基于Android平臺(tái)的GSM-R智能終端實(shí)現(xiàn)研究

孔慶富 孫 鑫 寇曉琦 喬紹虎

孔慶富:深圳市桑達(dá)無線通訊技術(shù)有限公司 工程師 518028 深圳

孫 鑫:深圳市桑達(dá)無線通訊技術(shù)有限公司 助理工程師 518028 深圳

寇曉琦:深圳市桑達(dá)無線通訊技術(shù)有限公司 工程師 518028 深圳

喬紹虎:深圳市桑達(dá)無線通訊技術(shù)有限公司 工程師 518028 深圳

GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway)1992年起源于歐洲，是面向鐵路的新一代綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。其功能主要面向鐵路應(yīng)用，如調(diào)度通信、列車自動(dòng)控制、車次號(hào)、調(diào)度命令傳輸、平面調(diào)車、列車尾部裝置信息傳送、區(qū)間移動(dòng)公務(wù)通信、鐵路應(yīng)急通信和數(shù)字業(yè)務(wù)等。隨著全球高速鐵路的快速發(fā)展和GSM-R網(wǎng)絡(luò)的大面積普及，GSM-R業(yè)務(wù)及功能得到大規(guī)模應(yīng)用，并逐步穩(wěn)定和走向成熟。伴隨著全球無線通信業(yè)務(wù)的巨大變革，對于互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容和下載數(shù)據(jù)的需求急劇上升，高速鐵路給人們的生活工作帶來便捷的同時(shí)，也對高鐵信息化服務(wù)提出了更高的需求。

1 GSM-R終端發(fā)展現(xiàn)狀

今天，人們除了可以在火車站、本地售票機(jī)購買車票外，還可以通過鐵路網(wǎng)站實(shí)時(shí)查詢和訂購車票，大大方便了旅客，提升了效率。將來，新的售票機(jī)可以安放在列車上，旅客可以在列車上實(shí)現(xiàn)訂票、補(bǔ)票等業(yè)務(wù)，并可以通過此類終端實(shí)現(xiàn)目的行程安排，如出租車預(yù)定、登機(jī)手續(xù)辦理等。

對旅游習(xí)慣的粗略調(diào)查顯示，乘客希望實(shí)時(shí)接收列車行駛狀況和旅程路由等綜合信息，如當(dāng)前位置、沿途各地及目的地的天氣、路況、交通與住宿、票務(wù)及旅游景點(diǎn)情況等，以便及時(shí)規(guī)劃和調(diào)整行程安排。這些都增加了游客對路途中通信設(shè)施的要求，并希望這些通信設(shè)施可以提供如游戲、視頻及錄像等娛樂業(yè)務(wù)。

目前，德國鐵路推出了一種新型的智能手機(jī)，司乘人員可以隨時(shí)訪問互聯(lián)網(wǎng)，還可以給乘客提供如出租車呼叫、相關(guān)資訊及博物館開放時(shí)間等服務(wù)，但該類型終端不支持GSM-R功能。另外，法國、德國和意大利鐵路提出了支持GSM與GSM-R的雙模智能手機(jī)需求，芬蘭和瑞典鐵路也正在尋找能提供GSM-R智能手機(jī)的終端廠家，瑞士鐵路更是對智能手機(jī)的處理器速度提出了不能低于800 MHz，內(nèi)存不低于512 MB，支持 GPS，WiFi和藍(lán)牙等要求。

國際鐵路聯(lián)盟(UIC)確定下一代技術(shù)為LTE-R(LTE for Railway)，即基于LTE的鐵路通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要未來的GSM-R終端處理器應(yīng)具備高速數(shù)據(jù)處理能力，并可以滿足多種功能需求。除了以上提到的各種需求和應(yīng)用外，LTE網(wǎng)絡(luò)高速的數(shù)據(jù)處理能力還可以滿足視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控，如車廂內(nèi)視頻監(jiān)控、列車的工況與運(yùn)況信息實(shí)時(shí)監(jiān)控等，以及車廂內(nèi)廣告投放等業(yè)務(wù)。

