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在現(xiàn)有蜂窩終端架構(gòu)中集成WLAN功能完全可行,相關(guān)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及硬件和軟件構(gòu)建模塊已可獲得和使用。設(shè)計(jì)者需要仔細(xì)考慮和分析的就是各種使用模式,以了解和管理移交技術(shù)和功耗的要求。
多模終端可以實(shí)現(xiàn)不同種類的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫連接,即蜂窩UMTS/EDGE/GPRS與IEEE 無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的連接。WLAN可在小范圍的家庭和熱點(diǎn)區(qū)域提供很高的數(shù)據(jù)速率,而蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以提供更高的靈活性和無(wú)處不在的覆蓋,但數(shù)據(jù)速率較低,如果能夠結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn),用戶將能從中受益。通過已經(jīng)部署的基礎(chǔ)設(shè)施與移動(dòng)子系統(tǒng)模塊,可以很容易地利用這些優(yōu)勢(shì)。在WLAN接入點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi),多模終端利用WLAN進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和VoIP應(yīng)用,同時(shí)還能使用重疊于其上的蜂窩網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行語(yǔ)音呼叫或媒體訪問。一旦終端監(jiān)測(cè)到WLAN的存在,或者與WLAN網(wǎng)絡(luò)連接,用戶就可以發(fā)起WLAN訪問,或自動(dòng)分配訪問。先進(jìn)的會(huì)話移動(dòng)管理技術(shù)和免授權(quán)移動(dòng)訪問(UMA)技術(shù)的利用,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了WLAN與UMTS/EDGE/GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的漫游和數(shù)據(jù)/語(yǔ)音移交。
集成不同種類的UMTS和WLAN網(wǎng)絡(luò)(圖1)是一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的課題:1. UMTS可以支持定義明確的服務(wù)級(jí)別的QoS的同時(shí),人們還在部署具有語(yǔ)音呼叫優(yōu)先級(jí),并且支持IEEE e QoS的WLAN解決方案；2. WLAN滿足LAN級(jí)的移動(dòng)性,然而要支持不同種類網(wǎng)絡(luò)之間的移動(dòng)性,必須符合一些規(guī)范,例如UMA或3GPP Release 6 GAN；3.在使用場(chǎng)景和移交實(shí)踐中,還需要考慮其它一些問題。我們可以假設(shè)一個(gè)家庭或熱點(diǎn)場(chǎng)景,運(yùn)營(yíng)商根據(jù)這些場(chǎng)景來結(jié)合使用UMTS,提供高速數(shù)據(jù),確定一些基本的用戶方案:a. 使用WLAN和UMTS,分別進(jìn)行數(shù)據(jù)和語(yǔ)音連接,終端能夠同時(shí)維護(hù)兩種連接；b. 用戶利用WLAN提供的數(shù)據(jù)服務(wù),同步或在UMTS數(shù)據(jù)流空閑期間補(bǔ)充UMTS的數(shù)據(jù)服務(wù)；c. 單獨(dú)使用UMTS和WLAN,分別提供數(shù)據(jù)和語(yǔ)音服務(wù),而在存在覆蓋盲區(qū)時(shí),可以使用WLAN,作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。在每種情況下,根據(jù)會(huì)話移動(dòng)管理功能,數(shù)據(jù)包流被重新定向到適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)。
