基于IMS的雙模智能手機的設計與實現(xiàn)

摘要：雙模智能手機是能利用CS域和IMS域進行通訊的移動終端設備。在分析采用的三種技術后，再從系統(tǒng)架構、硬件平臺、軟件平臺，再到DMS進行設計，從而完成整個系統(tǒng)的設計，并結合實際使用的實物器件進行具體實現(xiàn)。 移動手機的出現(xiàn)，實現(xiàn)了人們之間隨時隨地溝通，也引發(fā)了社會信息化的變革。手機從出現(xiàn)到現(xiàn)在經過幾個階段的發(fā)展，由封閉式操作系統(tǒng)變成開放式操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多種擴展功能應用。 智能手機(Smart Phone)是由摩托羅拉、諾基亞、三星等國際著名手機制造公司聯(lián)合提出來的一種新型手機，它除了具備基本通話功能外，還具備了PDA的大部分功能，尤其是個人信息管理、上網瀏覽器和電子郵件功能。智能手機是具有開放式操作系統(tǒng)、較強功能的CPU、可以根據(jù)需求擴展硬件(如存儲卡等)和軟件功能(如游戲、辦公軟件等)的多任務手機。近年來，隨著半導體技術的發(fā)展，使處理器能力的不斷增強，現(xiàn)在的智能手機不再只是手機與PDA的簡單組合，已經能實現(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、藍牙、WiFi等。 隨著智能手機功能性和實用性的增強，使用者越來越多，尤其適合移動商務人士使用。目前智能手機市場的競爭也很激烈，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份額，另一方微軟、蘋果、谷歌等國際新巨頭也開始進入手機市場。未來的智能手機不僅在處理器速率上會有明顯提高，操作系統(tǒng)也會越來越開放和智能化，為軟件運行和內容服務提供了更好的平臺。隨著3G通信時代的到來和IMS技術的逐漸成熟，通信效率和帶寬將得到很大改善，手機多模接入必將成為一種趨勢，基于3G手機的應用服務也會越來越豐富，更多增值業(yè)務可以就此展開，如商品、天氣、新聞、股票、交通、應用程序下載等，因此廠商不再只關注智能手機，而是更加關心通信軟件和內容服務，因此通信軟件和移動互聯(lián)網領域具有強大的市場潛力，諸如手機電視、手機搜索、手機網絡游戲等領域將具有廣闊的市場前景。

一、IMS、VCC和WIFI技術

1、IMS(IP多媒體子系統(tǒng))

IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng))是第三代移動通信核心網絡的重要組成部分。是基于IP技術，融合Internet、移動網絡、數(shù)據(jù)、語音、視頻的網絡體系[1].IMS的目標是融合Internet和移動通信網絡。現(xiàn)在IMS已被定義為支持所有IP接入網的多媒體業(yè)務核心網，可以支持任何一種移動的或固定的、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，從而實現(xiàn)其接入的無關性。

IMS核心網主要采用SIP(Session Initiation Protocol)協(xié)議進行會話控制。通過IMS，3G(3rd Generation Mobile CommunicationsSystem)網絡可以為用戶提供PoC(Push to talk over Cellular，一鍵通)、多媒體會議、即時消息、Presence等多種業(yè)務。從網絡架構上來看，IMS是疊加在原有電路域和分組域網絡之上的網絡，通過分組域實現(xiàn)信令和用戶數(shù)據(jù)的承載，并可以實現(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(WLAN)技術在近年來得到很大的發(fā)展，已經廣泛用于辦公區(qū)、家庭、通信熱點地區(qū)等場合，用戶完全可以通過WLAN接入IMS核心網，從而使用基于IMS的VoIP(Voiceover IP)電話服務。同時應該注意到以下兩點：第一，CS域提供的話音業(yè)務是基本的收入來源，不可能立即停用，會與IMS網絡共存較長的時間。第二，IMS雖然采用基于SIP的業(yè)務實現(xiàn)方式支持VoIP業(yè)務，但其語音質量難以得到保證。語音呼叫連續(xù)性(Voice Call Continuity，VCC)即是3GPP針對IMS域與CS域間語音呼叫連續(xù)性的解決方案?；赩CC業(yè)務，通過引入支持GSM/CDMA/UMTS和WLAN接入方式的雙?；蚨嗄Ｒ苿咏K端設備，用戶可以在有WLAN覆蓋的地區(qū)，通過WLAN方式接入IMS進行語音通話，當用戶移出WLAN服務區(qū)后，又會漫游到移動蜂窩網絡上繼續(xù)進行語音通話，并且可以在兩者之間進行無縫切換。

3、WIFI(無線保真技術)

WIFI，是IEEE 802.11網絡規(guī)范的一種，最高帶寬可達11 Mbps，根據(jù)實際情況，帶寬可自動調整三種不同的帶寬，分別為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps.帶寬的自動調整性有效地保障了網絡的穩(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)有的有線以太網絡整合，且組網的成本更低。

WLAN(無線局域網)是由AP(Access Point)和無線網卡組成的無線網絡。AP稱為網絡橋接器或接入點，它是傳統(tǒng)的有線局域網絡與無線局域網絡之間的橋梁或紐帶，因此任何一臺裝有無線網卡的終端都可通過AP去分享有線局域網絡或廣域網絡的資源，它的工作原理相當于一個內置無線發(fā)射器的HUB或者是路由，而無線網卡則是負責接收由AP所發(fā)射信號的終端設備。

