蜂窩/WLAN多模終端的設計考慮

在現(xiàn)有蜂窩終端架構中集成WLAN功能完全可行，相關網絡基礎設施以及硬件和軟件構建模塊已可獲得和使用。設計者需要仔細考慮和分析的就是各種使用模式，以了解和管理移交技術和功耗的要求。

多模終端可以實現(xiàn)不同種類的無線接入網絡之間的無縫連接，即蜂窩UMTS/EDGE/GPRS與IEEE 802.11無線局域網(WLAN)的連接。WLAN可在小范圍的家庭和熱點區(qū)域提供很高的數(shù)據(jù)速率，而蜂窩網絡可以提供更高的靈活性和無處不在的覆蓋，但數(shù)據(jù)速率較低，如果能夠結合兩者的優(yōu)點，用戶將能從中受益。通過已經部署的基礎設施與移動子系統(tǒng)模塊，可以很容易地利用這些優(yōu)勢。在WLAN接入點的覆蓋范圍內，多模終端利用WLAN進行數(shù)據(jù)訪問和VoIP應用，同時還能使用重疊于其上的蜂窩網絡，進行語音呼叫或媒體訪問。一旦終端監(jiān)測到WLAN的存在，或者與WLAN網絡連接，用戶就可以發(fā)起WLAN訪問，或自動分配訪問。先進的會話移動管理技術和免授權移動訪問(UMA)技術的利用，進一步實現(xiàn)了WLAN與UMTS/EDGE/GPRS網絡之間的漫游和數(shù)據(jù)/語音移交。

集成不同種類的UMTS和WLAN網絡(圖1)是一項非常具有挑戰(zhàn)性的課題：1. UMTS可以支持定義明確的服務級別的QoS的同時，人們還在部署具有語音呼叫優(yōu)先級，并且支持IEEE 802.11e QoS的WLAN解決方案；2. WLAN滿足LAN級的移動性，然而要支持不同種類網絡之間的移動性，必須符合一些規(guī)范，例如UMA或3GPP Release 6 GAN；3.在使用場景和移交實踐中，還需要考慮其它一些問題。我們可以假設一個家庭或熱點場景，運營商根據(jù)這些場景來結合使用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，分別進行數(shù)據(jù)和語音連接，終端能夠同時維護兩種連接；b. 用戶利用WLAN提供的數(shù)據(jù)服務，同步或在UMTS數(shù)據(jù)流空閑期間補充UMTS的數(shù)據(jù)服務；c. 單獨使用UMTS和WLAN，分別提供數(shù)據(jù)和語音服務，而在存在覆蓋盲區(qū)時，可以使用WLAN，作為蜂窩網絡的補充。在每種情況下，根據(jù)會話移動管理功能，數(shù)據(jù)包流被重新定向到適當?shù)木W絡。

多模終端軟硬件架構

圖2中的硬件架構包括了L1處理器和雙處理器，前者面向每個MAC接口，后者處理通信和應用程序。L1處理器/DSP子系統(tǒng)，與幀調度器和Viterbi協(xié)處理器(EDGE/GPRS/GSM)或Rake接收器(WCDMA)相結合，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/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、時鐘和存儲)。應用處理器成為一個獨立的實體，用于支持用戶應用程序，如MMI、多媒體和大容量存儲設備等。

前端包括了射頻子系統(tǒng)以及模擬基帶信號的A/D-D/A信號轉換，集成度主要取決于運營商的要求。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)轉移可在空閑插槽上進行，也可在GSM TDMA多幀結構的幀上進行，或者每次只使用一個網絡。該架構可通過商用部署終端中的可用模塊加以實現(xiàn)，集成的主要目的是獲得一個成本效率和功率效率都很高的解決方案，并且符合法規(guī)和標準。

