蜂巢式/WLAN多模終端的設計考慮

在現有蜂巢式終端架構中整合WLAN功能完全可行，相關網路基礎設施以及硬體和軟體構建模組已可獲得和使用。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路之間的無縫連接，即蜂巢式UMTS/EDGE/GPRS與IEEE 802.11無線區域網路(WLAN)的連接。WLAN可在小範圍的家庭和熱點區域提供很高的數據速率，而蜂巢式網路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。透過已經部署的基礎設施與行動子系統模組，可以很容易地利用這些優勢。在WLAN接入點的覆蓋範圍內，多模終端利用WLAN進行數據存取和VoIP應用，同時還能使用重疊於其上的蜂巢式網路，進行語音呼叫或媒體存取。一旦終端監測到WLAN的存在，或者與WLAN網路連接，用戶就可以發起WLAN存取，或自動分配存取。先進的會話行動管理技術和免授權行動存取(UMA)技術的利用，進一步實現了WLAN與UMTS/EDGE/GPRS網路之間的漫遊和數據/語音移交。

圖1：UMTS-EDGE/GPRS-WLAN網路。

整合不同種類的UMTS和WLAN網路(圖1)是一項非常具有挑戰性的課題：1. UMTS可以支援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，並且支援IEEE 802.11e QoS的WLAN解決方案；2. WLAN滿足LAN級的行動性，然而要支援不同種類網路之間的行動性，必須符合一些規範，例如UMA或3GPP Release 6 GAN；3.在使用場景和移交過程中，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，電信業者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數據串流空閑期間補充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，作為蜂巢式網路的補充。在每種情況下，根據會話行動管理功能，數據封包串流被重新導向到適當的網路。

多模終端軟硬體架構

圖2中的硬體架構包括了L1處理器和雙處理器，前者用於MAC介面，後者處理通訊和應用程式。L1處理器/DSP子系統，與訊框調度器和Viterbi協處理器(EDGE/GPRS/GSM)或Rake接收器(WCDMA)相結合，主要用於實體層控制和DSP功能。例如：採集、追蹤、RX路徑中的解調/解碼、TX路徑中的格式化/編碼。通訊處理器是UMTS-EDGE/GPRS/GSM協議堆疊的專用處理器，可以處理L2-3協議，執行一些系統控制功能(如電源管理、時脈和儲存)。應用處理器成為一個獨立的實體，用於支援用戶應用程式，如MMI、多媒體和大容量儲存設備等。

前端包括了射頻子系統以及模擬基頻訊號的A/D-D/A訊號轉換，整合度主要取決於電信業者的要求。舉例來說，如果只支援UMTS壓縮模式，就有可能減少收發器電路的數量。透過WLAN的封包數據轉移可在空閑插槽上進行，也可在GSM TDMA多訊框結構的訊框上進行，或者每次只使用一個網路。該架構可透過商用部署終端中的可用模組加以實現，整合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，並且符合法規和標準。

協議堆疊的實現(圖2中對照OSI模型進行了描述)可支援WLAN和壓縮的GSM/WCDMA無線介面。IEEE 802.11 L2包含了MAC和802.2

圖2：多模終端硬體/軟體架構。

LLC實體，它們與實體層一起構成終端驅動。一直到接入層L1/L2的UMTS和EDGE/GPRS/GSM協議堆疊實體是獨立的。除PHY/MAC層外，設備驅動的EDGE/GPRS/GSM部份還包含了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，諸如用於無線資源控制的L3 RRC/RR/GRR，用於行動性和會話管理的GMM/SM。數據協議套件還包括用於QoS訊號和資源保留的RSVP，以及一個區域WLAN行動性管理協議。

整合問題

接下來本文將概述多模終端設計的基本考慮因素，特別是關於WLAN子系統與可用UMTS/EDGE/GPRS核心架構的整合。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，任何整合都可基於符合條件並且已經商用的硬體/軟體構建模組上很容易地進行。

硬體整合：可實現的整合主要取決於所支援的用戶場景，以及整合的WLAN/蜂巢式收發器的可用性。最初推出時，很可能會利用分離式架構，每種執行模式都使用獨立的收發器。最先進的實現方案採用了單晶片收發器、單封裝或雙封裝微處理器、蜂巢式基頻和電源管理單元、帶主機介面控制的WLAN DSP/MAC元件、用於功率放大和濾波的週邊元件，以及支援不同多媒體功能的模組。

主機介面：這是WLAN DSP/MAC控制器與主機應用處理器之間的介面。該介面應該具有足夠的頻寬，能夠提供確定的數據速率和在兩端的相容性(例如USB和SPI等標準介面)。

符合標準：終端應該符合3GPP蜂巢式規範(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和蜂巢式模式的同步執行(如使用WLAN接收數據封包數據，同時使用UMTS進行語音呼叫)，以及它們對電磁相容性的影響。

功耗：對於可攜式設備來說，功耗和電池壽命會給設計造成相當大的制約，並對產品定義和品質產生一定的影響。對於行動電話，在流量模式下，通訊引擎的功耗主要用於特定的電源控制、語音活動或數據吞吐。而在空閑模式下，功耗主要用於滿足尋呼需求。功耗要求應該根據以下因素來模擬和確定：a. 基頻和電源管理IC設計，包括所使用的製程技術、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.

表1. 功耗分析。

L1/堆疊設計(針對達到標準對功率效率的要求)以及管理核心引擎模組和無線裝置(例如，在空閑期或時脈下降沿，應當關閉不使用的模組，在不需要媒體存取時，應該進入休眠狀態)。類似的設計考慮因素也適用於WLAN子系統。

對蜂巢式執行來說，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，如子系統模組的行為因素。數據封包傳輸和接收的功耗在很大程度上取決於數據速率和多插槽配置，以及系統支援的編碼機制。

WLAN子模組的功耗取決於執行模式(休眠、接聽、接收和傳輸)。在‘休眠’期間，系統大多數模組的電源都要關閉；處於‘接聽’狀態時，終端會接聽，儘管它不會向主機處理器傳輸任何數據；當處於‘接收’和‘傳輸’狀態時，終端將主動傳輸和接收封包數據，並交換這些數據。功耗取決於不同的使用場景，即搜索、連接和空閑。TCP上行鏈路/下行鏈路可基於不同執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功能整合的主要注意事項是：a. 在WLAN搜索或空閑模式下，電流消耗會對標準行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. 儘管可以排除兩種無線電同步執行的情況，但還是需要透過通訊處理器主控制來監控和減少峰值電流消耗。當蜂巢式子系統支援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

傑爾系統公司