（计算机软件与理论专业论文）基于android的手机通讯协议应用研究与实现.pdf

兰州人学硕士学位论文 摘要 a n d r o i d 平台是当前智能手机领域的研究热点。本论文以a n d r o i d 平台为研 究基础，讨论如何在实际硬件中实现a n d r o i d 的通讯功能，包括通话、短信息服 务、g p r s 数据业务等。通讯功能的实现与手机通讯协议以及各种通讯标准密切 相关。文章就是对运用在手机终端上的各种手机通讯协议进行应用研究，并结合 a n d r o i d 的通讯应用程序框架，应用这些协议或标准，实现手机的通讯功能。 在实验环境中，只有一个串口资源作为通讯设备部件基带与手机操作系统进 行对话的通道。基于a n d r o i d 通讯架构的特点，g p r s 数据业务在此硬件环境中 不能获取硬件资源，造成资源冲突问题。文章通过应用多路复用协议，虚拟出多 个数据链路通道，来解决硬件资源冲突的问题，并以此为基础，构建了一个新的 多路复用无线接口层。多路复用无线接口层的职责在于完成应用程序与硬件之间 的通讯。它实际上就是一个硬件抽象层。而在通讯功能的实现中，文章结合基带 的特点，根据a t 命令集，短信息服务规范，点对点协议等标准和协议，修改 a n d r o i d 的通讯应用程序架构，完善多路复用无线接口层，从而完成基带与系统 的通讯。经系统验证，运用文章中的方案构建出来的手机能够正常运行，能够拨 打电话，接听电话，发送短信，接收短信以及处理g p r s 数据业务等。 关键字：a n d r o i d ，手机，通讯协议，无线接口层，多路复用，通讯功能 兰州火学硕士学位论文 a bs t r a c t c u r r e n t l y , a n d r o i dp l a t f o r mi st h e h o tp o i n ti nt h ef i e l do fs m a r tp h o n e b a s e do n a n d r o i dp l a t f o r m ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no fa n d r o i dc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n sw i t hr e a lh a r d w a r e ，i n c l u d i n gd i a l i n g ，s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，g p r sd a t a s e r v i c e s ，e t c t h ei m p l e m e n t a t i o no fc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n si sc l o s e l yr e l a t e dw i t h m o b i l ep h o n ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa n dv a r i o u sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s i nt h i s t h e s i s ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，u s e di nm o b i l et e r m i n a l ，w i l lb cr e s e a r c h e d a n di t w i l li m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n s ，b yu s i n gt h ep r o t o c o l so rs t a n d a r d sa n d t a k i n gt h ea d v a n t a g eo fa n d r o i dt e l e p h o n ya p p l i c a t i o nf r a m e w o r k i nt h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t ，o n l yo n es e r i a lp o r ti su s e da sac o m m u n i c a t i o n c h a n n e lf o rt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nb a s e b a n dp r o c e s s o ra n dm o b i l ep h o n e o p e r a t i n gs y s t e m f o rt h ef e a t u r eo fa n d r o i dt e l e p h o n yf r a m e w o r k ，g p r sd a t a s