二、軟硬件架構體系設計

創(chuàng)建本智能手機的軟硬件系統(tǒng)平臺，需要基于IMS和VCC實現(xiàn)原理和具體功能需求來設計系統(tǒng)架構，下圖是基于Linux和IMS的系統(tǒng)架構圖。

基于IMS的系統(tǒng)架構圖

在上圖中，最上層是根據(jù)實際需求開發(fā)的一些應用程序，采用分層實現(xiàn)的機制，為每種業(yè)務設計實現(xiàn)了一個相應的業(yè)務引擎，這些業(yè)務引擎都是基于底層的一些網絡協(xié)議棧(如SIP)和設備驅動程序來實現(xiàn)的具體業(yè)務模塊。上圖列舉了三種業(yè)務引擎，可以根據(jù)具體需求進行調整。移動通信中的音頻、視頻等多媒體數(shù)據(jù)通過使用基于GStreamer(一個開源的多媒體框架庫)的媒體播放工具來實現(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)務引擎實現(xiàn)時進行調用。IMS SDK中的Driver層是在硬件設備驅動層的基礎上又進行了一次抽象，以達到與所用操作系統(tǒng)和具體硬件設備無關的目的。 1、硬件平臺設計

為設計與實現(xiàn)好整個智能手機，首先需要從用戶的角度來考慮功能需求狀況，同時注意其開發(fā)成本。一般而言，智能手機的硬件平臺須從兩部分考慮，即處理器和外設。

智能手機比普通手機有更高的性能，是因為所采用的核心處理器的不同。普通手機所選用的處理器的運行頻率不過幾十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)時性能就遠不夠?？捎糜谑謾C處理器有：三星的ARM系列、TI的OMAP系列、INTEL的XSCAL系列等。

隨著智能手機的發(fā)展，需要有更高性能的嵌入式微處理器。

本智能手機選用了Intel公司的基于XScale架構的PXA270高性能嵌入式處理器，其最高主頻可達624MHz，支持無線多媒體指令集擴展(Wireless MMX)，允許PXA270以較低的時鐘頻率實現(xiàn)增強的多媒體性能。該處理器提供了非常豐富的外設接口，如LCD、音頻、USB、I2C、SD/MMC、CF、藍牙、WiFi、數(shù)碼相機、鍵盤等接口[7].PXA270處理器中采用了Wireless MMX和SpeedStep兩項Intel專利技術，進一步將高性能計算和動態(tài)電源管理技術相結合，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。

在選用傳統(tǒng)通信模塊也有多種選擇，本智能手機系統(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、數(shù)碼通信設備等無線終端設備的薄、輕、小巧的需求。

現(xiàn)在流行的無線網卡接口主要有兩種，一種是基于標準PCMCIA接口，另一種是基于USB接口。因為Intel Xscale PXA270處理器內部集成了雙通道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接口來擴展88W8686無線網卡。 2、軟件平臺設計

在設計好智能手機的硬件開發(fā)平臺后，下面需要根據(jù)硬件平臺設計軟件開發(fā)平臺。系統(tǒng)的Bootloader通過編譯移植u- boot來實現(xiàn)，它對PXA270處理器有較好的支持。然后移植相應硬件設備的驅動程序，配置和裁減Linux內核，完成對Linux的交叉編譯[8].至于根文件系統(tǒng)，采用Busybox工具進行編譯生成，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內核及文件系統(tǒng)映象燒寫到Flash中進行測試運行。 3、DMS SKD層的設計

關于DMS(Dual Mode Services)SDK層，終端研發(fā)人員既可以自己設計實現(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的設計既需要滿足本系統(tǒng)的功能要求，同時也要滿足模塊化、簡約化的要求，從而方便日后進行新功能的擴展與集成。SDK層的工作主要是基于SIP協(xié)議、IMS通信的信令流程、GSM通話信令來進行設計與實現(xiàn)。與通話有關的API的實現(xiàn)過程主要是基于SIP協(xié)議通過發(fā)送或接收相應的SIP信令來實現(xiàn)與服務器的交互，與硬件有關的API主要是通過調用相關驅動程序來實現(xiàn)。以上主要實現(xiàn)了與電話業(yè)務相關的功能，根據(jù)業(yè)務的需要，還可以在此基礎上對SDK進行擴展。 4、DMS后臺服務設計

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

其中DMSDaemon是整體后臺服務類;DMSTelephonyService負責實現(xiàn)電話相關的功能接口;IMSControlService用于響應上層控制程序的IMS服務請求;一切與底層DMS SDK子系統(tǒng)有關的調用由DMSLayer來完成。 三、WIFI驅動程序設計

同有線網絡一樣，接入無線局域網需要網卡設備，目前WLAN網卡常用的接口有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)的硬件設計中，采用PCMCIA接口擴展成WLAN接口，接入WiFi無線網卡。因此如果想要使用無線網卡，需要實現(xiàn)Linux下PCMCIA接口的驅動程序和具體無線網卡設備的驅動程序。Linux內核對常用的無線局域網卡的支持都很好，通過內核配置時選擇Networkdevice supportàWireless LAN，實現(xiàn)對無線網絡的支持，因此無線網卡的驅動程序移植比較簡單。

隨著IMS標準的不斷補充與完善，對VCC標準也會不斷完善和擴充，勢必也會有更多的基于IMS的業(yè)務。同時有更多種接入方式的功能強大的智能手機終端，從而真正的實現(xiàn)任一時間、任一地點、任一設備地訪問網絡，使用網絡更加方便，以便更好的實現(xiàn)移動辦公。