一种多模通信手机的重构实现

李庆源

【摘 要】随着无线通信技术的发展，公用移动通信网络和专用集群网等多种网络交叉覆盖，形成异构通信网络。因此，研究一种在异构通信网络下的多模通信手机具有实际的应用需求。以Android系统为平台，将3G模组和dPMR模组集成一体，实现一个手机对两种模组的接入控制和切换，实现多模话音和短信业务。在异构网络环境下进行测试，测试结果表明该多模手机能满足异构网络下网络融合的要求，符合预期设计目标。

【关键词】多模通信 dPMR 模式重构

1 引言

目前，随着无线通信技术的不断发展，3G/4G网络大规模商用，但同时空区域内存在多个专用无线网络交叉覆盖，未来将长时间存在时空区域内异构网络的共存[1]。

异构网络是指两个或以上的无线通信网络采用了不同的接入技术，或者是采用相同的无线接入技术但属于不同的无线运营商。异构网络之间缺少信息共享与交流机制，使得网络之间相对独立，同个区域重复建设覆盖，网络间相互干扰[1]。现有的多种无线通信系统，通过融合的方式，使系统间取长补短是满足未来移动通信需求的一种有效手段，能够综合发挥各自的优势。利用多模手机智能化的接入手段，使多种不同类型的网络共同为用户提供随时随地的无线接入，由于多模手机接入到多个网络中，因此涉及到不同网络之间的垂直切换[6]。

因此研究异构网络间融合，实现资源有效管控，是未来无线通信的必然趋势。所以研究一种多模通信手机，在民用移动蜂窝网与专用集群网等异构网络下的重构、网络垂直切换[1]和实现话音短信基础业务具有实际应用价值。

本文阐述的多模手机的重构，是指在模块化、开放化硬件平台上，通过软件重新配置、加载新波形或新协议，实现多种工作频段和多种通信协议的功能。本文主要研究在硬件上可配置的无线收发器、可配置的模拟基带和可重构天线之间的实现，软件上实现基于IEEE1900.4关于异构网络架构标准的重构以及多模平台与Android系统的集成。

2 多模手机的系统设计

本文对多模手机的重构主要研究民用蜂窝网和专用集群网等网络的重构，因此在民用蜂窝网中选择典型WCDMA网络，在专用集群网中选择dPMR数字对讲网络。多模手机的实现平台选择Android手机平台，操作系统选择Android手机操作系统。

2.1 多模手机的硬件架构

多模手机的硬件架构如图1所示，以TI-AM3359为核心处理器，通过USB和UART异步串口与WCDMA模组连接[2]。核心处理器通过SPI接口与FPGA数字基带连接，FPGA作为dPMR数字基带通过HPI接口与dPMR协议处理器连接，FPGA数字基带通过SPI接口与dPMR信道处理器连接。

2.2 多模手机的软件架构

多模手机的软件架构如图2所示，在底层驱动中实现dPMR驱动、WCDMA驱动等硬件驱动，完成多协议间统一转换[2]。驱动层统一为操作系统层提供硬件抽象操作接口。操作系统层封装硬件驱动接口，实现应用业务操作接口。应用层调用应用业务操作接口实现无线资源管控、话音和短信业务。

3 多模手机的重构思路

多模手机重构是指在模块化、开放化硬件平台上，通过软件重新配置、加载新波形或新协议，实现多种工作频段和多种通信协议的功能。重构需要解决的问题有：（1）无线资源管控包括异构网络的接入控制，网络切换，信道分配，功率控制等；（2）网络接入算法[9]。

3.1 重构功能架构

根据文献[7]和文献[8]的介绍，IEEE1900.4定义的异构无线网络的整体架构和用户端与网络端信息交互接口的架构[5]，多模手机重构功能架构如图3所示，其分为手机重构控制器（TRC）、手机重构管理器（TRM）和手机测量收集器（TMC）。TRM负责网络模式重配置决策，TMC负责用户手机网络环境信息的收集和存储，TRC负责接收TRM决策策略，执行决策命令[5]。