e r v i c e sw o u l dn o tg e tt h eh a r d w a r er e s o u r c et ow o r k s oi tw o u l dc a u s er e s o u r c e s c o n f l i c t t os o l v et h a tp r o b l e m ，i tt a k e st h ea d v a n t a g eo fm u l t i p l e x i n gp r o t o c o la n d p r o d u c e ss o m ev i r t u a ld a t al i n kc h a n n e l s a n dan e wm u l t i p l e x i n gr a d i oi n t e r f a c e l a y e ri sc o n s t r u c t e du s i n gt h o s ev i r t u a ld a t a l i n kc h a n n e l s t h em u l t i p l e x i n gr a d i o i n t e r f a c el a y e ri st oc o m p l e t et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh a r d w a r ea n da p p l i c a t i o n s i ti sa c t u a l l yah a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r i nt h ei m p l e m e n t a t i o n ，m a n yp r o t o c o l sa n d s t a n d a r d sw i l lb eu s e d ，s u c ha sa tc o m m a n ds e t ，s h o r tm e s s a g es e r v i c es p e c i f i c a t i o n ， a n dp o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt ot h ea b o v ep r o t o c o l sa n dt h ef e a t u r eo ft h e b a s e b a n dp r o c e s s o r , t h ei m p l e m e n t a t i o nw i l l m o d i f yt h et e l e p h o n ya p p l i c a t i o n f r a m e w o r k ，a n di m p r o v et h em u l t i p l e x i n gr a d i oi n t e r f a c el a y e r s oa st oc o m p l e t et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eb a s e b a n d p r o c e s s o r a n dt h e s y s t e m t h es y s t e m v a l i d a t i o ns h o w st h a tt h ep h o n e ，m a d eb yt h ew a yi nt h i st h e s i s ，w o r k sc o r r e c t l y , a n d c a nm a k ec a l l s ，r e c e i v ec a l l s ，s e n ds m s ，r e c e i v es m sa n dh a n d l eg p r sd a t as e r v i c e s k e y w o r d s ：a n d r o i d ，m o b il ep h o n e ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ， r a d i oi n t e r f a c el a y e r ，m u l t i p l e x i n g ，c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n 2 兰州人学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彩之日期：缈歹纱 兰州人学硕士学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学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，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：篚蔓聊签名：嗍日期：丝竺 兰州入学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 纵观手机的发展历史，智能手机必将成为手机市场的主导，引领潮流。