范描述都是以规程的形式给出”“。每层协议实体 的功能是由协议中相关规程组合完成。整个协议栈某一功能的完成是由处于不同分层上 的协议实体响应上层实体的服务请求，完成本层对应协议规程后，触发下层协议的服务。 在g s m 系统的m s 端和网络端，完成相同功能的协议实体称之为对等实体。对等 实体脚的通信是采用消息的机制，即采用两者事先约定好的格式进行对等通信。相邻层 问协议实体的相互作用是采用原语的机制。原语表示是相邻层之间的信息与控制的逻辑 交换。在第三层实体有消息要发送时，第三层实体通过与数据链路层实体接口的服务接 入点传递服务请求原语。该原语所携带的参数包括所要发送的第三层消息和传输的逻辑 信道等”。 呼叫控制的流程是g s m 协议栈最基本最关键的业务流程，对它进行分析后有助于 西安科技大学硕士学位论文 g s m 协议栈的工作原理，对正确合理的划分g s m 协议软件结构和接口关系就会有更加 深刻的了解。 从直观上，一个手机用户通过键盘操作能调用手机所提供的主要服务有：用户输入 一个电话号码，按下o k 键发起呼叫；用户听到振铃音后决定是否接受呼叫；用户通话 过程有权决定是保持呼叫或释放呼叫等。一次由用户发起的呼叫过程在图2 3 中用m s c 图表示： 非 m删 im 鬯 r 匿 一 d l ，0 p e p i t n e b l 【、吐 巴翔 l 。c c n h 。：_ 。i 固 立) o 州e r e 划 h n 、w k 幽2 3 朋户发起呼叫的m s c 图 协议栈的c c 实体收到应用程序接口a p i 发起的原语m n c c s e t u p r e q 及所携 2g s m 系统技术和g s m 协议栈研究 带的参数一s e t u p 消息，请求调用c c 实体中呼口q 建立规程。呼叫建立规程对消息内容 进行分析，从承载能力( b e a r e r c a p a b i l i t y l ) 归纳出c ms e r v i c et y p e ，并加上系统默认的对 于一般话音呼叫的优先级( p r i o r i t yl e v e l ) ，将这两个参数通过原语 m m c ce s t a b l i s hr e q 传递给m m 实体。呼叫建立规程进入u 0 1 “状态等待m m 实 体的响应。 m m 实体收到m m c ce s t a b l i s hr z q 原语，发起m m 连接管理服务规程。该原 语含有与c ms e r v i c er e q u e s t 消息有关参数。根据这些参数。m m 连接管理服务规 程组织c ms e r v i c er e q u e s t 消息。消息组织完成后，向r r 实体发送含有参数c m s e r v i c er e q u e s t 的原语r rr e s t a b l i s hr e q ，m m 连接管理服务规程进入m m l 4 状态即w a i tf o rr rc o n n e c t i o n ( m mc o n n e c t i o n ) 。 r r 实体收到带有c ms e r v i c er e q u e s t 消息和其它层间参数的 r re s t a b l i s h 原语，调用双实体中的立即分配规程。立即分配规程通过原_ r e q r r 语中所带参数知道是为什么样的业务建立物理资源。按照不同的业务要求，r r 立即分 配规程会组织c h a n n e lr e q u e s t 消息。通过d li 渔n d o m a c c e s s 原语将_req c h a n n e l r e q u e s t 消息送到d l 实体。 在此情况下，d l 实体用随机接入规程将c h a n n e lr e q u e s t 消息打包成适合无 线路径下传送的帧格式，要求物理层实体在r a c h 上发向网络。 网络收到某一用户的请求后，会分配用户一物理资源，网络端对等t c r 实体用 i m m e d i a t e a s s i g n m e n t 消息表示并发向m s 端。m s 端d l 实体会将拆帧后完整的 消息送到r r 实体。r r 实体在分析物理资源信息的有用性和有效性后，对物理层实体 进行各种物理参数设置。成功设置后，r r 实体请求d l 协议实体为其信令的传输建立 一条数据链路连接。第一次数据链路连接建立时，m s 端和网络端需要解决可能多个 m s 端同时接入一个物理信道的问题。困此，r r 实体会通过d le s t a l b i s hr e q 调 用d l 实体的争用解决方式的数据链路建立规程。 在需要建立的数据链路连接上，m s 端d l 实体成功地收发了二对特殊的确认信息， 则d l 实体认为数据链路建立规程成功完成。d l 层通过d le s t a l b i s hc n f 原语告 知r r 实体。