基于IMS的双模智能手机的设计与实现

 摘要：双模智能手机是能利用CS域和IMS域进行通讯的移动终端设备。在分析采用的三种技术后，再从系统架构、硬件平台、软件平台，再到DMS进行设计，从而完成整个系统的设计，并结合实际使用的实物器件进行具体实现。 移动手机的出现，实现了人们之间随时随地沟通，也引发了社会信息化的变革。手机从出现到现在经过几个阶段的发展，由封闭式操作系统变成开放式操作系统，可以实现多种扩展功能应用。 智能手机(Smart Phone)是由摩托罗拉、诺基亚、三星等国际着名手机制造公司联合提出来的一种新型手机，它除了具备基本通话功能外，还具备了PDA的大部分功能，尤其是个人信息管理、上网浏览器和电子邮件功能。智能手机是具有开放式操作系统、较强功能的CPU、可以根据需求扩展硬件(如存储卡等)和软件功能(如游戏、办公软件等)的多任务手机。近年来，随着半导体技术的发展，使处理器能力的不断增强，现在的智能手机不再只是手机与PDA的简单组合，已经能实现很多电脑的性能和功能，包括高保真立体声效、3D图形效果、办公、DVD效果的视频播放、多媒体互联游戏、蓝牙、WiFi等。 随着智能手机功能性和实用性的增强，使用者越来越多，尤其适合"移动"商务人士使用。目前智能手机市场的竞争也很激烈，一方面诺基亚、摩托罗拉、三星等传统巨头想牢牢把握市场份额，另一方微软、苹果、谷歌等国际新巨头也开始进入手机市场。未来的智能手机不仅在处理器速率上会有明显提高，操作系统也会越来越开放和智能化，为软件运行和内容服务提供了更好的平台。随着3G通信时代的到来和IMS技术的逐渐成熟，通信效率和带宽将得到很大改善，手机多模接入必将成为一种趋势，基于3G手机的应用服务也会越来越丰富，更多增值业务可以就此展开，如商品、天气、新闻、股票、交通、应用程序下载等，因此厂商不再只关注智能手机，而是更加关心通信软件和内容服务，因此通信软件和移动互联网领域具有强大的市场潜力，诸如手机电视、手机搜索、手机网络游戏等领域将具有广阔的市场前景。

一、IMS、VCC和WIFI技术

1、IMS(IP多媒体子系统)

IMS(IP Multimedia Subsystem，IP多媒体子系统)是第三代移动通信核心网络的重要组成部分。是基于IP技术，融合Internet、移动网络、数据、语音、视频的网络体系[1].IMS的目标是融合Internet和移动通信网络。现在IMS已被定义为支持所有IP接入网的多媒体业务核心网，可以支持任何一种移动的或固定的、有线的或无线的IP- CAN(IP Connectivity Access Networks)，包括W- CDMA，CDMA2000，TD- SCDMA，Ethernet，xDSL以及WirelessLAN等接入方式，从而实现其接入的无关性。

IMS核心网主要采用SIP(Session Initiation Protocol)协议进行会话控制。通过IMS，3G(3rd Generation Mobile CommunicationsSystem)网络可以为用户提供PoC(Push to talk over Cellular，一键通)、多媒体会议、即时消息、Presence等多种业务。从网络架构上来看，IMS是叠加在原有电路域和分组域网络之上的网络，通过分组域实现信令和用户数据的承载，并可以实现和原有电路域的互通。

2、VCC(语音呼叫连续性)

无线局域网(WLAN)技术在近年来得到很大的发展，已经广泛用于办公区、家庭、通信热点地区等场合，用户完全可以通过WLAN接入IMS核心网，从而使用基于IMS的VoIP(Voiceover IP)电话服务。同时应该注意到以下两点：第一，CS域提供的话音业务是基本的收入来源，不可能立即停用，会与IMS网络共存较长的时间。第二，IMS虽然采用基于SIP的业务实现方式支持VoIP业务，但其语音质量难以得到保证。语音呼叫连续性(Voice Call Continuity，VCC)即是3GPP针对IMS域与CS域间语音呼叫连续性的解决方案。基于VCC业务，通过引入支持GSM/CDMA/UMTS和WLAN接入方式的双模或多模移动终端设备，用户可以在有WLAN覆盖的地区，通过WLAN方式接入IMS进行语音通话，当用户移出WLAN服务区后，又会漫游到移动蜂窝网络上继续进行语音通话，并且可以在两者之间进行无缝切换。

3、WIFI(无线保真技术)

WIFI，是IEEE 802.11网络规范的一种，最高带宽可达11 Mbps，根据实际情况，带宽可自动调整三种不同的带宽，分别为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps.带宽的自动调整性有效地保障了网络的稳定性和可靠性。具有"速度快、可靠性高"等特性。在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，且组网的成本更低。

WLAN(无线局域网)是由AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP称为网络桥接器或接入点，它是传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁或纽带，因此任何一台装有无线网卡的终端都可通过AP去分享有线局域网络或广域网络的资源，它的工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的终端设备。

二、软硬件架构体系设计

创建本智能手机的软硬件系统平台，需要基于IMS和VCC实现原理和具体功能需求来设计系统架构，下图是基于Linux和IMS的系统架构图。

基于IMS的系统架构图

在上图中，最上层是根据实际需求开发的一些应用程序，采用分层实现的机制，为每种业务设计实现了一个相应的业务引擎，这些业务引擎都是基于底层的一些网络协议栈(如SIP)和设备驱动程序来实现的具体业务模块。上图列举了三种业务引擎，可以根据具体需求进行调整。移动通信中的音频、视频等多媒体数据通过使用基于GStreamer(一个开源的多媒体框架库)的媒体播放工具来实现编解码工作。图中的IMS Core模块由一些公共的核心IMS API组成，以供具体业务引擎实现时进行调用。IMS SDK中的Driver层是在硬件设备驱动层的基础上又进行了一次抽象，以达到与所用操作系统和具体硬件设备无关的目的。 1、硬件平台设计

