發布日期：2022-07-15 點擊率：39
在現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 無線局域網(WLAN)的連接。WLAN可在小范圍的家庭和熱點區域提供很高的數據速率,而蜂窩網絡可以提供更高的靈活性和無處不在的覆蓋,但數據速率較低,如果能夠結合兩者的優點,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模塊,可以很容易地利用這些優勢。在WLAN接入點的覆蓋范圍內,多模終端利用WLAN進行數據訪問和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。一旦終端監測到WLAN的存在,或者與WLAN網絡連接,用戶就可以發起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,進一步實現了WLAN與UMTS/EDGE/GPRS網絡之間的漫游和數據/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先級,并且支持IEEE e 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,運營商根據這些場景來結合使用UMTS,提供高速數據,確定一些基本的用戶方案:a. 使用WLAN和UMTS,分別進行數據和語音連接,終端能夠同時維護兩種連接；b. 用戶利用WLAN提供的數據服務,同步或在UMTS數據流空閑期間補充UMTS的數據服務；c. 單獨使用UMTS和WLAN,分別提供數據和語音服務,而在存在覆蓋盲區時,可以使用WLAN,作為蜂窩網絡的補充。在每種情況下,根據會話移動管理功能,數據包流被重新定向到適當的網絡。
圖1:UMTS-EDGE/GPRS-WLAN網絡。
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,與幀調度器和Viterbi協處理器(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協議棧的專用處理器,可以處理L2-3協議,執行一些系統控制功能(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,就有可能減少收發器電路的數量。通過WLAN的分組數據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,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,并且符合法規和標準。
協議棧的實現(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 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)將高層次數據協議與LLC連接起來。控制平面包括多個協議,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。數據協議套件還包括用于QoS信令和資源保留的RSVP,以及一個本地WLAN移動性管理協議。
圖2:多模終端硬件/軟件架構。(點擊放大該圖)
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器。最先進的實現方案采用了單芯片收發器、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,能夠提供確定的數據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蜂窩規范(3GPP TS )和WLAN標準(IEEE 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接收數據包數據,同時使用UMTS進行語音呼叫),以及它們對電磁兼容性的影響。
表1. 功耗分析。
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、語音活動或數據吞吐。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收發器和元件規格及設計,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)。類似的設計考慮因素也適用于WLAN子系統。
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IC的性能規格和系統參數確定的,如子系統模塊的行為因素。數據包傳輸和接收的功耗在很大程度上取決于數據速率和多插槽配置,以及系統支持的編碼機制。
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,系統大多數模塊的電源都要關閉；處于“接聽”狀態時,終端會接聽,盡管它不會向主機處理器傳輸任何數據；當處于“接收”和“傳輸”狀態時,終端將主動傳輸和接收分組數據,并交換這些數據。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子系統的節能模式；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控和減少高峰電流消耗。當蜂窩子系統支持高功率的語音呼叫時,尤其應當如此。
作者:Leo Ivrissimtzis
高級系統工程師
杰爾系統公司
