多模通信終端操作系統(tǒng)關鍵技術的設計與實現(xiàn)

麥秀青　王千　陸平　徐冬晨　張晨

關鍵詞：多模通信；國產(chǎn)操作系統(tǒng)；YROS；HTML5 技術

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8228（2023）11-141-05

0 引言

隨著通信技術的不斷發(fā)展，移動終端的通信模式變得非常復雜多樣。不同的無線通信技術[1]各有優(yōu)缺點且制式差異較大，能綜合各種不同通信制式優(yōu)點的多模通信是必然趨勢。由于波形廠商意見不統(tǒng)一、波形標準進展緩慢等問題，給多模通信終端操作系統(tǒng)適配帶來了很大的挑戰(zhàn)。

本文提出了一種多模通信終端操作系統(tǒng)的關鍵技術實現(xiàn)方案，該方案集成了天通通信[2]、LTE[3]和自組網(wǎng)[4]通信模塊，針對多模通信終端的融合通信需求，基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)YROS（銀河銳華終端操作系統(tǒng)）平臺實現(xiàn)了多模融合通信框架，通過對通信模塊的抽象化，忽略了不同通信模塊在工作方式上的差異，保證了模塊間的協(xié)同工作以及平滑切換。對上層應用形成統(tǒng)一、共享的HTML5 應用軟件接口，對下層通過集成不同波形廠家定制SDK，對天通通信、LTE 和自組網(wǎng)的通信協(xié)議進行軟件適配，并與多模通信層的通信模塊進行集成，來實現(xiàn)基于多模通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力，采用統(tǒng)一的通信框架從而滿足了不同架構、不同體制通信波形之間的融合通信設計需求。

1 多模融合通信框架

國內(nèi)移動通信操作系統(tǒng)[5]絕大多數(shù)由Android 定制[6]而成。Android 源代碼開放，應用開發(fā)更加自如，開發(fā)者可以有更大的設計權限，但Android 系統(tǒng)的升級要通過終端廠家，導致系統(tǒng)升級緩慢，新版本不能很快得到推廣，同時還存在知識產(chǎn)權和安全后門風險。

國產(chǎn)操作系統(tǒng)YROS 是由中國電子科技集團公司第32 研究所與中國人民解放軍國防科技大學聯(lián)合研制的智能移動操作系統(tǒng)，其主要技術路徑和TDOS、OpenHarmony 大致相同，均為Linux+HTML5 路線，但是采用更加開放的Gecko 引擎，由Mozilla 基金會主導開發(fā)，遵守MPL 協(xié)議，在知識產(chǎn)權方面風險幾乎為零。同時在以H5 為主的應用生態(tài)構建方面已有很好的開發(fā)人員基礎和市場基礎[7-8]。

基于自主可控的設計需求和H5 應用生態(tài)前景，本文提出的多模通信終端操作系統(tǒng)方案在國產(chǎn)YROS平臺的基礎上擴充了天通、LTE 和自組網(wǎng)通信方式，具備了支持自組網(wǎng)、天通和LTE 等多種通信方式的短信和通話功能。其中的關鍵技術多模融合框架如圖1 所示，其采用了軟件分層架構設計思路，經(jīng)典三層架構自頂向下由應用層、多模通信層、通信協(xié)議層組成，應用層負責提供業(yè)務展示和用戶交互，多模通信層負責對上提供融合通信業(yè)務能力，對下分發(fā)業(yè)務請求，通信協(xié)議層對上提供通信數(shù)據(jù)訪問接口。

⑴ 應用軟件層

主要包括了通訊錄、設置、通話和信息的用戶界面人機交互模塊，在YROS 平臺應用基礎上進行了移植重構，實現(xiàn)了多模通信方式下的電話應用、短信應用和系統(tǒng)設置應用，為用戶提供了對天通、自組網(wǎng)和LTE 多模通信業(yè)務功能的統(tǒng)一訪問。

⑵ 多模通信層

主要包括了天通通信模塊、LTE 通信模塊和自組網(wǎng)通信模塊。在多模通信層中，通信模塊負責與下層相應的波形通信協(xié)議棧建立數(shù)據(jù)鏈路通道，通過與波形進行數(shù)據(jù)交互為上層提供了基于數(shù)據(jù)鏈路的網(wǎng)絡通信接口功能。通過封裝Web 接口，完成了對通信共性業(yè)務的支撐，對全部波形通信業(yè)務模塊進行標準化抽象，包含通話業(yè)務、即時消息業(yè)務、基礎設置業(yè)務。對上提供統(tǒng)一的應用軟件業(yè)務功能接口，以供應用軟件共享調(diào)用。