圖2：多模終端硬件/軟件架構。

協(xié)議棧的實現(xiàn)(圖2中對照OSI模型進行了描述)可支持WLAN和壓縮的GSM/WCDMA無線接口。IEEE 802.11 L2包含了MAC和802.2 LLC實體，它們與物理層一起構成終端驅動。一直到接入層L1/L2的UMTS和EDGE/GPRS/GSM協(xié)議棧實體是獨立的。除PHY/MAC層外，設備驅動的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?？刂破矫姘ǘ鄠€協(xié)議，諸如用于無線資源控制的L3 RRC/RR/GRR，用于移動性和會話管理的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，以及一個本地WLAN移動性管理協(xié)議。

集成問題

接下來本文將概述多模終端設計的基本考慮因素，特別是關于WLAN子系統(tǒng)與可用UMTS/EDGE/GPRS核心架構的集成。不同的實施方案要在功能、多功能性與成本、緊湊外形和功耗之間進行權衡。不過，任何集成都可基于符合條件并且已經商用的硬件/軟件構建模塊上很容易地進行。

硬件集成：可實現(xiàn)的集成主要取決于所支持的用戶場景，以及集成的WLAN/蜂窩收發(fā)器的可用性。最初推出時，很可能會利用分立式架構，每種運行模式都使用獨立的收發(fā)器。最先進的實現(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。

主機接口：這是WLAN DSP/MAC控制器與主機應用處理器之間的接口。該接口應該具有足夠的帶寬，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等標準接口)。

符合標準：終端應該符合3GPP蜂窩規(guī)范(3GPP TS 51.010/34.121)和WLAN標準(IEEE 802.11及其擴展版本)。此外，終端符合標準的要求還應該包括擴展的多模用戶情況，如WLAN和蜂窩模式的同步運行(如使用WLAN接收數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，同時使用UMTS進行語音呼叫)，以及它們對電磁兼容性的影響。

功耗：對于便攜式設備來說，功耗和電池壽命會給設計造成相當大的制約，并對產品定義和質量產生一定的影響。對于蜂窩電話，在流量模式下，通信引擎的功耗主要用于特定的電源控制、語音活動或數(shù)據(jù)吞吐。而在空閑模式下，功耗主要用于滿足尋呼需求。功耗要求應該根據(jù)以下因素來模擬和確定：a. 基帶和電源管理IC設計，包括所使用的工藝技術、電壓調整和效率；b. RF收發(fā)器和元件規(guī)格及設計，包括功率放大器效率；c. L1/堆棧設計(針對達到標準對功率效率的要求)以及管理核心引擎模塊和無線裝置(例如，在空閑期或時鐘下降沿，應當關閉不使用的模塊，在不需要媒體訪問時，應該進入休眠狀態(tài))。類似的設計考慮因素也適用于WLAN子系統(tǒng)。

對蜂窩運行來說，特別是在休眠和待機模式下，或在語音呼叫期間，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)支持的編碼機制。

WLAN子模塊的功耗取決于運行模式(休眠、接聽、接收和傳輸)。在“休眠”期間，系統(tǒng)大多數(shù)模塊的電源都要關閉；處于“接聽”狀態(tài)時，終端會接聽，盡管它不會向主機處理器傳輸任何數(shù)據(jù)；當處于“接收”和“傳輸”狀態(tài)時，終端將主動傳輸和接收分組數(shù)據(jù)，并交換這些數(shù)據(jù)。功耗取決于不同的使用場景，即搜索、連接和空閑。TCP上行鏈路/下行鏈路可基于不同運行狀態(tài)的加權平均值。

從表1中的概括和對無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是：a. 在WLAN搜索或空閑模式下，電流消耗會對標準移動電話的總預期待機時間產生很大的影響，因而需要花費很大的精力來增強WLAN子系統(tǒng)的節(jié)能模式；b. 盡管可以排除兩種無線電同步運行的情況，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。當蜂窩子系統(tǒng)支持高功率的語音呼叫時，尤其應當如此。