（通信与信息系统专业论文）手机软件平台中的短消息模块的研究.pdf

论文题目：手机软件平台中的短消息模块的研究 专业：通信与信息系统 研究生：王蓓( 签名) 指导老师：卢建军( 签名) 王衍文( 签名) 摘要 随着移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用已 提到十分重要的位置。短消息服务业务( s m s ) 作为移动通信网络的一种基本业务，己得 到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起 来。 本文着重对手机终端的协议进行了软件设计，并在本人从事的手机软件开发平台上 对短消息应用层软件进行了实现，同时独立设计、实现了基于短消息模块的两个短消息 增值业务：“内置短消息”和“销售跟踪”。 首先系统分析了终端协议标准，特别是l 3 的协议标准，根据协议描述以及实际软 件设计要求，将l 3 层的协议层结构转化为程序模块框图，并定义了每个模块接口之间 的相关消息。根据单元实现过程的相似性，设计了模块化的主流程，并给出了相应的t a s k 程序主框架，为后续的软件设计提供了理论基础。其次，根据l 3 层协议规范以及软件 实现要求，设计了模块化的程序主框架，在此基础上对具体单元进行详细的模块化设计。 采用标准模块化设计思想，提高了模块间的独立性，大大减小了模块间的耦合性，增强 了软件开发的可维护性和可扩展性；再次，为了更好的体现协议层软件，进而对应用 层软件进行设计实现。在应用层结构的基础上，提出了t a s k 消息处理机制，遵循此机 制完成了应用层软件的实现，该消息处理机制使得程序结构简洁实用，极大的改善了系 统资源； 最后，在s m s 模块的基础上设计实现了短消息增值业务“内置短消息”和“销 售跟踪”等，且均已应用于己上市的手机上，为企业带来了可观的效益，成为技术推动 市场的一个成功案例。 关键宇：终端协议：网络层；人机界面层：短消息业务 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho fs m s m o d u l eo nm 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 ： w a n gb e i i n s t r u c t o r ：l uj i a n j u n w a n gy a n w e n 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 ) ( s i g n a t u r e ) 翰丝z 拳 w i 山t h e d e v e l o p m e n t o f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g ya n dn e w s e r v i c eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s m sh a v e b e e ns oi m p o r t a n tf o ri s pa n da s pa so n eb a s i cs e r v i c eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k v a r i o u sa p p l i c a t i o nq u c k i l yg r o wb a s e do nt h i s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h es o f t w a r ed e s i g no ft h em o b i l et e l e p h o n ep r o t o c o l ，a n dr e a l i z e s t h es o f t w a r eo fm m io ft h es h o r tm e s s a g eb a s e do nt h em o b i l ep h o n es o f t w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r m m e a n w h i l e ，i ts o l e l yd e s i g n sa n dr e a l i z e st w os h o r tm e s s a g ev a l u e a d d e ds e r v i c e s o nt h eb a s i so fs h o r tm e s s a g em o d u l e ：“e m b e d d e ds h o r tm e s s a g e a n d “s a l e st r a c k i n g ” f i r s t l y , t h et e r m i n a lp r o t o c o ls t a n d a r di sa n a l y z e ds y s t e m i c a l l y , e s