DSP双模手机支持的小灵通网络优化

2007-03-15 13:28:39来源: EDN China
无线网络优化包括终端基站和核心网的优化,GSM(G网)和3G(C网,包括2G的IS-95)都有较完善的网络优化方案。本文中,我们主要讨论小灵通网络(PHS,P网)的优化和双模手机对小灵通网络的影响。

当前,国内存在GSM、PHS、CDMA等多网并存,为了充分利用这些网络资源,多模手机应运而生。建立在零中频(Direct Conversion)的射频(RF)技术和DSP数字基带处理器基础上的多模手机,提供了实现高性价比的强大能力,减少了因单个网络超负荷运转而导致的无线通讯的失败几率。而且小灵通双模手机利用DSP技术,可以花费较少的代价完成对小灵通网络的协同优化,提高小灵通的瞬时负载容量和服务质量。小灵通的网络优化提出的时间不长,但是承受着巨大的压力。

小灵通网络优化存在的问题

小灵通具有功耗辐射小、资费低廉等优点,在低端市场赢得了相当多的青睐。而小灵通也有一些缺 陷,发射功率低、散射严重、信号衰落较快等。针对这些缺点,PHS网络采用微蜂窝技术,微蜂窝技术有一个附带的好处就是理论上可以承载更多的用户。但微蜂窝技术需要架设更多的基站,尤其在环境复杂、人流量大的市区。影响小灵通服务质量有三个要素,终端(手机)、基站和核心网络,我们可以把它们一起视之为网络优化的组成部分,终端和基站为无线部分的优化,核心网为有线部分。对无线部分的优化可以使系统服务质量的提高达到事半功倍的效果。与GSM网络优化不同(在GSM网中基站和核心网几乎担负了全部的优化任务),PHS标准没有指定基站对网络优化的责任,所以无线部分的优化有些只能从基站入手,如清除盲区、减少邻道干扰、优化天线仰角等。而有些可以由手机负责,如预测、分析网络相位特性、发起切换、改变发射功率提高C/I比、对收发的非线性补偿。

虽然无线部分的优化至关重要且见效明显,但无论从终端还是基站入手都与小灵通的发展策略相抵触。从基站方面,小灵通网络需要的基站数量多,按照功率计算且不考虑反射因素,PHS基站数要比GSM基站数多25倍以上才能覆盖同样面积的区域。因为在小灵通网络的早期建设过程中缺乏好的规划,单纯采用增加覆盖、消除盲点和多层覆盖等技术,现在运营商对基站的优化必然受阻于成本和能力:成本问题反映在要对庞大数量的基站进行测试、分析、更新参数,甚至是移动基站,工程复杂,代价巨大;能力问题反映在因为基站规划的无序性和PHS调制方法的统计特性,常规用于GSM网络的路测技术和分析模型远远达不到PHS的需求。从手机方面,小灵通持续的降低成本虽然得益于技术的进步,使新手机性能不低于旧的手机,但也失去了提高性能以达到辅助网络进行优化的机会。

核心网的优化是另一个途径,但核心网的优化在于平衡接入负载以提高接入和切换的成功率。这需要知道基站覆盖参数,如基站边界、交叠区域、小区瞬时衰落特征。这些参数的获取都很困难,如PHS没有明确的基站边界、衰落较快导致路测数据不可靠。所以,单独依靠核心网优化是不可能的。

双模手机对服务质量的影响

无线通讯用户可以选择的是网络和手机。以PHS为例,不考虑手机因素,我们研究服务质量(QoS)、资费/成本和用户的互动关系。

首先用户数量与QoS有很大的关系,而QoS与运营投入的成本有关,图1中N1(c)的拐点是因为PHS网络中由于技术的限制,过多的投入反而会使QoS下降。N1和N2曲线的交点表示在市场开拓较为稳定后,网络所拥有的较为稳定的用户数。所有的运营商希望这一交点能出现在赢利区域。

前面关于网络的分析曲线可以用于双模手机。双模手机能同时支持两个网络,如果忽视GSM的uU层和PHS的空中接口差异性,只考虑终端与核心网的连接,其结果相当于增加了无线网络的覆盖率。其一次接入成功率(对两个网而言)为Pg+(1-Pg)Pp(Pg、Pp为各网单独的瞬间接通成功率)。切换成功率也有类似的提高,可以说双模手机带来了服务质量的提高。这一点对GSM影响不大,但对小灵通的影响却是巨大的,极大地拓展了小灵通用户的漫游能力。在运营成本不增加的情况下,双模用户可以自由在资费和服务质量上进行折衷,导致N1和N2曲线的交点向右移动。下面我们将会看到,使用DSP处理器的双模手机能做到的不止这些,甚至能单独提高PHS网络的服务质量。

双模手机的结构和延伸

我们按四层结构来理解双模手机的构造。单模手机由上到下为应用层(MMI)、传输层、网络层(L3)、数据链路层(L2)和物理层(L1),双模手机为了协同两种Uu接口和物理层,需要增加媒体汇聚层(MAC)。