r r 实体能利用己建立的数据链路连接和对等实体交互各种信令消息。 r r 实体收到d le s t a l b i s hc n f 的原语，即认为立即分配规程己经成功完成， 属于某一用户的专用物理资源己经设置成功。向m m 实体发送r re s t a l l s hc n f 原 语。 m m 实体收到成功的原语后，则可以结束m m 连接管理服务规程。等待网络发起用 户身份识别工作。 第一代移动通信中存在一致命缺点，保密性差，非法用户可以很容易获取其它用户 的信息。g s m 系统完全避免了这种缺点。当r r 层实体建立一条专用物理资源后，网络 9 西安科技大学硕士学位论文 端将要进行客户身份的验证工作。在专用物理资源上，网络端m m 实体会发送一条 a u t h e n t i c a t i o n rr e q u e s t 消息调用m s 端m m 实体的鉴权规程。该消息中包含 一个1 2 8 比特的随机数r a n d ，m s 端的s i m 卡将r a n d 和自己存储的用户识别密钥 鼬，采用鉴权算法a ，计算出应答信号s r e s ，并发回网络端。而网络端在a u c 查明该 用户的密钥k i 用同样的r a n d 算出s r e s ，与m s 发回的s r e s 进行比较，如两者一 致，则鉴权规程成功，否则鉴权规程失败，接入中止。 用户身份验证完成后，m s 端和网络端需协商无线路径上信号的加密问题。网络端 r r 实体向m s 端发送c i p h e rm o d ec o m m a n d 消息，发起r r 实体的加密规程。m s 端 r r 实体收到消息后，调出由r a n d 和用户识别密钥k i 经过s i m 中的加密算法a ，计 算出密钥k c ，k c 是长为6 4 位比特串。最后，m s 端的r r 实体会将密钥k c 送到物理 层实体，由物理层进行加密。 用户识别密钥k i 、鉴权算法a i 和密钥生成算法a g 都放在s i m 中，生成的密钥k c 也保存在s i m 中。为了防止a i 、a g 算法和用户鉴权密钥k i 被读取、改变、操纵或绕 过从而暴露秘密信息，所有涉及用户鉴衩密钥的过程都在s i m 内部执行。 当以上步骤完成后，为一次业务所建立的连接己经基本完成。只要m s 端的c c 实 体收到m m 实体的m me s t a b l i s hc n f ，就能和网络端的c c 实体能直接进行业务 会话。业务会话完成后，一次由m s 端主动发起的呼叫成功完成。用户从手机界面上了 解到的信息是被呼用户的电话铃音已经响起，等待被叫用户接听。 2 3 本章小结 在本章中首先介绍了g s m 的发展历程和体系结构的组成及移动台端软件的体系结 构，重点对g s m 协议栈进行了研究，给出了g s m 协议栈的体系结构图，对主要的功 能实体做了详细的分析。 以呼叫控制实体为例对协议栈软件的设计进行了深入的分析。实际上，对呼叫控制 程序设计的实现过程不失一般性，对于协议栈中其他模块的设计也可遵循此过程来完 成。 3 手机平台的体系结构 3 手机平台的体系结构 3 1 概述 本文所使用的软件平台，支持g s m g p r s ，支持电路交换和分组交换，可以提供语 音和数据应用。同时，支持双频带接) k ( g s m 9 0 0 和d c s l 8 0 0 ) ，工作频段如下所示： e g s m 9 0 0 ，c l a s s 4 ( 2 w ) 传输频率8 8 0 9 1 5 m h z 接收频率 9 2 5 9 6 0 m h z 所有信道的灵敏度最好可达到1 0 6 d b m g s m1 8 0 0 ，c l a s s l ( 1 w ) 传输频率 1 7 1 0 1 7 8 5 m h z 接收频率 18 0 5 18 8 0 m h z 所有信道的灵敏度最好可达到1 0 4 d b m 除了g s m 协议规定的移动终端功能外，在该平台上开发的移动终端支持 m p 3 m p e g 4 ，照相等多媒体功能。我的论文工作就是在该平台上进行的。以下章节就 从硬件、软件两个方面对该开发平台进行概要描述。 3 2 系统硬件 手机硬件从印刷电路板的结构来看，一般分为：逻辑系统、射频系统、电源系统三 个部分。”。这3 个部分相互配合，在逻辑控制系统统一指挥下，完成手机的各项功能。 硬件系统主要由芯片组和一些外围器件构成。主要的硬件模块包括：基带芯片 m t 6 2 1 9 ( 该模组主要由a r m 7 微处理器、d s p 和一些外围设备组成) 主要用于实现 g s m g p r s 的链路层和网络层协议，控制r f 模组和b s s 通信，同时运行其它软件实现 手机的附加功能，例如：显示、拍照、播放m p 3 等；r f 模块( 由收发信机m t 6 1 2 9 、功 率放大器r f 3 1 4 6 和天线开关组成) 主要完成g s m g p r s 协议栈的物理层功能、实现突 发脉冲的发射接收、射频调制解调功能：电源管理芯片m t 6 3 0 5 主要负责电源管理和给 系统提供各种稳定的电压：人机接口设备：键盘、液晶l c d 用于输入、输出显示；c a m e r a 模组提供照相和动画录像等多媒体功能。