在国 内曾经出现了g s m 数字通讯网络与模拟网共存的阶段。随后由于模拟手机天生的 局限性，以及其明显的使用缺点，它越来越不受欢迎。而且，数字移动电话的出 现，为移动通讯领域带来了崭新的理念和更友好的功能。通过对比，生产厂商看 到了行业的发展方向，用户趋于性能更好、功能更多的产品。这样导致模拟手机 停产而用户选择数字移动电话的趋势。最终，模拟网和模拟手机退出了历史的舞 台。新的技术成为市场的导向。 数字移动电话发展到今天，不管是手机功能，还是手机外观，都得到广泛的 关注和重视。除了手机的通话，短信息服务功能外，普通手机还支持g p r s 上网 业务，f m 调频广播，彩信，以及一些j a v a 程序。这些都可以满足人们日常生活 的基本需求。而智能手机 1 与普通手机的区别在于，智能手机拥有自己的开放 式操作系统，允许任何人根据操作系统属性来开发应用程序，随意装卸应用程序； 具备友好易用的人机交互界面，丰富的通讯功能、完善的个人信息管理、特色的 多媒体服务、电子邮件、电子书阅读、网页浏览、扩展u s b 、g p s 等先进功能。 另外，在运行j a v a 程序方面，智能手机比普通手机效率更高，操控性更好。 随着技术的改进与创新，智能手机的生产成本逐渐下降，其低端产品凭借合 适的价格，更出众的功能，逐步挤压普通手机在市场中的生存空间；其高端产品 会慢慢渗透到笔记本领域中。普通手机将步模拟手机的后尘，将逐渐退出中国市 场，智能手机成为市场主导。 目前，在智能手机上运行的操作系统主要有：微软的w i n d o w sm o b i l e 、 w i n d o w sc e ，诺基亚的s y m b i a no s ，r i m 的黑莓，苹果的i p h o n e 以及g o o g l e 的a n d r o i d 。 市场研究公司c a n a l y s2 0 1 0 年2 月8 日发表的研究报告，描述了在全球范 围内各种智能手机操作系统所占有的市场份额 2 。2 0 0 9 年s y m b i a no s 拥有市 场份额的4 7 2 ，黑莓占了2 0 8 个百分点，a p p l e 占有1 5 1 ，微软拥有8 8 ， 5 兰州大学硕十学位论文 a n d r o i d 拥有4 7 。相比来说，2 0 0 8 年a n d r o i d 占全球市场份额很少，只有0 5 。 数据显示，短短的一年间，a n d r o i d 的市场占有率就增长了4 2 个百分点。由此 可见，a n d r o i d 在最近几年内的发展势头将会很火爆，更多的手机厂家会加入 a n d r o i d 的开发中。 a n d r o i d 3 4 是一款智能手机操作系统，同时，它也是基于l i n u x 内核变 种的软件平台 5 。a n d r o i d 现在是由g o o g l e 公司牵头的开放手机联盟( o p e n h a n d s e ta l l i a n c e ) 6 来开发和维护的。a n d r o i d 的官方版本就是以开放手机 联盟的名义发布的。 与市场中的其他智能手机操作系统比较，a n d r o i d 的核心竞争力在于它公开 了源代码，而且允许第三方软件自由加入。任何手机开发商都可以下载到 a n d r o i d 平台的源代码以及支持a n d r o i d 系统的l i n u x 内核变种，然后根据手机 设计方案的具体配置，修改驱动，修改与硬件紧密关联的代码，就可以生产出原 始版本的产品。由于a n d r o i d 公开源代码，并允许自由修改，开发商可以定制自 己的功能，增强产品的竞争力。另一方面，a n d r o i d 提供了一套免费的软件开发 工具( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) ，而且与a n d r o i d 的源代码同步更新。任何 第三方开发者都可以随时随地下载该软件开发工具，利用该工具开发出具有个性 化的第三方软件，例如手机游戏，即时通讯软件，股票等满足手机用户需求，丰 富用户体验的软件。对于手机用户，功能强大、时尚的基于a n d r o i d 平台的智能 手机以及丰富的第三方软件支持，都很有吸引力。 无论是手机开发商，第三方软件开发者还是普通手机用户，都可以从 a n d r o i d 的开发性获得好处。a n d r o i d 的前景很美好。2 0 0 9 年l o 月，市场研究 公司g a r t n e r 7 预测，到2 0 1 2 年，a n d r o i d 将会成为全球智能手机平台中的二号 人物。 智能手机的核心在于操作系统。在a n d r o i d 问世之前，市面上智能手机的操 作系统，诸如微软的w i n d o w sm o b il e ，w i n d o w sc e ，苹果的i p h o n e ，诺基亚的 s y m b i a n 等都是有专利的。国内的手机开发商开发智能手机时，需要交付版权费 以及培训费用。