p e c i a l l yl 3p r o t o c o l s t a n d a r d i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o t o c o ld e s c r i p t i o na n dr e q u i r e m e n t sf o ra c t u a ls o f t w a r e d e s i g n ，t h ep r o t o c o ll a y e rs t r u c t u r eo fl 3l a y e rh a sb e e nt r a n s f e r r e di n t od i a g r a mo fp r o g r a m m o d u l e ，a n dt h er e l a t e di n f o r m a t i o nb e t w e e ni n t e r f a c e so fe a c hm o d u l eh a sb e e nd e f i n e d a c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t yi nt h ep r o c e d u r eo f r e a l i z i n gu n i t ，t h em a i nm o d u l a r i z e df l o wc h a r t h a sb e e nd e s i g n e d ，a n dt h em a i ns t r u c t u r ef o rt h er e l e v a n tt a s kp r o g r a mh a sb e e np r o v i d e d ， w h i c ho f f e r sat h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h es u c c e s s i v es o r w a r e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt os p e c i f i c a t i o no fl 3l a y e rp r o t o c o la n ds o f t w a r er e a l i z a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h e m a i nm o d u l a r i z e dp r o g r a ms t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e d ，a n do nt h eb a s i so fi t ，d e t a i l e d m o d u l a r i z e dd e s i g nf o rs p e c i f i e du n i th a sb e e nd o n e t h et h o u g h t so fs t a n d a r dm o d u l a r i z e d d e s i g nh a sb e e na d o p t e d ，w h i c hi n c r e a s e st h ei n d e p e n d e n c eb e t w e e nm o d u l e s ，g r e a t l yr e d u c e s c o u p l i n g b e t w e e nt h e m ，a n de n h a n c e st h em a i n t a i n a b i l i t ya n de x p a n d a b i l i t yf o rt h e d e v e l o p m e n to fs o f t w a r e t h i r d l y , i no r d e rt oe m b o d yt h ep r o t o c o ll a y e rs o f t w a r ei nab e t t e r w a ys oa st or e a l i z et h ed e s i g no fa p p l i c a t i o nl a y e rs o f t w a r e ，t h em e c h a n i s mf o rt a s km e s s a g e p r o c e s s i n gh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r db a s e do nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rs t n l c t l l r e t h r o u g h f o l l o w i n gs u c hm e c h a n i s m ，t h er e a l i z a t i o no ft h ea p p l i c a t i