圖1:UMTS-EDGE/GPRS-WLAN網(wǎng)絡(luò)。
多模終端軟硬件架構(gòu)
圖2中的硬件架構(gòu)包括了L1處理器和雙處理器,前者面向每個(gè)MAC接口,后者處理通信和應(yīng)用程序。L1處理器/DSP子系統(tǒng),與幀調(diào)度器和Viterbi協(xié)處理器(EDGE/GPRS/GSM)或Rake接收器(WCDMA)相結(jié)合,主要用于物理層控制和DSP功能,例如:采集、跟蹤、RX路徑中的解調(diào)/解碼、TX路徑中的格式化/編碼。通信處理器是UMTS-EDGE/GPRS/GSM協(xié)議棧的專用處理器,可以處理L2-3協(xié)議,執(zhí)行一些系統(tǒng)控制功能(如電源管理、時(shí)鐘和存儲(chǔ))。應(yīng)用處理器成為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體,用于支持用戶應(yīng)用程序,如MMI、多媒體和大容量存儲(chǔ)設(shè)備等。
前端包括了射頻子系統(tǒng)以及模擬基帶信號(hào)的A/D-D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換,集成度主要取決于運(yùn)營(yíng)商的要求。舉例來說,如果只支持UMTS壓縮模式,就有可能減少收發(fā)器電路的數(shù)量。通過WLAN的分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移可在空閑插槽上進(jìn)行,也可在GSM TDMA多幀結(jié)構(gòu)的幀上進(jìn)行,或者每次只使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。該架構(gòu)可通過商用部署終端中的可用模塊加以實(shí)現(xiàn),集成的主要目的是獲得一個(gè)成本效率和功率效率都很高的解決方案,并且符合法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。
協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)(圖2中對(duì)照OSI模型進(jìn)行了描述)可支持WLAN和壓縮的GSM/WCDMA無(wú)線接口。IEEE L2包含了MAC和802.2 LLC實(shí)體,它們與物理層一起構(gòu)成終端驅(qū)動(dòng)。一直到接入層L1/L2的UMTS和EDGE/GPRS/GSM協(xié)議棧實(shí)體是獨(dú)立的。除PHY/MAC層外,設(shè)備驅(qū)動(dòng)的EDGE/GPRS/GSM 部分還包含了IP層以下的協(xié)議,例如,L2中的LLC,它提供終端與SGSN之間的連接；L3中的SNDCP(見圖2)將高層次數(shù)據(jù)協(xié)議與LLC連接起來。控制平面包括多個(gè)協(xié)議,諸如用于無(wú)線資源控制的L3 RRC/RR/GRR,用于移動(dòng)性和會(huì)話管理的GMM/SM。數(shù)據(jù)協(xié)議套件還包括用于QoS信令和資源保留的RSVP,以及一個(gè)本地WLAN移動(dòng)性管理協(xié)議。
圖2:多模終端硬件/軟件架構(gòu)。(點(diǎn)擊放大該圖)
集成問題
接下來本文將概述多模終端設(shè)計(jì)的基本考慮因素,特別是關(guān)于WLAN子系統(tǒng)與可用UMTS/EDGE/GPRS核心架構(gòu)的集成。不同的實(shí)施方案要在功能、多功能性與成本、緊湊外形和功耗之間進(jìn)行權(quán)衡。不過,任何集成都可基于符合條件并且已經(jīng)商用的硬件/軟件構(gòu)建模塊上很容易地進(jìn)行。
硬件集成:可實(shí)現(xiàn)的集成主要取決于所支持的用戶場(chǎng)景,以及集成的WLAN/蜂窩收發(fā)器的可用性。最初推出時(shí),很可能會(huì)利用分立式架構(gòu),每種運(yùn)行模式都使用獨(dú)立的收發(fā)器。最先進(jìn)的實(shí)現(xiàn)方案采用了單芯片收發(fā)器、單封裝或雙封裝微處理器、蜂窩基帶和電源管理單元、帶主機(jī)接口控制的WLAN DSP/MAC器件、用于功率放大和濾波的外圍器件,以及支持不同多媒體功能的模塊。
