基于Android的手机通讯协议应用研究与实现.doc

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1、基于Android的手机通讯协议应用研究与实现 兰州大学 硕士学位论文 基于Android的手机通讯协议应用研究与实现 姓名：黄星文 申请学位级别：硕士 专业：计算机软件与理论 指导教师：周庆国 20100501 兰州人学硕士学位论文 摘要 Android平台是当前智能手机领域的研究热点。本论文以Android平台为研 究基础，讨论如何在实际硬件中实现Android的通讯功能，包括通话、短信息服 务、GPRS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 Android的通讯应用程序框架，应用这些协议或标准，

2、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Android通讯架构的特点，GPRS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AT命令集，短信息服务规范，点对点协议等标准和协议，修改 Android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

3、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GPRS数据业务等。 关键字：Android，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 AB STRACT isthehot inthefieldofsmart on Currently,Androidplatform point phoneBased Android thesisdiscussesthe ofAndroidcommunication platform，this implementation functionswithreal d

4、ata service，GPRS hardware，includingdialing，shortmessage services，etcThe ofcommunicationfunctionsis relatedwith implementation closely mobile communicationandvariouscommunicationstandardsInthis phone protocols inmobile bcresearchedAndit thesis，communication terminal，will protocols，used will thecommun

5、ication the orstandardsand implement functions，byusingprotocols the ofAndroid framework takingadvantage telephonyapplication Inthe oneserialisusedasacommunication experimentalenvironment，onlyport channelforthecommunicationbetweenbaseband andmobile processor phone thefeatureofAndroid data operatingsy

6、stemFor telephonyframework，GPRS serviceswouldnot thehardware resourcetoworkSoitwouldcauseresources get conflictTosolvethat takesthe of and problem，it advantagemultiplexingprotocol somevirtualdatalinkchannelsAndanew radiointerface produces multiplexing isconstructedthosevirtualdatalinkchannelsThe rad

7、io layer using multiplexing interfaceisto thecommunicationbetweenhardwareand layer complete applications Itis ahardwareabstractionthe and actually layerInimplementation，manyprotocols AT standardswillbe as command service used，such set，short messagespecification， and to totheabove and the point thefe

8、atureof point protoc01Accordingprotocols baseband will the processor,theimplementationmodifytelephonyapplication the radiointerface asto the framework，and improvemultiplexing layerSOcomplete communicationbetweenthebaseband and the processor systemThesystem validationshowsthatthe the inthis phone，mad

9、eby way thesis，workscorrectly,and canmake SMSandhandleGPRSdataservices calls，receivecalls，sendSMS，receive le Keywords：Android，MobiPhone，CommunicationProtocols， RadioInterface Function Layer，Multiplexing，Communication 2 兰州入学硕士学位论文 第1章绪论 11研究背景 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GSM数字通讯网络与模拟网共存的阶

10、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GPRS上网 业务，FM调频广播，彩信，以及一些Java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

11、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USB、GPS等先进功能。 另外，在运行Java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。 Mobile、 目前，在智能手机

12、上运行的操作系统主要有：微软的Windows Windows CE，诺基亚的Symbian 的Android。 市场研究公司Canalys2010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。2009年SymbianOS拥有市 场份额的472，黑莓占了208个百分点，Apple占有151，微软拥有88， 5 兰州大学硕十学位论文 数据显示，短短的一年间，Android的市场占有率就增长了42个百分点。由此 可见，Android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 Android的开发中。 Handset 联盟的名义发布的。 与市场中的其

13、他智能手机操作系统比较，Android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 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Android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，Android提供了一套免费的软件开发 工具 Softwaredevelopmentkit ，而且与Android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

14、用户体验的软件。对于手机用户，功能强大、时尚的基于Android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 人物。 智能手机的核心在于操作系统。在Android问世之前，市面上智能手机的操 Mobi 作系统，诸如微软的Windowsle，WindowsCE，苹果的iPhone，诺基亚的 Symbian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，Android无疑是国产手机在智能手机领域内的一个重要

15、的突 6 兰州大学硕士学位论文 破口。Android的开放性将推动智能手机在中国的快速发展。通过对Android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Android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Android 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Android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

16、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。 12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，

17、 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-mail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Android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

18、们不仅要解析通讯的过程，还要根据特定硬件的属性，构建Android 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。 13文章结构 Android作为智能操作系统的新贵，其发展历史很短暂。从2007年11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，Android迅猛发 展，国内外众多公司都在研究和开发Android产品。而本文主要是对Android 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Android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