o nl a y e rs o f t w a r ei sc o m p l e t e d s u c hm e s s a g ep r o c e s s i n gm e c h a n i s mm a k e st h ep r o g r a ms t r u c t u r ec l e a ra n dp r a c t i c a l ，g r e a t l y i m p r o v i n gt h es y s t e mr e s o u r c e s f i n a l l y , b a s e do ns m sm o d u l e ，s h o r tm e s s a g ev a l u e a d d e d s e r v i c e si n c l u d i n g “e m b e d d e ds h o r tm e s s a g e ”a n d “s a l e st r a c k i n g ”h a v eb e e nd e s i g n e da n d r e a l i z e d ，a n da p p l i e di nt h em o b i l ep h o n e ss o l do nt h em a r k e tr e s p e c t i v e l y ，w h i c hb r i n g s c o n s i d e r a b l eb e n e f i tf o rt h ee n t e r p r i s e s ，a n db e c o m e sas u c c e s s f u lc a s eo ft e c h n o l o g y i m p e l l i n g m a r k e t s k e y w o r d s ：t e r m i n a lp r o t o c o l n e t w o r kl a y e rm a nm a c h i n ei n t e r f a c e ( m m i ) l a y e r s h o r tm e s s a g es e r v i c e ( s m s ) t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 压妻料技大肇 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 其他人或集体已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：王秀 日期：工n g 乒，矿 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。 小 学位论文作者签名： 土佳 指导教师 、欠 ，商 ，1 】 日 砂弘 月 1 绪论 1 1 短消息业务的发展及现状 1 绪论 随着移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用己 提到十分重要的位置。短消息服务业务( s m s ) 作为移动通信网络的一种基本业务，已得 到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起 来。 短消息业务与话音传输及传真一样，同为数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业 务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消 息的信息量限制为1 4 0 个八位组 1 】。在短消息的可靠传递基础上，g s m 网络与国际互联 网技术的结合以及g s m 调制解调器的出现和应用将给目前以提供话音服务为主的g s m 移动通信网络带来新的生机3 1 。 首先，g s m 网络与国际互联网技术的结合推动了移动通信的发展。通过在g s m 网 络和计算机互联网络之间建立一个信息服务网关，我们就可以将两网连接起来实现无线 数据业务的应用【3 j 。该信息服务网关也就是目前十分火热的w a p ( 无线应用协议) 网关。 由于现在用户使用的g s m 手机无法支持w a p 协议，因此基于g s m 网络的信息服务将 首先通过短消息服务来实现。它可以提供的增值业务有 4 ： ( 1 ) 移动信息服务业务，即通过建立一个功能强大的服务网关将g s m 网络中的短消 息中心和国际互联网络中国公众多媒体通信网连接起来，使g s m 移动通信用户能够从 信息网络上获取各种信息； ( 2 ) 进行移动电子商务的应用( 如股票买卖、银行转账、信用购物、有奖竞猜等) ； ( 3 ) 与互联网用户进行双向通信( 如收发电子邮件，网上呼叫移动通信用户等) ，从而 实现全球范围内的移动信息通信。 这些服务都是基于g s m 网络中的短消息业务的功能进行的，不占用话音通信的信 道，费用低廉，对用户极具吸引力。信息业务的出现为目前以提供话音服务为主的g s m 移动通信网络开辟了一个全新的服务新领域【3 】。