为设计与实现好整个智能手机，首先需要从用户的角度来考虑功能需求状况，同时注意其开发成本。一般而言，智能手机的硬件平台须从两部分考虑，即处理器和外设。

智能手机比普通手机有更高的性能，是因为所采用的核心处理器的不同。普通手机所选用的处理器的运行频率不过几十MHz、最多也只一百多MHz，这种处理器处理基本语音功能还可以，但在处理图像视频等多媒体数据时性能就远不够。可用于手机处理器有：三星的ARM系列、TI的OMAP系列、INTEL的XSCAL系列等。

随着智能手机的发展，需要有更高性能的嵌入式微处理器。

本智能手机选用了Intel公司的基于XScale架构的PXA270高性能嵌入式处理器，其最高主频可达624MHz，支持无线多媒体指令集扩展(Wireless MMX)，允许PXA270以较低的时钟频率实现增强的多媒体性能。该处理器提供了非常丰富的外设接口，如LCD、音频、USB、I2C、SD/MMC、CF、蓝牙、WiFi、数码相机、键盘等接口[7].PXA270处理器中采用了Wireless MMX和SpeedStep两项Intel专利技术，进一步将高性能计算和动态电源管理技术相结合，使得该处理器与其他同类芯片相比，在多媒体处理能力和功耗方面有着非常大的优势。

在选用传统通信模块也有多种选择，本智能手机系统选用了Philips的Sysol- 3通信模块，该模块包含了基带芯片、RF射频芯片组、Combo Flash芯片以及GSM/GPRS终端所需的全部软件功能。Sysol- 3有着完善的功能和稳定的性能，此外还具有非常小的外形尺寸和非常轻的重量，能够满足智能手机、数码通信设备等无线终端设备的薄、轻、小巧的需求。

现在流行的无线网卡接口主要有两种，一种是基于标准PCMCIA接口，另一种是基于USB接口。因为Intel Xscale PXA270处理器内部集成了双通道16位PCMCIA PC Card/CF控制器，支持8位/16位I/O模式和Memory模式的访问。所以我们采用PCMCIA接口来扩展88W8686无线网卡。 2、软件平台设计

在设计好智能手机的硬件开发平台后，下面需要根据硬件平台设计软件开发平台。系统的Bootloader通过编译移植u- boot来实现，它对PXA270处理器有较好的支持。然后移植相应硬件设备的驱动程序，配置和裁减Linux内核，完成对Linux的交叉编译[8].至于根文件系统，采用Busybox工具进行编译生成，并使用mkfs.jffs2工具创建JFFS2类型的文件系统映象。最后逐一将u- boot、Linux内核及文件系统映象烧写到Flash中进行测试运行。 3、DMS SKD层的设计

关于DMS(Dual Mode Services)SDK层，终端研发人员既可以自己设计实现，也可以通过购买使用第三方提供的SDK解决方案，诸如PicoMobile和Ecrio等公司就提供此类方案。SDK的设计既需要满足本系统的功能要求，同时也要满足模块化、简约化的要求，从而方便日后进行新功能的扩展与集成。SDK层的工作主要是基于SIP协议、IMS通信的信令流程、GSM通话信令来进行设计与实现。与通话有关的API的实现过程主要是基于SIP协议通过发送或接收相应的SIP信令来实现与服务器的交互，与硬件有关的API主要是通过调用相关驱动程序来实现。以上主要实现了与电话业务相关的功能，根据业务的需要，还可以在此基础上对SDK进行扩展。 4、DMS后台服务设计

DMS Daemon Service，即DMS后台服务程序，是与DMSSDK层(主要是VCC Engine)交互的主体部分，它的实现工作主要是基于Qtopia把DMS SDK层提供的API封装成可供上层应用调用的公共接口。

其中DMSDaemon是整体后台服务类;DMSTelephonyService负责实现电话相关的功能接口;IMSControlService用于响应上层控制程序的IMS服务请求;一切与底层DMS SDK子系统有关的调用由DMSLayer来完成。 三、WIFI驱动程序设计

同有线网络一样，接入无线局域网需要网卡设备，目前WLAN网卡常用的接口有PCI、USB、PCMCIA和CF卡接口，嵌入式系统常用的WLAN网卡接口一般有PCMCIA、USB和CF卡接口，其中PCMCIA和CF卡接口逻辑类似，在本系统的硬件设计中，采用PCMCIA接口扩展成WLAN接口，接入WiFi无线网卡。因此如果想要使用无线网卡，需要实现Linux下PCMCIA接口的驱动程序和具体无线网卡设备的驱动程序。Linux内核对常用的无线局域网卡的支持都很好，通过内核配置时选择Networkdevice supportàWireless LAN，实现对无线网络的支持，因此无线网卡的驱动程序移植比较简单。

随着IMS标准的不断补充与完善，对VCC标准也会不断完善和扩充，势必也会有更多的基于IMS的业务。同时有更多种接入方式的功能强大的智能手机终端，从而真正的实现任一时间、任一地点、任一设备地访问网络，使用网络更加方便，以便更好的实现移动办公。