可以说，智能手机的核心技术一直掌握在外国大厂商上，国内仅 仅处于从属地位。 基于上述情况，a n d r o i d 无疑是国产手机在智能手机领域内的一个重要的突 6 兰州大学硕士学位论文 破口。a n d r o i d 的开放性将推动智能手机在中国的快速发展。通过对a n d r o i d 源 代码的分析和研究，在智能手机领域将会涌现一批又一批的高素质人才。而且， 知识的积累，有助于创新。为此文章选择a n d r o i d 智能手机操作系统作为研究平 台，很有意义。 现阶段，国内有很多手机方案设计公司、手机生产厂商都在研究a n d r o i d 系统，争取尽早做出具有竞争力的产品。在我们的研究开题时，市面上还没有国 内厂家生产的基于a n d r o i d 平台的手机出售。通讯功能作为手机的基本功能，必 须是首要的实现目标。不能通话，不能发短信，不能上网的手机，完全不能满足 手机用户的要求。基于整机的开发，是与硬件直接相关的。不同的设计方案，通 讯功能实现的方式有差异。而通讯功能的实现，在于手机通讯协议的应用和实现。 手机通讯协议在这里起到了关键的作用。 1 2 研究内容 通话和短信是手机的两个基本功能。在手机业务高速发展的阶段，这两种通 讯方式为手机积累了大量的用户，是手机市场茁壮成长的基石。然而，在社会高 速发展的今天，人们的生活越来越多元化，需求也就越来越多，永无止境，仅仅 是通话和短信两种功能是不能满足要求的。对于手机制造商来说，只有紧跟市场 的脉搏，迎合用户的口味，增强手机功能，才能获得商机。因此，拍照手机，隐 形手机，音乐手机，商务手机等应运而生。手机功能多样化、应用软件智能化， 多媒体技术的应用，都需要高效率的处理器以及智能操作系统的支持。智能手机 是现今手机发展的趋势。 随着互联网技术的发展，人们的工作和生活越来越离不开网络。人们的通讯 方式也发生了巨大的改变传统的书信被e - m a i l 取代，利用即时聊天工具来 联系业务，网上购物，电子支付，网上交友等等。因此，在通讯方面，仅仅具有 通话和短信功能的手机不能满足需求，手机必须要接入互联网络。 文章就是研究a n d r o i d 智能手机平台上通讯协议的应用，并实现相关功能， 包括通话，短信息服务，以及手机接入互联网络。这罩涉及到的内容很多，包括 数据是如何组织的，手机和手机之问是怎么通讯的，手机是如何实现上网的等等。 文章中，我们不仅要解析通讯的过程，还要根据特定硬件的属性，构建a n d r o i d 7 兰州大学硕七学位论文 智能手机平台，并实现相关通讯功能。 1 3 文章结构 a n d r o i d 作为智能操作系统的新贵，其发展历史很短暂。从2 0 0 7 年1 1 月首 个官方版本发布到日前，仅有2 年半左右的时间。但在这期间，a n d r o i d 迅猛发 展，国内外众多公司都在研究和开发a n d r o i d 产品。而本文主要是对a n d r o i d 系统的通讯功能进行研究，了解和运用相关的通讯协议，其中会涉及到一些概念。 为了让读者更好的了解文章论述的内容，在第2 章中，我将通过介绍目前市面上 的一些a n d r o i d 产品以及它们的通讯功能，从而引出论文相关的概念和协议，并 较粗略地描述协议的应用过程。 a n d r o i d 的系统平台源代码，勾勒了一个手机原型的大体框架，以及提供了 一些相关的应用程序。然而在通讯方面，a n d r o i d 的架构并不完善，要根据特定 的硬件进行修改或者重建。这主要是因为a n d r o i d 开发的时候，就是以高通的芯 片作为基准的。由h t c 制造的，首款a n d r o i d 智能手机，t - m o b i l eg 1 8 就是采 用高通的芯片。而g o o g l e 发布的自主品牌n e x u so n e 采用的中央处理器也同样 是高通的芯片 9 。在第3 章中，我将分析a n d r o i d 原有的通讯框架以及讨论可 能存在的问题，并根据实验中用到的芯片设计出新的结构。 在第4 章中，我将以第3 章设计的架构作为蓝图，一步一步地在实验平台中 构建一个结合我们通讯架构的a n d r o i d 系统。另外，还要根据各种协议和规范， 实现通话、短信息服务、手机连接互联网络的功能。同时，在第5 章，我将对系 统进行验证，包括系统启动后的运行情况，通话、短信息服务、g p r s 上网通讯 功能实现情况以及实现效果等。在第6 章中，我们将会对文章做一个总结，并根 据官方a n d r o i d 系统更新的特点，明确对当前的工作进行更新和维护的方向。而 且，我们将根据智能手机发展的趋势以及当前出现的研究观点，简单阐述在手机 通讯方面，a n d r o i d 未来可能的研究方向。 8 兰州大学硕七学位论文 第2 章论文相关 2 1a n d r o i d 平台介绍 在全球范围内，截止2 0 0 9 年底，a n d r o i d 手机开发平台至少被装备到1 8 款 手机中 1 0 。g o o g l e 新研发出来的n e x u so n e 手机比t - m o b il eg 1 手机强大很 多。