由于g s m 全程联网的优势，任何一个 申请了s m s 服务的g s m 用户都可以在全网范围内选择s m s 信息中心获耿服务。这种 服务性质十分类似于国际互联网络中的w e b 站点，用户访问次数的多少驳决于s m s 信 息站点的服务的质量，包括信息的种类，网络时延等。对运营商来说，可以通过广告业 务和短消息服务月租费来获取增值的信息收入。 其次，g s m 调制解调器的出现给g s m 的发展注入了新的活力，它改变了传统的以 话音为主的通信手段，打开了g s m 网络数据通信及其应用的大门。目前在欧洲已出现 西安科技大学硕士学位论文 了称为调制解调器和模块的g s m 移动终端，它提供r s 2 3 2 数据口，采用a t 贺氏指令， 符合e t s i 标准g s m 0 7 0 7 和g s m 0 7 0 5 ，并已内置微控制器将g p s 接收机和g s m 模 块结合在一起，具有定时轮询和所有参数远端控制等功能，这种g s m 调制解调器使系 统开发商能够方便而迅速地构筑起各种应用系统【5 j 。 基于这种技术，以g s m 网络作为无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的 各类应用，查i j ：g p s g s m ( s m s ) 移动车辆监控定位系统的应用：机房监控、远程维护系统 的应用；移动性数据查询证券交易和信息查询；数据采集系统的应用；移动p o s 机， 移动收费系统；移动i c 卡电话、固定无线接入的应用：移动性数据和i n t e m e t 接入 2 1 3 1 4 1 。 由于g s m 网络在全国范围内实现了联网和漫游，比起传统的集群系统在无线网络 覆盖上具有无法比拟的优势，加上g s m 本身具备的数据传送功能，都将使这些应用得 到迅速的普及。 1 1 1 短消息业务的定义 s m s 是通过移动网络用手机收发简短文本消息的一种通信机制。 s m s 采用存储转发模式一短消息被发送出去之后，不是直接发送给接收方，而是先 存储在s m c ( 短消息中心) ，然后再由s m c 将短消息转发给接收方。如果接收方当时关 机或不在服务区内，s m c 就会自动保存该短消息，等到接收方在服务区出现的时候再 发送给他。 如果使用拉丁字母，每条短消息长度最高可达1 6 0 个字符。如果使用非拉丁语字母， 比如中文或阿拉伯语，每条短消息最多可支持7 0 个字符长度。这些字符可以是文本、 数字或二进制非文本数据( 用于铃声或l o g o 等) 【2 9 】。 与普通的寻呼机制不同的是，s m s 是一项有保证的双向服务。发送方可以在将短消 息发送出去之后得到一条确认通知，返回传递成功或失败的信息以及不可到达的原因。 s m s 是非对称业务，它使用s s 7 信令信道传输数据分组i l l 。所以，系统可以支持 短消息与话音、数据、传真等业务的同步传输。即使在业务信道处于高峰期的情况下， 也照样可以使用短消息顺利通信。此外，s m s 还可以实现全国甚至国际漫游。 s m s 属于g s m 第一阶段( p h a s e l ) 标准，但目前己经被集成到了很多网络标准中。一 般的移动网络( 如g s m 、c d m a 、t d m a 、p h s 、p d c 等) 都支持s m s ，这更使s m s 所 向披靡，成为一项非常普及的移动数据业务。 1 1 2 短消息业务的系统构成 g s m 标准中定义的点到点短消息服务使短消息能够在移动台和短消息服务中心之 问传递，下匪是基于g s m 网络的典型s m s 体系框架”1 2 1 。 翼胃| ，j ：、i 一孽亨_ 一j 蘸弩y 溉一r 镯 赫 i 幽1 1s m s 的体系结构 s m e ( 短消息实体) ：负责接收和发送短消息。可以位于固话系统、移动基站或 其他服务中心内。 m s c ( 移动交换中心) ：负责系统交换管理，控制来自或发往其他电话或数据系 统的通信。 s m s c ( 短消息业务中心) ：负责在移动基站和s m e 之间中继、存储或转发短消 息。 h l r ( 归属位置寄存器) ：是移动网络中最重要的数据库，用于存储管理用户的 永久信息和服务记录，帮助把短消息传递给正确的m s c ，还能配合m s c 与h l r 之间的协议，在接收方因超出覆盖区而丢失报文、随后又可找到时加以提示。 s m c g w m s ( 短消息中心网关) ：是与其他网络打交道的节点。一旦从s m s c 接收 到短消息，s m c g w m s 就向目的移动台的h l r 处查询移动站当前的位置，并 将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。 v l r ( 访问位置寄存器) ：该数据库含有一些用户临时信息，如手机鉴别、当前 所处的小区( 或小区组) 等信息。通过v l r 提供的信息，m s c 能够将短消息交换 到相应的b s s ( 基站系统，包括b s c + b t s ，向移动站发送或接收信息1 ，b s s 再 将短消息传递到接收方的手机。 