⑶ 通信協(xié)議層

主要包括了天通協(xié)議棧封裝庫rild、LTE 協(xié)議棧開發(fā)工具庫SDK、自組網(wǎng)協(xié)議棧開發(fā)工具庫SDK。通過對天通、LTE 和自組網(wǎng)的通信協(xié)議進行軟件適配，并與上層多模通信層的通信模塊進行集成，實現(xiàn)基于多模通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能力。

2 主要通信模塊設計與實現(xiàn)

2.1 天通通信模塊

天通通信模塊包括了消息傳輸模塊、查詢設置模塊、通話模塊、短信模塊。其中，消息傳輸模塊負責提供消息轉(zhuǎn)發(fā)、請求封裝等基礎功能；查詢設置模塊提供天通網(wǎng)絡服務的打開/關閉，天通卡信息和網(wǎng)絡信息的查詢等功能；通話模塊負責提供天通電話撥打、接聽、掛斷等功能并提供系統(tǒng)接口；短信模塊提供天通短信收發(fā)功能并提供系統(tǒng)接口。

⑴ 消息傳輸

天通消息傳輸模塊提供天通通信協(xié)議層（RILD）和系統(tǒng)中天通功能模塊（查詢設置模塊、通話模塊、短信模塊）交互的功能。

當天通消息傳輸模塊接收到天通業(yè)務功能模塊的請求消息時，將請求消息類型和請求對應的回調(diào)函數(shù)保存在Map 中，并將請求消息封裝為請求數(shù)據(jù)包發(fā)送給天通通信協(xié)議層；當天通消息傳輸模塊接收到天通通信協(xié)議層的請求回報數(shù)據(jù)包時，從數(shù)據(jù)包中取出返回信息，根據(jù)返回信息中的請求消息類型，在Map中查找該消息類型并調(diào)用對應回調(diào)函數(shù)，然后從Map中刪除該請求消息類型；當天通消息傳輸模塊接收到天通通信協(xié)議層的主動上報數(shù)據(jù)包時，根據(jù)返回信息中的消息類型，調(diào)用對應函數(shù)。

⑵ 查詢設置

天通查詢設置模塊提供天通連接開啟關閉、天通卡信息查詢，當前連接狀態(tài)查詢等功能，并向上層提供相關接口。天通設置模塊保存當前天通卡與連接信息，并為每個應用維護一個天通卡監(jiān)聽器列表與連接服務監(jiān)聽器列表，并提供監(jiān)聽器的注冊與注銷接口。

當天通查詢設置模塊接收到上層應用的查詢請求后，返回天通設置模塊中保存的對應天通卡與連接信息，如天通卡id、類型、當前連接、當前連接狀態(tài)等；當天通查詢設置模塊通過天通消息傳輸模塊收到天通卡信息和連接信息變更消息時，向消息傳輸模塊發(fā)送請求，然后根據(jù)返回消息修改查詢設置模塊保存的信息，并通過上層應用注冊的監(jiān)聽器向上層應用發(fā)送事件；當天通查詢設置模塊接收到上層應用的設置連接服務的請求后，向天通消息傳輸模塊發(fā)送請求，并通過上層應用注冊的監(jiān)聽器向上層應用發(fā)送結果事件。天通查詢設置流程圖如圖2 所示。

⑶ 通話

天通通話功能模塊提供天通通話的撥號、接聽、掛斷等功能，并向上層應用提供相關接口。天通通話模塊保存當前通話狀態(tài)，為每個應用維護一個通話狀態(tài)監(jiān)聽器列表，并提供監(jiān)聽器的注冊與注銷接口。

當天通通話功能模塊接收到上層應用的發(fā)起通話的請求后，向天通消息傳輸模塊發(fā)送請求；當通過天通消息傳輸模塊收到來電請求消息時，修改當前通話狀態(tài)，并通過上層應用注冊的監(jiān)聽器向上層應用發(fā)送對應事件；當接收到上層應用的應答通話的請求后，向天通消息傳輸模塊發(fā)送請求；當接收到上層應用的掛斷通話的請求后，向天通消息傳輸模塊發(fā)送請求；當通過天通基礎模塊收到通話狀態(tài)變更消息時，修改當前通話狀態(tài)，并通過上層應用注冊的監(jiān)聽器向上層應用發(fā)送對應事件。天通通話功能流程圖如圖3所示。

⑷ 短信

天通短信功能模塊提供天通短信的發(fā)送、接收功能，并向上層應用提供相關接口，并為每個應用維護一個短信消息監(jiān)聽器列表，并提供監(jiān)聽器的注冊與注銷接口。