主機(jī)接口:這是WLAN DSP/MAC控制器與主機(jī)應(yīng)用處理器之間的接口。該接口應(yīng)該具有足夠的帶寬,能夠提供確定的數(shù)據(jù)速率和在兩端的兼容性(例如USB和SPI等標(biāo)準(zhǔn)接口)。
符合標(biāo)準(zhǔn):終端應(yīng)該符合3GPP蜂窩規(guī)范(3GPP TS )和WLAN標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 及其擴(kuò)展版本)。此外,終端符合標(biāo)準(zhǔn)的要求還應(yīng)該包括擴(kuò)展的多模用戶情況,如WLAN和蜂窩模式的同步運(yùn)行(如使用WLAN接收數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù),同時(shí)使用UMTS進(jìn)行語(yǔ)音呼叫),以及它們對(duì)電磁兼容性的影響。
表1. 功耗分析。
功耗:對(duì)于便攜式設(shè)備來說,功耗和電池壽命會(huì)給設(shè)計(jì)造成相當(dāng)大的制約,并對(duì)產(chǎn)品定義和質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。對(duì)于蜂窩電話,在流量模式下,通信引擎的功耗主要用于特定的電源控制、語(yǔ)音活動(dòng)或數(shù)據(jù)吞吐。而在空閑模式下,功耗主要用于滿足尋呼需求。功耗要求應(yīng)該根據(jù)以下因素來模擬和確定:a. 基帶和電源管理IC設(shè)計(jì),包括所使用的工藝技術(shù)、電壓調(diào)整和效率；b. RF收發(fā)器和元件規(guī)格及設(shè)計(jì),包括功率放大器效率；c. L1/堆棧設(shè)計(jì)(針對(duì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率效率的要求)以及管理核心引擎模塊和無(wú)線裝置(例如,在空閑期或時(shí)鐘下降沿,應(yīng)當(dāng)關(guān)閉不使用的模塊,在不需要媒體訪問時(shí),應(yīng)該進(jìn)入休眠狀態(tài))。類似的設(shè)計(jì)考慮因素也適用于WLAN子系統(tǒng)。
對(duì)蜂窩運(yùn)行來說,特別是在休眠和待機(jī)模式下,或在語(yǔ)音呼叫期間,功耗的峰值和平均值都是根據(jù)IC的性能規(guī)格和系統(tǒng)參數(shù)確定的,如子系統(tǒng)模塊的行為因素。數(shù)據(jù)包傳輸和接收的功耗在很大程度上取決于數(shù)據(jù)速率和多插槽配置,以及系統(tǒng)支持的編碼機(jī)制。
WLAN子模塊的功耗取決于運(yùn)行模式(休眠、接聽、接收和傳輸)。在“休眠”期間,系統(tǒng)大多數(shù)模塊的電源都要關(guān)閉；處于“接聽”狀態(tài)時(shí),終端會(huì)接聽,盡管它不會(huì)向主機(jī)處理器傳輸任何數(shù)據(jù)；當(dāng)處于“接收”和“傳輸”狀態(tài)時(shí),終端將主動(dòng)傳輸和接收分組數(shù)據(jù),并交換這些數(shù)據(jù)。功耗取決于不同的使用場(chǎng)景,即搜索、連接和空閑。TCP上行鏈路/下行鏈路可基于不同運(yùn)行狀態(tài)的加權(quán)平均值。
從表1中的概括和對(duì)無(wú)線終端的功率分析來看,涉及到終端WLAN功能集成的主要注意事項(xiàng)是:a. 在WLAN搜索或空閑模式下,電流消耗會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)電話的總預(yù)期待機(jī)時(shí)間產(chǎn)生很大的影響,因而需要花費(fèi)很大的精力來增強(qiáng)WLAN子系統(tǒng)的節(jié)能模式；b. 盡管可以排除兩種無(wú)線電同步運(yùn)行的情況,但還是需要通過通信處理器主控制來監(jiān)控和減少高峰電流消耗。當(dāng)蜂窩子系統(tǒng)支持高功率的語(yǔ)音呼叫時(shí),尤其應(yīng)當(dāng)如此。
作者:Leo Ivrissimtzis
高級(jí)系統(tǒng)工程師
杰爾系統(tǒng)公司