在介绍短消息的发送过程前，先简介移动台接入网络的随机接入过程：移动台在 r a c h ( 随机接入信道) 上发送一条“信道请求“消息，b t s 收到此消息后通知b s c ，并同 时提供该移动台到该b t s 的传输时延估算及接入的原因，b s c 根据当前的资源情况， 选择空闲的专用信道s d c c h ，并通知b t s 激活它，b t s 完成指定信道激活后，b s c 在 a g c h ( 允许接入信道) 上发送初始化分配消息，当移动台接收到初始分配消息后，根据 信道描述，调整到该信道，建立信令链路，发送初始消息，接入g s m 网络。 接入网络的移动台要发送短消息时，要输入发送到的目标移动台号码，短消息通过 控制信道传输到m s c ，m s c 访问访问位置寄存器( v l r ) 得到移动台的用户资料，m s c 再把短消息发送到g iw m s c ，g iwm s c 再把短消息发送到s m s c ，s m s c 回应确认 给g i wm s c ，g i wm s c 回应确认给发送移动台。 s m s c 接收完短消息后，把短消息发送到g m s c ，g m s c 向归属位置寄存器查询 西簧科技大学硕士学位论文 目标移动台的位置信息，并且把短消息发送到相应位置的m s c ，m s c 向v l r 请求手机 当前的状态信息，并且发送寻呼命令寻呼目标移动台，目标移动台响应命令，发起接入 请求，然后m s c 把短消息送到目标移动台，目标移动台发送确认到m s c ，m s c 再把 确认消息发送到g m s c ，最后g m s c 发送确认消息到s m s c ，完成s m m t 过程【6 j 。 1 1 3 短消息业务的局限性 毫无疑问，短消息的缺点和局限性很明显。 1 消息格式简单，只支持简单文本，无法传输图象或音频信息。s m s 的下一代版本 e m s ( 增强消息业务1 将有望改进s m s 的这一缺陷。 2 消息长度受限。s m s 消息长度不得超过1 6 0 个字符( 这是g s m 中的m a p 协议规 范所导致的) ，如果发送的电子邮件或新闻等服务信息太长，则需要拆分成多个消息分 段，分段的结果就会使得s m s 较其他同类服务的成本要高；此外，在手机上查看分段 消息的感觉总不太舒服。 3 彳艮多s m s 运营商和应用开发商采用的都是专有协议，为了实现不同的s m s 中心 之间的互操作，就需要实现许多不同的接口，这种混乱的局面显然不利于短消息市场的 规范发展。现在，x 2 5 己被确定为连接不同s m s 中心的公共协议。 4 g s m 0 3 4 0 中定义的s m s 协议数据单元( p d u ) 固定了各种首部域，效率不高，使 得s m s 的适应能力大打折扣。人们正在从3 g 规范入手，寻求解决此问题的办法。 5 擞据传输速率低，等待时间长。与g p r s 和u s s d 相比，s m s 提供数据传输速率 低，且等待时间长，主要是因为s m s 使用的是速度很慢的信令信道，在g s m 网络中， 信令信道还要干很多其他事情。s m s 后面的版本m m s 将使用专有的数据信道，从而提 高码率，降低等待时间。 1 1 4 短消息业务的发展方向 s m s 属于g s m 的第一代数据业务，其内在的简单性也导致了不可避免的局限性。 s m s 的下一个演化版本是e m s ( 增强消息业务) ，能够支持发送很长的信息包括文本、简 单音乐、普通黑白图片以及某些动画。这些服务很大程度上以现在的s m s 为基础，e m s 在存储转发机制、信道及实现方式等方面与s m s 一样，所以不需要升级当前的网络基 础设施，只要扩展s m s 中用户数据首部( u d h ) 即可。 确切地说，e m s 只是s m s 向m m s ( 多媒体消息业务) 演化的一个过渡版本，m m s 将支持移动图像、卡通、交互式视频等多媒体信息，可以把文本、声音、图像、视频等 集成在一起，通过手机发送电子贺卡、邀请函、屏保、商业卡片等。m m s 不仅需要专 用的数据信道，还需要对网络基础设施进行升级或者增加新的网络单元，如多媒体消息 中继站、m m s 服务器和m m s 用户数据库等。 1 绪论 m m s 的标准化工作是由3 g 即主持的，它采用了w a p 、m e x e 、s m t p 等标准化 的协议，m m s 无需手机设备对内容格式进行统一( e m s 需要) 。从理论上讲，m m s 可以 运行于任何承载业务之上，但实际上可能要等到g p r s 、e d g e 或者3 g 出现之后才会 流行开来【4 【33 1 。 1 2 本论文的工作及其结构 本论文来自深圳万利达移动通信设备有限公司基于m t k 平台的手机项目。 基于移动通信终端协议的s m s 应用系统软件的设计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，进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。同时阅读大量的移动通信终端协议标准。要对协议进行合理的软 件设计，必须对其协议本身有足够的了解，移动通信终端协议体系庞大，而且绝大部分 是以不直观的叙述性语言描述，需要较长的时间进行反复阅读和消化理解。 