當天通短信功能模塊接收到上層應用發(fā)送短信的請求后，向天通消息傳輸模塊發(fā)送請求，當從天通消息傳輸模塊接收到發(fā)送結果消息時，通過上層應用注冊的監(jiān)聽器向上層應用返回事件，其中包括發(fā)送中事件、已發(fā)送事件、發(fā)送成功事件和失敗事件；當天通短信功能模塊從天通消息傳輸模塊接收到收到短信消息時，通過上層應用注冊的監(jiān)聽器向上層應用發(fā)送事件通知用戶。天通短信功能流程圖如圖4 所示。

2.2 LTE 通信模塊

LTE 通信模塊包括了LTE 波形加載模塊、電話模塊、短信模塊。其中LTE 波形加載模塊負責提供LTE波形加載、建立數(shù)據(jù)通信鏈路、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽浑娫捘K負責提供LTE 電話撥打、接聽、掛斷等功能并提供系統(tǒng)接口；短信模塊負責提供LTE 點對點及群組的短信收發(fā)功能并提供系統(tǒng)接口。

⑴ LTE 波形加載

LTE 波形加載功能主要提供數(shù)據(jù)通訊鏈路建立與數(shù)據(jù)傳輸功能。數(shù)據(jù)通信鏈路的建立主要分為鏈路不可用階段、鏈路建立階段、網(wǎng)絡層協(xié)商階段、鏈路終止階段等四個階段。當系統(tǒng)啟動后，若檢測到加載有LTE 模塊，則通過AT 指令打開LTE 模塊，此時進入到鏈路不可用狀態(tài)；待LTE 通信物理鏈路激活后，進入鏈路建立階段，在此階段中進行鏈路控制協(xié)議協(xié)商，以確定工作方式、認證方式、鏈路壓縮等，若協(xié)商成功，表示底層鏈路已經(jīng)正確建立，若協(xié)商失敗，則返回至鏈路不可用狀態(tài)；底層數(shù)據(jù)鏈路建立后，進行網(wǎng)絡層協(xié)議階段，此階段過程中按照各網(wǎng)絡控制些以進行配置協(xié)商，協(xié)商成功則數(shù)據(jù)通信鏈路便可以基于TCP/IP 進行發(fā)送/接收報文。在數(shù)據(jù)鏈路建立成功后，波形丟失等多種情況可能導致鏈路終止，此時會通過鏈路控制協(xié)議報文來關閉鏈路，并通知網(wǎng)絡層與物理層強制關閉鏈路，最終使鏈路處于不可用狀態(tài)。數(shù)據(jù)通信鏈路的建立與斷開的流程如圖5 所示。

當通訊鏈路建立成功后，會創(chuàng)建一個網(wǎng)絡接口，并在創(chuàng)建之初獲取動態(tài)分配的IP 地址。上層應用發(fā)送TCP/IP 數(shù)據(jù)包時，數(shù)據(jù)會經(jīng)過LTE 協(xié)議封裝，通過該網(wǎng)絡接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到LTE 模塊，LTE 模塊將信息發(fā)送出去。當LTE 模塊收到數(shù)據(jù)時，會先通過LTE 協(xié)議解析，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送給上層應用。

LTE 電話模塊提供LTE 電話撥打、接聽、掛斷等功能并提供系統(tǒng)接口。當LTE 電話功能模塊接受到LTE 本地客戶端的登錄成功消息后，啟動消息接受線程，以接收來自LTE 本地客戶端的消息；LTE 電話功能模塊為每個應用維護一個電話狀態(tài)監(jiān)聽器列表，并提供監(jiān)聽器的注冊與注銷接口；當接收到用戶應用的電話撥打請求時，LTE 電話模塊獲取LTE 的用戶登錄信息以及系統(tǒng)當前的通話狀態(tài)，若當前沒有用戶登錄或處于優(yōu)先級更高的通話中，則拒絕用戶應用電話撥號請求或?qū)⒔邮艿降膩黼娤仐?，否則LTE 電話模塊向LTE 本地客戶端發(fā)送電話撥打/接聽消息；當LTE通話接通后，LTE 電話模塊將收發(fā)電話音頻流數(shù)據(jù)，并接受LTE 電話狀態(tài)消息，并將消息封裝成LTE 電話事件通過用戶應用注冊的監(jiān)聽器發(fā)送給用戶應用，直至用戶應用通過電話掛斷接口結束當前LTE 電話。LTE電話功能的流程圖如圖6 所示。