图3 重构功能架构图

3.2 重构功能流程

多模手机重构流程如图4所示，当上层协议发出手机模式重构请求时，测量收集器负责采集手机环境网络信息，将网络信息发送给重构管理器；重构管理器分析环境网络信息和无线资源选择策略，评估频谱使用，做出无线资源选择策略，将重构策略发送给重构控制器；重构控制器接收重构策略，实现手机网络模式重构。

4 多模手机的平台集成

多模手机实现平台为Android手机平台，Android手机操作系统框架如图5所示，自顶向下分为应用层、应用框架层、RIL电话层、硬件抽象层、内核层[3-4]。

将WCDMA模组、dPMR模组两种驱动加入手机平台内核。按照GSM标准将两种驱动接口封装成AT指令标准，为硬件抽象层提供硬件操作接口。RIL电话层调用硬件抽象层接口實现完整GSM标准AT指令集[3-4]。应用框架层实现RIL电话层的状态和控制，作为应用层与RIL层的传输中介和接口协议转换。应用层为用户提供人机交互界面，实现网络重构、网络资源管控和话音短信业务。

多模手机人机交互界面如图6所示，给用户提供实现多模手机重构和业务功能的选择。在异构网络下，用户从WCDMA网络和dPMR网络中选择网络模式，接入和切换网络。用户对多模手机无线网络资源进行管理控制，对频率和功率进行设置，实现该网络模式下话音和短信业务。

图6 多模手机人机交互界面

5 多模手机测试

多模手机样机完成后，搭建了测试环境和测试平台，具体如图7所示。依据《基于可重构通信技术的软件化手机技术检验测试大纲》对多模手机进行测试，测试项目包括：（1）频率覆盖范围和信道占用带宽；（2）通信功能。

图7 测试环境和测试平台

测试多模手机在300 MHz—1 950 MHz频率范围内选取典型频率，测试其发射频率和频率容差，测试结果如表1所示：endprint

對多模手机的通话功能进行测试，异构网络测试环境如图8所示，测试其网络模式切换、通话和短信功能。将多模手机设置到dPMR模式，发送短信5次以上，语音呼叫保持1分钟，并重拨5次以上验证。将多模手机设置到3G模式，发送短信5次以上，语音呼叫保持1分钟，并重拨5次以上进行验证。多模手机通信功能部分测试结果如表2所示。

6 结束语

多模手机通过第三方测试，出具了测试报告（编号E201609263565-1），证明了多模手机在异构网络下，实现了对网络模式重构和网络资源的管理控制，实现了WCDMA和dPMR两种网络模式下的接入控制、模式切换，在该模式下进行话音和短信基础业务，达到预期设计要求，具有一定的工程实践价值。

参考文献：

[1] 朱延. 基于一种有效重构策略的多模终端的设计与实现[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2013.

[2] 谷丰，袁超伟. 一种多模通信终端的设计与实现[Z]. 2014.

[3] 郭霖. 第一行代码（Android）[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2014.

[4] 宋小青，周东升. 基于Android平台的应用开发研究[J]. 软件导刊， 2011，10（2）： 104-106.

[5] 曾业. 基于IEEE1900.4无线资源管理的研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2010.

[6] Mark Stemm， Randy H Katz. Vertical handoffs in wireless overlay networks[J]. Mobile Networks & Applications， 1998，3（4）： 335-350.

[7] Song Qingyang， Jamalipour. Network selection in an integrated wireless LAN and UMTS environment using mathematical modeling and computing techniques[J]. IEEE Wireless Communications， 2005，12（3）： 42-48.

[8] Buljore， Harada. Architecture and enablers for optimized radio resource usage in the heterogeneous wireless access networks： The IEEE1900.4 Working Group[J]. IEEE Communications Magazine， 2009： 122-129.

[9] LI Jun， Song Mei. General Beyond 3G Multi-Radio Access Architecture[J]. Journal of Wuhan University， 2005.★endprint