第二阶段：设计阶段。在了解了移动通信终端协议体系的前提下，对系统进行软件 设计，将协议规范所定义的层次、服务接入点及接口信号转化为软件实现所需的软件单 元，为模块化的设计做好准备。然后根据其模块处理上的特点，构建软件模型，采取 w i n d o w s 中所用到的消息循环和事件驱动的结构方式，设计协议软件。在设计实现协议 软件的基础上，进而对应用层软件进行优化和实现。 第三阶段：应用阶段。理论结合实践在m t k 平台软件上设计实现了s m s 的增值业 务：“内置短消息”和“销售跟踪”。 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短消息业务的发展与现状以及进行此研究的必 要性和实际意义。 第二章：简要介绍了移动通信系统协议栈( 网络层) 软件总体设计。移动通信系统协 议体系结构和网络层软件结构说明以及主程序框架设计。然后进一步说明点对点短消息 ( s m s ) 协议实体程序设计。并且以短消息协议实体为例说明主程序实现过程。 第三章：简要介绍m t k 平台的软件体系结构。详细研究m m i 层软件的设计与实 现，了解m t k 平台上用户界面软件结构 第四章：短消息m m i 层软件的实现。以短消息为例说明具体单元实现方法。 第五章：短消息增值业务的设计与实现。 第六章：总结课题结果、不足之处以及展望。 西安科技大学硕士学位论文 2g s m 系统协议软件设计与实现 2 1g s m 协议体系概述及其软件设计 2 1 1g s m 协议体系 g s m 中采用了o s i 的分层协议结构。其中下一层协议为上一层协议提供服务，上 一层协议利用下一层所提供的功能，上下层之间通过原语进行通信。在建立连接之后， 对等层之间形成逻辑上的通路。在信令系统中，可简单分为物理层、链路层、网络层如 图2 1 中的l l 、l 2 、l 3 13 1 。 目镕目厂焉王磊r 五 厂辱歪王r 西 中间层厂1 e 五r 证_ 路层厂j e 杰f i r 一 数据链t 一 物理层广_ j f j f 五 堡堡丁雨= 是1 t 一 物理。r 一 sms s s 4m m lapdm 物理层模块 图2 ig s m 协议结构分层模型 第一层：物理层。物理层是l 3 协议体系中的最低层，它包括各类信道，为高层信 息的传输提供基本的逻辑信道；每个逻辑信道都有自己的服务接入点( s a p ) ，移动台的 接入方式采用多址接入方式，可以在空闲时间检测周围的无线电环境，把检测结果定时 的传给基站，确定是否进行小区切换。 第二层：链路层。链路层属于中间层( l a p d m ：l i n ka c c e s sp r o t o c o lf o rd mc h a n n e l d m 信道链路连接协议) 。它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。l a p d m 的 基本功能是把单个的b i t 构成一个集合，以便在移动台和基站之间提供可靠的无线数据 链路，所有的链路功能都是建立在这个基本结构单元上，这个单元称为帧( f r a m e ) ，帧的 结构采用h d l c ( 高层数据链路控制) 的定义方式 17 1 。链路层协议主要由g s m 0 4 0 5 、 0 4 0 6 系列标准来描述。 第三层：网络层，包括r r 、m m 及呼叫控制子层( c c 、s m s 、s s ) ： 1 无线资源管理子层( r r ) nc c c h ( 公共控制信道) 和d c c h ( 专用控制信道) 操作提 供控制功能。 2 移动管理予层( m m ) 提供以下控制功能：移动台号码的保密、确认身份、位置登记、 用户登记和取消、定时登记 3 呼叫控制子层：包括呼叫控制( c c ) ，短消息业务( s m s ) 和附加业务( s s ) 实体。 呼叫控制包括呼叫建立、释放和呼叫有关的补充业务处理等：短消息业务实体功能是利 用信令信道为用户提供短消息的服务；附加业务实体是提供独立的附加业务。 6 2g s m 系统协议软件设计与实现 2 1 2g s m 协议栈结构 如前文所述，g s m 系统按照开放互联系统( o s i ) 模型采用分层的协议结构设计，并 按功能通信过程分为三个层次，即l 1 物理层，l 2 数据链路层和l 3 网络层。我们将协 议体系进行必要的转化，提出协议栈的概念，并按协议规范对协议栈的功能确定如下： 这里提到的协议栈是对应与g s m 标准的l 2 和l 3 层，其中信令l 3 层又被分为无 限资源管理( r m ) ，移动管理( m m ) 和连接管理( c m ) 。而连接管理( c m ) 又分为三个 协议实体，分别是呼叫控制( c c ) ，补充业务( s s ) 和短消息业务( s m s ) 。同时此协议栈还 实现l 3 层之上的短消息的第四层和第五层结构，分别为中继层( s m r l ) 和传输层 ( s m t l ) 。此外此协议栈还需要支持s i m 卡单元和小区广播的功能模块【1 1 】。 2 2 l 3 层软件分析 由协议栈总体结构的描述可知，l 3 层是整个协议栈的核心，它包括了大部分的手 机功能实现。