n o rf l a s h 芯片用于存储整个手机软件和用户 数据；n a n df l a s h 用做u s b 存储器。整个手机的硬件架构如图3 1 所示。以下章节简 要的介绍一下主要硬件模组的特性。 西安科技大学硕士学位论文 图3 1 硬件架构图 3 2 1 基带芯片( m t 6 2 1 9 ) 介绍 m t 6 2 1 9 是双内核结构，不仅支持g p r sc l a s s1 2m o d e m ，同时提供全面、先进的 多媒体解决方案。m t 6 2 1 9 集成了a r m 7 e j s 内核和d s p 内核。a r m 7 e j s 是主处理器， 主要运行g s m g p r s 上层协议软件、多媒体应用、外设驱动程序等。d s p 处理低层的 调制解调以及复杂的语音功能。除了一些混合信号电路，其他m t 6 2 1 9 的内置电路或者 和微控制器或者和数字信号处理器相联。m t 6 2 1 9 包括以下子系统： 微控制器子系统( m c u ) - - 包括a r m 7 e j s 处理器、内存管理单元和中断控制器。 d s p 子系统一包括d s p 、内存、内存管理单元和中断控制器。 m c u 仍s p 接口一m c u 和d s p 交换软硬件信息。 微控制器外设一所有的用户接口模块和r f 接口模块。 微控制器的协处理器一代替微控制器执行计算密集的操作。 d s p 外设- - g s m g p r s 信道编解码加速硬件。 多媒体子系统集成了几个先进的硬件加速器来支持多媒体应用。 语音前端一语音的模数、数模转换数据通道。 基带前端一r f 模块的数模、模数转换数据通路。 时序发生器一产生和t d m a 帧时序相关的控制信号。 电源、复位和时钟子系统一管理电源，复位和时钟分配。 m t 6 2 1 9 中微控制单元子系统的块图如图3 2 所示： 3 手机平台的体系结构 系统r o ma r m 7 e j s中断控制器 图3 2 微控制单元子系统的块图 3 2 2 射频( r f ) 芯片( m t 6 1 2 x ) 介绍 特性 接收机： 一非常低的1 f 结构( 1 f 指二次变频时多出来的v c 0 ) 一四频段的微分输入低噪声放大器 一积分射频合成器 一高度集成的信道滤波 一大于1 0 0 d b 的增益 一大于1 1 0 d b 的可控范围 发射机： 一精确的i o 调制 一平移环结构 一高度集成的宽度t xv c o 高度集成的t x 环滤波 频率合成器： 一单集成，完全可编程的部分一n 合成器 一高度集成的宽带r fv c o 一为多时隙g p r s 应用快速准确的设置时间 西蛋科技大学硕士学位论文 功能描述 m t 6 1 2 x 是为g s m 和g p r s 的多频带全球系统而设计的具有很高集成度的收发 i c 。m t 6 1 2 x 包括四个l n a s ( 低噪声放大器) 。两个r f 积分合成器，一个集成的信道滤 波器，可编程的增益放大器( p g a ) ，接收机的i q 解调器，用于发射机的带锁相环的高 精度i q 调制，两个内部的t xv c o s ，一个片上调整的v c x o ，一个完全可编程的6 0 部分n 带片上r fv c o 合成器。m t 6 1 2 x 也包括控制电路来支持不同的操作模块。 下面对它的三个主要部分进行描述： 1 接收机 m t 6 1 2 x 的接收机包括四频段的微分输入低噪声放大器，射频积分合成器，一个片 上信道滤波器，可编程的增益放大器和一个低通滤波器。非常低的1 fm t 6 1 2 x 使用 i m a g e - r e j e c t i o n 和滤波器来消除干扰。使用准确的r f 积分信号产生器和合成匹配技术， m t 6 1 2 x 的i m a g e r e j e c t i o n 在所有的频段都能达到3 5 d b 。高集成度的信道滤波能够抵抗 干扰，块信号和没有其他任何成分的图像。同直接合成的接收机相比，m t 6 1 2 x 的超低 l f 结构能够提供块抑制，调幅抑制和邻道干扰的抵消。此外，超低1 f 结构消除了在直 接合成的接收机必须有的精确的d c 缓冲标准。而且，和声表面波中输入的普通模式平 衡需求是相关的。m t 6 1 2 x 不需要任何其他的频率合成成分就能提供模拟的i q 基带输 出。 m t 6 1 2 x包括四个差分的低噪声放大器用 于 g s m 8 5 0 ( 8 6 9 m h z 一8 9 3 m h