n e x u so n e 装备了更快的a r m 处理器，更清晰的摄像头，蓝牙和w i f i 1 1 的功能有很大的改进，且具有g p s 1 2 功能。我们可以看到，a n d r o i d 智能手机 的性能在不断的改进，更多的新技术，新功能会被不断地添加到a n d r o i d 平台中。 但从两者的共性来看，他们都运行在g s m 网络中，支持g p r s 和e d g e 1 3 ，具有 通话、短信息服务等基本通讯功能。总的来说，基本的功能在保留和改进，新的 技术被应用。 2 1 1a n d r o i d 平台的特征 a n d r o i d 系统是智能手机的平台，功能强大，其主要特征 3 如下： 1 组件的重用和替代。 在a n d r o i d 系统中组件的重用和替代是利用应用程序框架来实现。任何一个 运行在a n d r o i d 系统中的应用程序，在遵循a n d r o i d 应用程序框架安全性限制的 前提下，都可以发布它特有的功能模块，使得别的a n d r o i d 应用程序可以调用该 功能模块。 2 a n d r o i d 系统专有的j a v a 虚拟机d a l v i k 1 4 。 d a l v i k 虚拟机是a n d r o i d 平台中的核心部件之一。它与通用的j a v a 虚拟机 有所不同。d a l v i k 虚拟机使用自己特有的字节码文件，以满足内存大小有限， 处理器速度受限的手机终端设备的需求。为此，在a n d r o i d 中运行的应用程序， 必须编译成a n d r o i d 的字节码文件，由d a l v i k 解释执行。 3 集成的浏览器。 a n d r o i d 系统中的浏览器运用到了一款丌源的浏览器引擎一w e b k i t 1 5 。 w e b k i t 的代码简洁，结构合理，有利于开发。另外w e b k i t 浏览器引擎优点明显， 消耗很少的内存资源，运行效率高。w e b k i t 已经普遍应用在手机的浏览器中。 9 兰州大学硕士学位论文 4 2 d 、3 d 图形库。 a n d r o i d 系统中提供了2 d 和3 d 的图形库，开发者可以利用这些图形库开发 各种图形效果。除了手机的造型外，手机的图形界面也是用户关注的重点。图形 界面是体现手机个性化的一个载体。优美，华丽，宁静，平和，时尚，热情等不 同元素可以满足不同的手机用户。 5 利用s q l i t e 数据库存储数据。 s q l i t e 1 6 1 7 是一种关系型数据库管理系统，主要应用在嵌入式领域中。 在实际的应用中，s q l i t e 数据库提供了一个独立的程序s q l i t e 来管理数据库中 的文件，进行各种操作，例如查询，添加和删除等。s q l i t e 数据库允许多个进 程以读的方式并行地访问同一个数据。而对于写操作，只有当数据空闲的时候才 能进行操作，否则就会出错。对于写错误，s q l i t e 提供重试功能。在a n d r o i d 系统中，每个应用程序在运行的过程中都可以创建和访问s q l i t e 数据库。其所 需要的系统资源很少，而且运行效率高。在手机终端设备硬件能力较低的情况下， s q l i t e 是优良的选择。 6 支持多媒体技术。 a n d r o i d 提供了多媒体相关的系统函数库，支持查看多种格式的静态图像文 件，如j p g 、g i f 、p n g 等；提供了应用程序接口，处理各种常用格式的音频和视 频，如播放音视频，录制音视频，视频会议以及播放流媒体等。多媒体技术在 a n d r o i d 系统中的应用，为a n d r o i d 平台提供更多丰富多彩的功能，吸引了用户 眼球，满足用户越来越多的需求。 7 无线电话技术。 a n d r o i d 系统支持g s m 1 8 网络。无线电话技术中的g s m 标准，是当前最成 熟，应用最广泛的标准。世界上绝大多数的手机都是使用g s m 网络。从用户的角 度来说，g s m 网络能提供较好的语音质量以及各种不同的通讯方式，例如短信息， 从而满足用户的需求。从设备生产商来说，g s m 标准是开放的，这有利于他们在 自己的无线设备中实现相关功能，而且能和其他设备无缝连接。从运营商来说， 利用g s m 网络，可以节省成本。文章将在下文继续深入探讨g s m 网络以及在g s m 标准中的通讯协议。 8 支持蓝牙、w 卜f i 、摄像头、g p s 等多种时尚应用。 1 0 兰州人学硕士学位论文 a n d r o i d 针对g p s 、摄像头、w i - f i 、蓝牙等多种手机功能提供了支持，但要 实现这些功能，手机设计方案中必须要有相对的硬件模块。例如，硬件中要有摄 像头，然后我们在实现中需要利用驱动程序来控制这个摄像头，并且利用 a n d r o i d 提供的应用程序接口实现与上层应用程序的交互。 9 g o o g l e 提供了充足简便的开发工具。 在开发j a v a 应用时，e c l i p s e 集成开发环境是最常用的。a n d r o i d 平台上的 应用程序都是用j a v a 来开发的。