它提供一个蜂窝移动网和与其相连接的其他公众移动网之间的建立、维护 和释放电路交换的功能；提供必要的支持补充业务、短消息业务和呼叫控制的功能：l 3 还包括移动管理和无限资源管理的功能。此外，最新开发的l 3 层应当能支持g p r s 业 务，并提供相应复杂的控制功能。在软件设计过程中，l 3 层主要由大量的程序模块构 成，这些程序块在第三层各主体之间、第三层与相邻层以及相关层之间传递携带各种信 息的消息单元。因此可以说，解决了l 3 层协议的设计也就基本上解决了整个协议栈软 件的设计工作。接下来将主要围绕来l 3 层协议进行讨论。 g s m 标准规定l 3 层由如下图2 2 所示的协议结构0 2 1 。 m n c cm n s sm n s m i 十移动同 l 络业务 l 价 l 令 1 1 2 l 一一一 加i 广妒1 广新i l 牛_ _ _ l 当址叫l 且_ t j t j 。i 兰竺兰_上 亡 r与甄丽面 。弋尹专罗弋歹 一 图2 2g s m 系统l 3 层移动台- n 协议结构 在实际软件实现中，根据具体功能模块和相关接e l 的分析，将图2 2 中的l 3 协议 层次结构转换为图2 3 所示的软件结构图： 西安科扶大学硕士学位论文 图2 3l 3 软件结构图 由图2 3 可见，l 3 层被分成了若干个功能单元，而这些功能单元通过相关接口进行 原语通信，使用其他单元或层次的服务，同时通过与应用层( a l ) 之问的接口，向应用层 提供必要的支持，从而向用户城乡完整的功能实现。为了更好的理解l 3 层的模块，将 分别对各个单元进行说明。 1 无线资源管理实体( r a d i or e s o u r c e ) r r 子层负责无线链路连接( 物理) 和数据链路连接( 逻辑) 的建立、保持和释放。在空 闲模式下，r r 子层负责协调小区的选择和重选。在专用模式下，r r 子层负责协调从报 告检测结果到信道重新配置的整个切换过程“1 【1 2 。 在上图2 3 中可以看出：r r 子层通过r r 接口向m m 子层提供服务，同时，通过 d l 和m p h 接口使用由l 2 层和l 1 层提供的服务。并且，r r 子层还通过r r c b 接口， 接收s m c b 单元发来韵命令，来控制接收小区广播数据。图中箭头两侧是相关数据的 交互，通过消息的交互实现r r 子层的功能。 2 移动管理实体( m o b i l em a n a g e m e n t ) m m 子层主要考虑移动站在空闲模式下如何向网络通报它的地理位置。一个大的 p l m n 服务区域被划分为许多小的定位区域l a ，m m 子层的任务就是当移动站进入一 个新的区域时通知网络，以便能够继续跟踪移动站。此外，m m 子层还将所有其他上层 实体的呼叫多路复用到一个单一的通道，同时m m 子层完成呼叫重建任务的过程相刘用 户是透明的【1 1j 【。2 1 引。 出图2 4 可知：m m 子层通过m m c c 、m m s s 和m m s m 接口向c m 子层实体c c 、 s s 和s m c m 提供服务，同时，m m 向应用层提供注册和取消注册的服务。m m 子层通 过r r 接口使用r r 子层提供的服务，通过m m s i 接口使用s i m 提供的服务。 3 呼叫控制实体( c a l lc o n t r 0 1 ) c c 单元负责移动终端与网络一方的m s c ( 移动交换中心) 之间的操作，它管理与呼 叫建立和保持相关的任务，这些任务对用户来说是不可见的。c c 子层要为呼n l l 议定一 2g s m 系统协议软件设计与实现 条合适的通路，并告知用户呼叫进行的情况( 即是否被叫已经振铃、占线或号码无效等) 。 每个呼叫，不管呼入还是呼出，都有自己专用的c c 呼叫实体与之对应。c c 使得用户 不必面对网络或无线接口的出错信息，保证呼叫双方的控制信息按照正确的顺序进行】 【2 1 1 8 1 。 由上图2 3 可知：c c 单元通过m n c c 接口向应用层提供服务，通过m m c c 接口 使用m m 单元服务。每个c c 实体负责一个声音或者数据呼叫。移动台可以并行发起7 个呼叫或者接收7 个呼叫。但是，在某一时刻，只能有一个激活( 只有一个传输信道存 在) ，剩下的处于保持状态。可设置同步呼叫的个数。 幽2 4 m m 单兀结构 4 补充业务实体( s u p p l e m e n t a r ys e r v i c e s ) 补充业务是指在基本业务上的修改和扩充。主要是允许用户根据自己的需要改变网 络对呼入和呼出的处理，或者通过网络向用户提供某种信息让用户能够智能化的利用一 些常规业务。绝大部分移动通信的补充业务是从电信网中继承过来的，因此这些补充业 务与固定网的补充业务没有本质的差别，g s m 数字移动通信的目标就是能够提供各种 补充业务，让用户有充分的选择余地。而s s 单元则主要负责传输和接收设备消息中的 呼叫独立补充业务的数据，并且初始化m m 连接的建立和释放“1 旧0 8 1 。 由前图2 3 可知：s s 单元通过m n s s 接口向应用层提供服务，通过m m s s 接口使 用m m 层提供的服务。