而目前，國際上使用比較普遍的GSM-R終端以 SAGEM Communications的 TiGR155、355、550為主，國內(nèi)則以SEDGPH-610R、OPH-810R為主，基本都定位為功能機(jī)，不具備智能機(jī)的功能，處理器速度及現(xiàn)有功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。為此，提出一種基于Android操作系統(tǒng)的GSM-R智能終端實(shí)現(xiàn)方案。

2 Android平臺(tái)介紹

Android是目前最為流行的智能終端通用開放式開發(fā)平臺(tái)，是全球第一大智能手機(jī)操作系統(tǒng)，基于成熟穩(wěn)定的Linux內(nèi)核，其跨平臺(tái)、多層次的體系架構(gòu)為開發(fā)者提供了不同硬件平臺(tái)上穩(wěn)定產(chǎn)品的靈活、快速實(shí)現(xiàn)能力。同時(shí)，基于Android的智能終端可以下載使用所有Google商店中的60多萬個(gè)應(yīng)用程序，開發(fā)者還可以為用戶開發(fā)定制需要的應(yīng)用程序，為用戶和開發(fā)者提供了極大的便利。Android系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

Android采用軟件疊層架構(gòu)，自下而上為Linux內(nèi)核層、系統(tǒng)運(yùn)行庫層、應(yīng)用程序框架層、應(yīng)用程序?qū)拥?層。

1．Linux內(nèi)核層(Linux Kernel)。Android整個(gè)操作系統(tǒng)都是基于這個(gè)Linux內(nèi)核的，Linux內(nèi)核同時(shí)作為硬件和軟件棧之間的抽象層。該層主要是與移動(dòng)設(shè)備相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。

2．系統(tǒng)運(yùn)行庫層(Libraries和Android Runtime)。Java本身是不能直接訪問硬件的，要想讓Java訪問硬件，必須使用NDK才可以。NDK是一些由C/C++語言編寫的庫，這些庫也是該層的主要組成部分。

3．應(yīng)用程序框架層(Application Framework)。這一層是編寫Google發(fā)布的核心應(yīng)用時(shí)所使用的API框架，開發(fā)人員可以使用這些框架來開發(fā)自己的應(yīng)用，這樣便簡化了程序開發(fā)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，但是必須遵守其框架的開發(fā)原則。

4．應(yīng)用程序?qū)?Applications)。該層由運(yùn)行在Dalvik虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序組成，Android所有的應(yīng)用程序都是使用Java語言編寫。Google最開始時(shí)就在Android系統(tǒng)中捆綁了一些核心應(yīng)用，比如E-mail客戶端、SMS短消息程序、日歷、地圖、瀏覽器、聯(lián)系人管理程序等等。

3 基于Android的GSM-R雙模智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

圖1 Android系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2給出了一種基于Android平臺(tái)的GSM-R雙模智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)方案。該方案采用應(yīng)用處理器(Application Processor，簡稱 AP)和通信處理器(Communication Processor，簡稱CP)構(gòu)成。AP主要負(fù)責(zé)用戶應(yīng)用程序處理及外圍設(shè)備的管理，可以支持GPS、WiFi、藍(lán)牙、重力及運(yùn)動(dòng)檢測等功能;CP負(fù)責(zé)與GSM或GSM-R網(wǎng)絡(luò)的通信處理，AP與CP之間通過串口連接，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令。該架構(gòu)設(shè)計(jì)可以根據(jù)用戶需求不同，采用1個(gè)或2個(gè)CP實(shí)現(xiàn)單?；螂p模GSM-R智能終端，并可對其中任意一個(gè)CP進(jìn)行更換升級(jí)，實(shí)現(xiàn)不同模式的產(chǎn)品組合及技術(shù)升級(jí)。

以GSM電話呼叫流程為例，當(dāng)用戶通過撥號(hào)界面發(fā)起語音通話后，應(yīng)用程序創(chuàng)建電話實(shí)例，注冊通話管理器，啟動(dòng)屏幕撥號(hào)提示界面，并通過Socket啟動(dòng)與RIL通話建立連接過程。Android RIL提供了無線硬件設(shè)備與電話服務(wù)之間的抽象層。圖3展示了RIL在Android體系中的位置。