⑶ 短信

LTE 短信模塊主要提供LTE 點對點以及群組的短信收發(fā)功能并提供系統(tǒng)接口。當LTE 短信功能模塊接收到LTE 本地客戶端的登錄成功消息后啟動接受消息線程，用以接受LTE 本地客戶端的短信相關消息；LTE 短信功能模塊為每個應用維護一個短信消息監(jiān)聽器列表，并提供監(jiān)聽器的注冊與銷毀接口；當接收到用戶應用發(fā)送的短信的請求后，LTE 短信功能模塊獲取LTE 的用戶登錄信息，若當前沒有用戶登錄，則拒絕用戶的登錄發(fā)送短信請求，否則LTE 短信功能模塊向LTE 本地客戶端發(fā)送短信請求；當LTE 功能模塊接受到LTE 本地客戶端發(fā)送的短信送達狀態(tài)消息或收到短信消息時，將其封裝成短信事件通過用戶應用注冊的監(jiān)聽器發(fā)送給用戶應用。短信功能流程圖如圖7 所示。

2.3 自組網(wǎng)通信模塊

自組網(wǎng)通信模塊包括了自組網(wǎng)波形加載模塊、業(yè)務消息封裝解析模塊、業(yè)務接口訪問模塊。其中自組網(wǎng)波形加載負責提供自組網(wǎng)波形集成部署和加載功能；業(yè)務消息封裝解析負責提供對自組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)協(xié)議的解析和封裝功能；業(yè)務接口訪問負責提供自組網(wǎng)通話、短消息、文件傳輸、群組和配置項查詢設置的功能訪問。

⑴ 自組網(wǎng)波形加載

目前自組網(wǎng)協(xié)議SDK 由自組網(wǎng)服務組件、自組網(wǎng)SDK 和安裝腳本組成，其中，自組網(wǎng)服務組件由核心服務程序、共享庫和分區(qū)鏡像文件等組成；自組網(wǎng)SDK 是基于自組網(wǎng)服務運行的可執(zhí)行程序，負責分發(fā)和接收自組網(wǎng)消息；安裝腳本是由一系列安裝指令組成的批處理程序。本地部署自組網(wǎng)波形服務組件，系統(tǒng)啟動后運行服務組件，檢測當前是否為自組網(wǎng)模式，啟動自組網(wǎng)波形服務，完成自組網(wǎng)波形加載。

⑵ 業(yè)務消息封裝解析

自組網(wǎng)功能業(yè)務的核心部分是對自組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)交互協(xié)議的處理，自組網(wǎng)通信模塊通過解析和封裝通信協(xié)議完成與自組網(wǎng)模塊的業(yè)務功能交互，自組網(wǎng)通信模塊與自組網(wǎng)協(xié)議棧模塊之間的數(shù)據(jù)交互示意圖如圖8 所示。自組網(wǎng)通信模塊是通過與自組網(wǎng)通信協(xié)議層進行UDP 通信，同時解析和封裝自組網(wǎng)通信數(shù)據(jù)交互協(xié)議，從而對系統(tǒng)上層使用自組網(wǎng)業(yè)務功能提供支撐。

⑶ 業(yè)務接口訪問

通過對自組網(wǎng)業(yè)務功能的進行web 接口封裝，上層應用能夠便捷的使用自組網(wǎng)業(yè)務功能。按照業(yè)務類型，自組網(wǎng)業(yè)務功能分為通話業(yè)務、信息業(yè)務、群組業(yè)務和配置項管理。自組網(wǎng)業(yè)務功能訪問示意圖如圖9 所示。

自組網(wǎng)通信模塊中的業(yè)務接口訪問模塊負責接收用戶層業(yè)務功能請求和請求應答，分發(fā)透傳自組網(wǎng)業(yè)務消息。每個應用會實例化業(yè)務接口訪問模塊的一個子進程實例，而每個子進程中都有一個子進程消息管理器（CPMM），通過CPMM 轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務請求消息到相應的父進程消息管理；每個子流程的父進程中都有一個父進程消息管理器（PPMM），父進程消息管理器接收到子進程消息管理器的消息后，向業(yè)務接口訪問服務組件封裝分發(fā)；業(yè)務接口訪問服務組件完成相應業(yè)務后，向父進程發(fā)送業(yè)務指示結果，再由父進程消息管理器向子進程消息管理器分發(fā)業(yè)務指示結果，應用通過接口實例獲取業(yè)務應答，完成了一次業(yè)務接口訪問流程。

3 結束語

本文基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)YROS 平臺實現(xiàn)了多模終端操作系統(tǒng)關鍵模塊，該方案集成了天通通信、LTE 和自組網(wǎng)通信模塊，滿足了終端設備多模通信的特定需求，該方案的多模通信功能已在國產(chǎn)多模終端得到了應用驗證，通過應用表明，本文給出的研究方案合理可行，在整體功能上，都達到了預期的設計目標。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展，面向新型的通信網(wǎng)絡架構，在復雜的通信環(huán)境下不僅要能做到相互之間兼容互通，而且還需要跨頻段跨時空的提供遠程超視距且安全可靠的語音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻通信[9]。這對通信終端操作系統(tǒng)提出了更高的要求，也是下一步會繼續(xù)深入研究的方向。