19、，并 较粗略地描述协议的应用过程。 Android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，Android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Android开发的时候，就是以高通的芯 片作为基准的。由HTC制造的，首款Android智能手机，T-mobileG18就是采 用高通的芯片。而Google发布的自主品牌NexusOne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Android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

20、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Android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、GPRS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Android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，Android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 21Android平台介绍 在全

21、球范围内，截止2009年底，Android手机开发平台至少被装备到18款 le One手机比T-mobiG1手机强大很 手机中10。Google新研发出来的Nexus 多。NexusOne装备了更快的ARM处理器，更清晰的摄像头，蓝牙和WiFi11 的功能有很大的改进，且具有GPS12功能。我们可以看到，Android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Android平台中。 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。 211 Android平台的特征 Android系统是智能手机的平台，功能强大，其主要特征3如下： 1组

22、件的重用和替代。 在Android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Android系统中的应用程序，在遵循Android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Android应用程序可以调用该 功能模块。 2Android系统专有的Java虚拟机Dalvik14。 有所不同。Dalvik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Android中运行的应用程序， 必须编译成Android的字节码文件，由Dalvik解释执行。 3集成的浏览器。 Webkit的代码简洁，结构合理，有利

23、于开发。另外Webkit浏览器引擎优点明显， 消耗很少的内存资源，运行效率高。Webkit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 42D、3D图形库。 Android系统中提供了2D和3D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SQLite数据库存储数据。 SQLite1617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，SQLite数据库提供了一个独立的程序sqlite来

24、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。SQLite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，SQLite提供重试功能。在Android 系统中，每个应用程序在运行的过程中都可以创建和访问SQLite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， SQLite是优良的选择。 6支持多媒体技术。 Android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JPG、GIF、PNG等；提供了应用程序接口，处理各种常用格式的音频和视 频，

25、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 Android系统中的应用，为Android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。 熟，应用最广泛的标准。世界上绝大多数的手机都是使用GSM网络。从用户的角 度来说，GSM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，GSM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GSM网络，可以节省成本。文章将在下文继续深入探讨GSM网络以及在GSM 标准中的通讯协议。 8支持

26、蓝牙、W卜Fi、摄像头、GPS等多种时尚应用。 10 兰州人学硕士学位论文 Android针对GPS、摄像头、Wi-Fi、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 Android提供的应用程序接口实现与上层应用程序的交互。 9Google提供了充足简便的开发工具。 应用程序都是用Java来开发的。由于Android需要编译出自己的字节码文件， 了解决这个问题，Android开发工具插件被开发出来，且被集成到Eclipse环境 中。每个新建的应用程序都是一个Andr

27、oid项目。另外，还可以通过Android 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Android应用 程序，能够部署到Android手机开发平台上。 22手机通讯 221 GSM网络 从G1和NexusOne的功能中可以发现，两者都用到了GSM网络。也正是通 forMobile 过GSM网络，手机设备间才能进行通讯。GSM19是Global System Communications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GSM提供了一系列的开

28、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GSM子网中。 GSM概要网络结构如图21所示。GSM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，GPRS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

29、 GSM概要网络结构 图21 心网、其他基站。核心网和GPRs核心网是为了 一级目的地，如核心网、GPRS 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；GPRs 核心网管理移动电话和互联网络的通讯。 222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GsM 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20。通讯协议栈遍布整个GsM网络，它好比交通规则，指引着数据 在

30、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。 12 兰州大学硕士学位论文 223 AT命令规范 AT命令集21是通讯协议实现的一种形式，每条命令都由“AT开头。在 实际的通讯中，应用程序和基带的对话，就是通过AT命令来完成的

31、。例如，拨 打电话的时候，应用程序用AT命令来控制基带建立通话链路。当有来电时，基 带会用AT命令主动通知应用程序。3GPP 第三代合作伙伴计划标准化机构 公 TS 布了用于控制GSM手机的AT命令标准文档3GPP27007223。然而在实际 的应用中，由于基带提供商的不同，AT命令的实现形式可能有所不同。具体体 现在AT命令的参数设置不同；针对自有产品的特性，提供扩展的AT命令，完成 特定功能等等。为此，在应用AT命令的时候，必须参考提供商的AT命令文档。 AT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AT指令中，以及对AT指令的操控，最后使得应用程序可以通过AT指令

32、进行 通话，发送接收短信息，手机上网等。 224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AT命令，控制通讯流程。 而查询当前通话状态需要用到AT命令AT+CLCC。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。 225短信息服务 短信息服务23是GSM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

33、遵循标准的通讯协议，如3GPPTS2700524， 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22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。 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22短信服务过程 用的是PDU模式。为此文章中仅讨论PDU模式。PDU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。PDU编码是十六进制的。从终端设备发送出去的PDU 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