圖2 基于Android平臺(tái)的GSM-R雙模智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)方案

RIL分為Java的應(yīng)用程序框架部分及 C/C++的運(yùn)行庫部分。其中，RIL的Java框架部分主要用于與系統(tǒng)運(yùn)行庫層rild的通信，以及與Phone模塊交互實(shí)現(xiàn)電話功能;RIL的系統(tǒng)運(yùn)行庫部分位于應(yīng)用程序框架層與Linux內(nèi)核層之間，分成2個(gè)部分，一個(gè)是 rild，負(fù)責(zé)Socket與應(yīng)用程序框架層進(jìn)行通信;另一個(gè)是Vendor RIL，通過2種方式負(fù)責(zé)與通信處理器CP進(jìn)行通信，分別與CP通信的AT指令通道和用于傳輸包數(shù)據(jù)的通道。與GSM語音呼叫流程類似，GSM-R語音組呼的修改涉及以下內(nèi)容:①應(yīng)用層界面布局、按鍵撥號(hào)處理等;②Framework及rild層呼叫處理，如語音組呼的發(fā)起、加入、退出及拒絕等處理，以及組呼通知、查詢等;③GSM-R語音組呼、廣播新增AT指令及接口消息處理等。GSM-R語音組呼、廣播呼叫與GSM原有點(diǎn)對點(diǎn)語音通過新增呼叫類型及不同的呼叫AT指令加以區(qū)分，圖4是流程處理示意圖。

圖3 RIL在Andriod體系架構(gòu)中的位置

4 總結(jié)

該設(shè)計(jì)方案基于Android平臺(tái)基礎(chǔ)，體系架構(gòu)靈活、開放，優(yōu)點(diǎn)如下:

1．技術(shù)先進(jìn)。目前傳統(tǒng)的GSM-R Feature Phone已不能滿足鐵路業(yè)務(wù)的發(fā)展和用戶的使用要求，如何提供性能更高、業(yè)務(wù)豐富、使用習(xí)慣更加貼近用戶需求的產(chǎn)品，基于Android體系架構(gòu)是當(dāng)前最佳的選擇。

2．架構(gòu)靈活和擴(kuò)展便捷。采用AP+CP體系架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn) GSM-R單卡、GSM-R+GSM、GSM-R + CDMA/WCDMA/TD-SCDMA/HSxPA、GSM-R+LTE、LTE-R等多種單、雙模甚至多模產(chǎn)品的組合方式，僅僅需要更換通信Modem，不需要更換AP。

3．可以充分發(fā)揮現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢。利用現(xiàn)有GSM-R領(lǐng)域的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品積累，發(fā)揮已有優(yōu)勢，在未來掌握先機(jī)，站在市場競爭的前沿。

4．便于移植?；贑C++、Java的Android應(yīng)用程序便于擴(kuò)展和快速移植，以及基于新平臺(tái)的快速產(chǎn)品化。

5．便于構(gòu)建云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)。基于Android架構(gòu)的應(yīng)用程序處理，便于對現(xiàn)有鐵路業(yè)務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，構(gòu)建鐵路GSM-R的云計(jì)算終端平臺(tái)。

隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，GSM-R未來的發(fā)展趨勢必然是寬帶化、高速化、智能化和個(gè)性化。基于Android平臺(tái)的GSM-R智能手機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案是技術(shù)發(fā)展和用戶需求的新方向，面對全球鐵路的快速發(fā)展，日益強(qiáng)烈的高速鐵路信息化需求，如何將新興技術(shù)轉(zhuǎn)化到滿足用戶需求的新產(chǎn)品中，把握市場先機(jī)，引領(lǐng)消費(fèi)，是GSM-R終端廠家制勝的關(guān)鍵。

［1］鐘章隊(duì)．鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)［M］．北京:中國鐵道出版社，2008.

［2］孔慶富．GSM-R無線通信模塊的高速設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究．鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011(2).