最早的双模手机协议栈架构,它比较简单,它在L1上捆绑了两个目标模块。PHS和GSM射频和数字基带分别由不同的芯片和处理器完成,为降低成本,基带处理芯片一般为ASIC,L2以上包括MMI的应用层由一个控制处理器完成,一般为ARM芯片。这样的架构在链路层下捆绑了P网和G网的无线调制解调器(Modem),比单纯地捆绑两个手机多了协同性。这种架构有几个缺陷:1. 虽然ASIC成本和耗电量低,但因为集成了两套无线Modem,所以在成本和耗电量上没有太多的优势;2. 数字基带采用 ASIC,缺少了灵活性,而这种灵活性将在图2b的方案中对性能的优化起到巨大的作用;3. 类似于Wi-Fi,两套RF甚至天线带来了不可忽视的干扰,而且电路板布线也较复杂。

另一种更加先进的双模方案。它只采用了一颗RF芯片来完成GSM和PHS的解调工作,因此要求RF芯片能够锁定PHS和GSM的频点,并且在短时能够从一个频点跳跃到另一个频点。它的数字基带也由一颗芯片来完成,因为两种解码方案的差异较大,适合采用DSP芯片来完成。为了管理无线电资源,仲裁可能出现的冲突,对上层提供统一的接口,在L1内嵌入了媒体汇聚层(MAC),MAC和其上的L1都由MCU来完成。相对于方案a,后者具有硬件芯片少、体积小和功耗小等优点,而且因为数字基带由DSP芯片完成,具有较好的灵活性。但这种方案也有一些缺陷:1. RF芯片为了减少成本和复杂度,采用零中频技术,这种技术会带来或加深本振泄漏、邻带干扰和高阶互调等不利因素;2. DSP的成本和耗电量比ASIC大;3. 共用的无线硬件资源会引起互斥冲突。

未来的双模手机甚至多模手机将更进一步,并且需要依靠网络的支援。类似于IP技术,它把网络层分为两层,下层具有路由能力,可以建立异质网络的互联。在用户预设了策略后,多模手机在待机和通话过程中可以动态地在GSM网络和PHS网络之间跳跃,甚至上下行采用非对称的无线信道,而不影响用户的操作使用。这种技术变相地解决了网络覆盖的问题,无论对GSM或PHS通讯,掉线的几率大大地降低。

DSP双模手机支持的PHS网络优化

前面我们大致了解了DSP双模手机的架构,本节我们重点讨论其特点和对网络优化的意义。

DSP双模手机采用DSP芯片来完成数字基带部分的工作,包括信号同步、波形成形、信道均衡、信道和信源编解码等。在早期的GSM手机中,为了提高接收性能,也曾采用过DSP芯片,但它的耗电量大,且成本较高。随着网络优化的深入,DSP核心的无线MODEM已被摈弃不用而采用ASIC或FPGA(在相对较高一级层次的应用),ASIC的供应也由少数几家公司垄断。PHS的情况也是如此。双模手机给了DSP架构一个机会,因为不同的调制模式和协议标准要求不同的基带处理结构,如果由ASIC来完成,体积将增大,且布线和功耗都是不利因素。现在的DSP芯片在体积和功耗上都非常小,而且双模手机可以看作是较高端的需求,因为DSP而增加的成本可以忽略。在芯片供应上,TI的OMAP和ADSP的Hermes都采用了DSP+ARM架构,无论从成本、功耗和体积上都可以看作是为多模智能手机度身定做。

DSP双模手机能够做得比ASIC更多,因为国内GSM的网络优化已经很完善,所以DSP的应用在GSM方面并没有实质性的效果。但PHS与此不同,前面说过,PHS网络优化非常困难,可以总结为: 1. 基站没有明确边界;2. 缺乏频率规划;3. 有较快的衰落。第一个问题导致了切换的无序性,第二个问题引起同频和邻道干扰,进而导致被动的切换信道或基站,第三个问题导致小区的临界用户容量变化较快。还有一个问题就是PHS的切换没有一个合理的策略,以前无论终端还是网络都不能实时分析信道特性,而且由于PHS信道抖动得比GSM高得多,导致路测仪器结果不可靠。这经常表现为在地形复杂的市区,如高楼多的地方,在服务质量到达一个平台后不再随着基站数目的增多而增加,甚至可能恶化。

DSP架构的PHS手机在收发性能上远远优于ASIC核心的手机。DSP可以完成信道参数的分析,针对信道的不同统计特性选择相应预存的处理程序,与核心网的交互可以分析终端的位置和预测基站的可靠性概率。DSP还可以针对发射进行非线性补偿,这些都是ASIC所不能完成的。收发性能的增强,提高了瞬时用户容量,对信道的分析又为切换提供了较为可信的依据。我们以大小基站多重覆盖的区域为例,单纯采用功率因素来选择基站

可能因为小基站在测量的瞬间较大而选择它,而小基站的涨落较快,这对漫游的用户通话质量有很大伤害,尤其在市区,用户数量处在临界附近,对整个网络都有致命的伤害。对信道参数的实时测量可以主动地发起切换并且加快切换速度,利于小区内负载分配的优化。

通过上面的分析,我们可以预测采用DSP架构的PHS手机在服务质量上大大地提高了,接近GSM在上个世纪90年代末的水平。

关键字:射频  功耗  辐射  终端

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