同时只能建立7 个连接。同步连接的实际个数由设定选项提供。 5 点对点短消息实体( s h o r tm e s s a g e ) 点对点短消息业务使移动用户可以发出或接收长度有限的数字或文字消息。g s m 系统提供的短消息业务可以使网络端知道对方是否已经收到所发的消息。如果传送失败 被叫方没有回答确认消息，网络一例会保留所传的消息：一旦网络发现被叫方能被接通 时，消息将被重发以确保让被叫方收到。另一种增强的性能是主叫方能够得到消息发出 以后的结果一被叫确认是否送到。 点对点短消息单元的具体分析将在后面的章节中详细展丌，在此不再赘述。 6 短消息小区广播单元( s h o r tm e s s a g e c e l lb r o a d c a s t ) 小区广播是另一种g s m 系统特有的性能，g s m 移动中心可向确定移动台周期性地 9 西安科技大学硕士学位论文 广播特定的数据信息。支持此业务的移动台能连续地监测广播信息并向用户显示。这一 功能类似于寻呼台给用户发送的群呼信息，如天气预报和股票信息。而s m c b 单元则 在l 2 所提供的小区广播数据和应用层所要求的整个小区广播消息之间架起了桥梁，将 小区广播数据连接成应用层要求的完整信息并滤除应用层没有要求的小区广播数据【2 0 。 由图2 3 可知：s m c b 单元通过m n c b 接口向应用层提供服务，通过l 2 c b 接口 从l 2 接收小区广播数据，通过r r c b 接口使用r r 服务。 2 3 协议软件模块总体设计 通过以上的说明，可以看到，每个单元根据其自身状态机，对它所接收到的消息和 将要发出的消息进行相关处理，从而实现该单元的功能，并向上层提供服务。可以说， 无论一个单元的功能多么复杂，它都遵循这一基本原则。而正因为这些模块单元存在这 样处理上的相似性，在程序结构中，除却具体的消息处理过程不同，每个单元的主框架 是相同的。 设计单元主流程如图2 5 所示：主流程为一循环机制，不断地去轮询有没有新的消 息到来，如果有消息到来，即对此消息进行判断，并进行必要的消息处理，包括读取接 收到消息中的参数，实现自身状态的转换，构造所需发送的消息并发送到其它模块。 图2 5 协议软什单兀主流程 在实际的g s m 软件设计中，将图2 3 中每个单元定义为一个t a s k ( 作业) ，将消息定 义为信号。将一个单元定义为一个t a s k ，实际上是对其进行模块化的设计，同时也便于 程序的封装和连接，而将消息定义为信号，可以方便实现对消息的判断和具体操作。 1 t a s k ：每个t a s k 具有一个输入队列，其中保存所有发送到此t a s k 的消息。且每个 t a s k 拥有一块保留的存储区一堆栈。这个堆栈保存局部变量和函数返回地址。一个t a s k 被设计用于接收，处理和释放该信号，或者根据情况创建信号并将其发送到其它作业。 2 信号：每个信号由两部分组成，一部分是信号的i d ，另一部分是信号的实际内容， 称为信号体。定义信号缓冲区包含所有的信号，包括2 个字节的信号i d 和一个包括所 2g s m 系统协议软件设计与实现 有信号体的联合体。每个模块只定义包含自己所需信号的联合体。 2 4 点对点短消息协议实体程序设计 2 4 1 短消息实体结构框架 前文己经提及短消息结构及功能。在此先进一步划分短消息协议实体的层次，如图 2 6 所示。 由图可知，短消息实体分为三个单元，分别为s m c m ( 短消息连接层) ，s m r l ( 短 消息中继层) 和s m t l ( 短消息传输层) 模划1 9 】。分别实现了这三个单元的功能及其接口 消息的交互就完成了点对点短消息的程序设计。接下来将分别描述这三个单元的功能。 图26 点对点短消息单元结构 1 短消息连接层( s m c m ) 单元功能及接口 s m c m 实体属于l 3 的c m 子层，负责建立、维持和释放短消息连接，对m m 连 接建立和释放进行初始化，并在超时情况下，执行向网络传输数据的重试，在收到传入 的数掘时，向网络发送确认信息f 1 1 s l 1 1 9 1 。由图2 6 可知，s m c m 通过m n s m 接口向 s m r l 单元提供服务，通过m m s m 接口使用m m 单元提供的服务。 2 短消息中继层( s m r l ) 单元功能及接口 s m r l 向s m - t l 单元提供服务，其功能包括建立、保持和释放一个l 3 连接，向 网络发送或从网络接收协议数据单元，并且向s m t l 报告协议数据单元是否传送成功 以及所接收的协议数据单元中的错误，向网络报告存储短消息的存储空间的剩余情况【1 0 1 ts 1 1 1 9 1 。出图2 6 可女n ：s m r l 单元通过s m r l 接口向s m t l 提供服务，通过m n s m 接 西安科技大学硕士学位论文 口使用s m c m 提供的服务。 3 短消息传输层( s m t l ) 单元功能及接口 s m t l 实体向应用层提供服务，其具体功能包括：向网络传输移动台发起的短消息， 从网络接收短消息，请求报告和接收关