由于a n d r o i d 需要编译出自己的字节码文件， 所以利用标准的e c l ，i p s e 开发的j a v a 应用程序不能运行在a n d r o i d 系统中。为 了解决这个问题，a n d r o i d 开发工具插件被开发出来，且被集成到e c l i p s e 环境 中。每个新建的应用程序都是一个a n d r o i d 项目。另外，还可以通过a n d r o i d 虚拟设备以及调试工具来辅助开发应用程序。利用集成环境开发的a n d r o i d 应用 程序，能够部署到a n d r o i d 手机开发平台上。 2 2 手机通讯 2 2 1g s m 网络 从g 1 和n e x u so n e 的功能中可以发现，两者都用到了g s m 网络。也正是通 过g s m 网络，手机设备间才能进行通讯。g s m 1 9 是g l o b a ls y s t e mf o rm o b il e c o m m u n i c a t i o n s 的简称，我们称他为全球移动通讯系统。利用全球移动通讯系 统，用户使用一台手机就可以在全球范围内活动。只要有信号覆盖，用户就能随 时随地与世界各地的人们进行通讯。这主要是因为g s m 提供了一系列的开放标准 和协议，并且能够被更好的部署在各种设备中。只要用户开通漫游服务，就能穿 梭在全球的各个g s m 子网中。 g s m 概要网络结构如图2 1 所示。g s m 系统分成三部分，分别为基站子系统， 网络和交换子系统也称核心网，g p r s 核心网。这三个部分具体涉及到的内容很 多，很复杂，而且其设备都是由运营商投资建设的。为此我们只需要了解它们的 作用，不妨把它们抽象成三朵云，或者说看成3 个黑盒。 基站子系统中，每个基站都有特定的信号覆盖范围。用户活动时，会在不同 的基站中穿梭。而基站子系统的作用就是切换手机终端与基站间的连接，维持无 燮塑燮 线信号传输的连续性。另一方面，基站子系统分析数据内容后，把数据路由到下 图2 1g s m 概要网络结构 一级目的地，如核心网、g p r s 心网、其他基站。核心网和g p r s 核心网是为了 对数据进行路由建立起来的。核心网管理移动电话和固定电话网络的通讯；g p r s 核心网管理移动电话和互联网络的通讯。 2 2 2 通讯协议 通讯时，数据从手机终端传输到基站，最后到达目标设备，其过程是由g s m 标准中的一系列通讯协议所控制的。这些协议规定了数据的组织方式，包括数据 内容的格式，封装字段的长度，字段中每一个数据位所代表的含义等等。随着数 据的流动，这些通讯协议层层叠加，形成了庞大而复杂的堆栈结构，我们称之为 通讯协议栈 2 0 。通讯协议栈遍布整个g s m 网络，它好比交通规则，指引着数据 在网络中传递。而文章的着重点在于智能操作系统平台上的通讯协议的应用。为 此，我们侧重研究手机终端a 在手机终端方面，通讯协议栈、数字信号和语音信号的处理都是由智能手机 的基带来实现。手机上的应用程序按照相关的协议和规范，处理用户提供的数据， 然后把满足要求的数据发送给基带。基带获取数据后，分析数据，并按照相关的 协议栈处理数据，最后发送给基站。下文将描述与上层应用相关的协议以及探 讨这牲协议在实现相关功能时的应用过程。 1 2 兰州大学硕士学位论文 2 2 3a t 命令规范 a t 命令集 2 1 是通讯协议实现的一种形式，每条命令都由“a t 开头。在 实际的通讯中，应用程序和基带的对话，就是通过a t 命令来完成的。例如，拨 打电话的时候，应用程序用a t 命令来控制基带建立通话链路。当有来电时，基 带会用a t 命令主动通知应用程序。3 g p p ( 第三代合作伙伴计划标准化机构) 公 布了用于控制g s m 手机的a t 命令标准文档3 g p pt s2 7 0 0 7 2 2 3 。然而在实际 的应用中，由于基带提供商的不同，a t 命令的实现形式可能有所不同。具体体 现在a t 命令的参数设置不同；针对自有产品的特性，提供扩展的a t 命令，完成 特定功能等等。为此，在应用a t 命令的时候，必须参考提供商的a t 命令文档。 a t 指令就是通讯协议的载体和应用。我们讨论的内容就是如何把数据封装 在a t 指令中，以及对a t 指令的操控，最后使得应用程序可以通过a t 指令进行 通话，发送接收短信息，手机上网等。 2 2 4 通话 语音信号的编码和解码在基带中已经实现。从软件的角度来说，应用程序只 需要根据当前通话所处于的状态，向基带发送不同的a t 命令，控制通讯流程。 而查询当前通话状态需要用到a t 命令a t + c l c c 。基带返回一组数据作为回应， 其中就有一个数据字段的值表示了通话状态，如通话中、通话保留、正在拨号、 来电、振铃、等待接听等。不管是拨号还是来电，在整个通话的过程中，应用程 序都应该周期性查询呼叫状态，根据状态的切换，改变应用程序的流程。 2 2 5 短信息服务 短信息服务 2 3 是g s m 系统中提供的一种便捷的通讯服务，用来传输文本信 息。手机终端间发送的短信息必须遵循标准的通讯协议，如3 g p pt s2 7 0 0 5 2 4 ， 才能够实现信息的互通。而短信息的互通还依赖于短信息服务中心。短信息服务 过程如图2 2 所示。短信发送后，先被保存在短信服务中心，然后服务中心发送 给目标终端。如果目标终端暂时不能接收，服务中心会按设定重发短信息。 短信息的常用编码模式有t e x t 模式和p d u 模式 2 5 。而在a n d r o i d 系统中 兰州大学硕士学位论文 手机终端短信服务手机终端 中心 图2 2 短信服务过程 用的是p d u 模式。为此文章中仅讨论p d u 模式。p d u 是指协议通讯单元，它规定 了数据中除了用户发送的信息外，应该包含的字段，而且规定字段中每个数据位 为0 或为l 所代表的意义。p d u 编码是十六进制的。从终端设备发送出去的p d u 编码包含了大量的信息，系统通过这些信息来完成短信息服务的全过程。 在通讯协议的实际应用中，短信息应用程序必须把用户输入的短信息进行 p d u 编码，补全其他字段的内容，利用a t 命令把数据发送给基带，然后基带与 短信服务中心进行交互。当获得短信息时，应用程序对数据进行解码，获取信息， 并显示给用户。 2 2 6 手机连接互联网络 g p r s ( 通用分组无线服务) 技术是一种分组交换数据处理技术 2 6 。使用 g p r s ，g s m 系统能够提供高效、稳定的连接，并且这种连接是端到端的、广域的 无线i p 连接。g p r s 通过分组的方式，让多个用户使用同一条信道。当用户需要 传输数据时，将会在时间片内占据整个信道。那么，用户就可以利用信道中所有 可用的带宽，获得高效、稳定的数据传输。 实现手机上网，比较常用的方法有两种。第一种是使用a t 命令来接入g p r s 网。基带的供应商会提供实现t c p i p 协议的a t 命令集，方便开发人员处理数据 流程。相关的a t 命令的组合，可以实现各种功能，如设置工作环境，建立和关 闭t c p 连接，建立和关闭u d p 连接，设置工作端口，获取i p 地址，传输数据， 检查连接状态等等。这种方法把工作过程分为命令模式和数据模式。当处理上网 业务时，要切换到数据模式，通话的时候要切换到命令模式。模式的不断切换， 要注意的情况很多很复杂，不利于实现应用程序与硬件的交互，而且还会影响效 率。 第二种方法是利用基带提供的多路复用功能 2 7 ，虚拟出多个通道。例如命 1 4 兰州大学硕士学位论文 令通道和数据通道。那么，通话和短信业务可以在命令通道中实现，数据通道处 理g p r s 上网的业务。两者互相独立，互不影响。上层应用不需要知道通道中的 数据如何被传输到基带，而响应的消息又是怎样分发到合适通道的。上层应用只 需要在对应的通道中进行读写就可以了。然而，在底层实现中，我们要根据相关 的协议，实现数据的传输和分发。另外，获得数据通道后，系统需要利用p p p 协议 2 8 和i p 协议来连接访问网络。 在实际的应用中，我们用到开源的点对点协议服务程序p p p d 与网络服务器 进行p p p 协商。协商成功后，可以获取i p 地址、域名服务器地址和网关地址等 信息。 1 5 兰州人学硕士学位论文 第3 章a n d r o i d 平台通讯架构 通过前面的介绍，读者应该对于手机g s m 网络有了一定的认识，了解了相关 的通讯协议，以及了解应用协议实现通讯功能的相关过程与方法。而我们最终的 目的是在a n d r o i d 平台中运用这些通讯协议，实现通话，短信服务，g p r s 上网 等功能。本章中，我们将会简单的阐述a n d r o i d 系统的架构，了解a n d r o i d 系统 的一些概念，然后详细的介绍a n d r o i d 开放的代码中勾勒出来的通讯架构。因为 a n d r o i d 中与通信相关的开放代码是针对模拟器来实现的，所以直接运用开源的 代码是不能在硬件平台上实现通讯功能。另一方面，由于a n d r o i d 没有考虑各种 硬件平台的接口资源，在实际应用中，可能会造成资源冲突。为此，我们将结合 硬件的特性，对架构进行适当的修改，提出新的通讯架构。 3 1a n d r o i d 架构简述 a n d r o i d 架构包括应用程序，中间件、l i n u x 内核。a n d r o i d 架构如图3 1 所示。应用程序的实现是基于j a v a 语言，但与标准的j a v am e 2 9 语言有不同。 这是因为a n d r o i d 有自己专用的j a v a 虚拟机，而且开发应用程序时必须用到 a n d r o i d 系统自带的j a v a 类库。在j a v am e 环境中生成的字节码是不能被a n d r o i d 系统的j a v a 虚拟机所解析。应用程序层包括两个部分，一是应用程序包，主要 负责与用户之间的交互，是程序的主体界面；另一个是应用程序框架，提供系统 中可用的所有应用程序接口。运用这些接口，应用程序可以访问硬件资源。 图3 1 p m d m i d 架构 中间件运行在应用程序和内核之间，是两者沟通的桥梁，支持各种标准协议 和接口，满足各种应用的需求。它主要包括各种系统函数库、a n d r o i d 的j a v a 1 6 虽囹 兰州人学硕士学位论文 虚拟机以及硬件抽象层。硬件抽象层与应用程序框架以及设备驱动相关联，实现 应用程序框架与设备驱动之间应用程序接口的转换。硬件抽象层以s o 动态库文 件的形式存在。 a n d r o i d 的l i n u x 内核掌管着存储器，进程管理，文件系统管理，系统安全， 网络堆栈等资源。然而，a n d r o i d 的l i n u x 内核是标准l i n u x 内核的变种。它为 了适应商业应用要求，把设备驱动从内核空间移动到用户空间，而且重写了内核 中的一些功能。 3 2a n d r o i d 通讯架构分析 3 2 1 架构描述 a n d r o i d 通讯架构是a n d r o i d 平台架构的子集，符合系统的设计思路。 a n d r o i d 通讯架构如图3 2 所示。 在a n d r o i d 的通讯中，主要用到的应用程序就是通话、短信息服务和数据业 务( g p r s 上网) 。通话应用程序提供拨号界面，通讯记录，电话本等。短信息服 务界面中显示了手机上存储的所有短信息，以及提供消息编写和发送操作的图形 界面。 在应用程序框架层，由通讯资源管理器( t e l e p h o n ym a n a g e r ) 管理所有的 通讯功能。g s m 通讯资源管理器是通讯资源管理器的子集，用来管理与g s m 网络 相关的电话功能。在这一层中，我们还需要应用各种通讯协议的规范，对数据进 行编码和解码。以短信息服务为例，用户在应用主界面中输入数据，发送短信息。 g s m 通讯资源管理器获取数据后，把目的地址、用户数据等信息按p d u 模式构造 数据包，然后发送给下一层。当g s m 通讯资源管理器从下层获取到消息时，它将 按照协议对消息进行解包，提取有用的信息，传输给应用程序，展示给用户。 另外，数据业务在应用程序层是以浏览器作为与用户交互的界面。当用户设 定启动g p r s 上网业务时，系统就会进行拨号，然后利用点到点协议服务程序与 网络服务器连接，获取i p 地址。最后浏览器就可以通过函数调用，访问内核， 利用t c p i p 网络协议栈，通过网络设备节点访问网络资源。 在硬件层，基带提供了一个通讯接口( 一般是串口) 作为与上层联系的通道。 1 7 兰州大学硕士学位论文 应用程序 应用程序框架 中间件( 无线接口 l i n u x 内核 硬件 通话短信息服务数据业务 j 口 通用通讯管理器 g s m 网络通讯管理器 丫 i l s o c k e t 弋， ；) 无线接口监控程序( d i d ) 硬件抽象层f i l s o n 1 c p 衄 p p p 1 | 晰t etr e a d 基带 图3 2a n d r o i d 通讯架构 上层应用通过调用l i n u x 内核的系统函数r e a d0 和w r i t e0 对串口读写，完成与 基带的通讯过程。 然而，在数据业务的实现中，a n d r o i d 不是采用a t 命令规范对数据进行封 装，而是采用读写基带的通讯接口的方法。但是，在通话和短信息服务的实现过 程中，系统已经把基带的通讯接口分配出去了，这样造成数据业务启动时，又需 要请求使用同一个串口，资源发生冲突。这个问题将在下文给出解决方案。 3 2 2 无线接口层 在a n d r o i d 的通信中，中间件部分又称为无线接口层。它是a n d r o i d 通讯架 构中的关键。这是因为无线接口层实现了对硬件基带的抽象，向上提供各种功能 的操作接口。无线接口层中各种功能的实现，实际上就是利用不同的a t 命令的 组合，对基带进行初始化配置，让它按照相关协议进行工作；另一方面，就是迸 1 8 兰州人学硕士学位论文 行数据的传输以及应用程序接口的转换。 无线接口层这一层是和硬件密切相关的，不同供应商提供的基带a t 指令的 规范存在差异，而且附带一些属于自有功能的a t 命令集合。为此，a n d r o i d 平 台仅仅针对标准a t 指令规范，构建了一个无线接口层。在实际的开发中，必须 要根据硬件平台重新改写。a n d r o i d 中的无线接口层结构如图3 3 所示。 g s m 网络通讯管理器 r i l j a v a s o c k e t 节 r i l d 上觚t i o nc a t r e s 印n 硬件抽象层r i l s o jlji s o l i c i t e du n s o l i c i t e d f e q u e s t r e s p n n r ej p s p o n 殴 1 r 串口 基带 图3 3 无线接口层的结构图 图3 3 中虚线部分为a n d r o i d 的无线接口层，它包括无线接口层监控程序 r i l d 以及通讯功能的硬件抽象层r i l s o ( 以下简称r i l ) 。无线接口层监控程序 是g s m 网络通讯管理器和r i l 沟通的桥梁。无线接口层监控程序通过s o c k e t 3 0 通讯方法与g s m 网络通讯管理器进行消息的发送和接收，巧妙地解决了进程间的 通讯的问题。s o c k e t 的服务器端在无线接口层监控程序中构建，客户端在g s m 网络通讯管理器中的r i l j a v a 文