多模终端体系结构及集成.doc

多模终端的体系结构和集成

CHINA 通信网 2006年2月9日
关键字：杰尔 多模终端 
作者：杰尔系统公司  Leo Ivrissimtzis博士
　　多模终端可以实现不同种类的无线访问网络之间的无缝连接，即蜂窝UMTS/EDGE/GPRS与IEEE 802.11无线（WLAN）的连接。WLAN可在小范围的家庭和热点区域提供很高的数据速率，而蜂窝网络可以提供更高的灵活性和无处不在的覆盖，但数据速率较低，如果能够结合两者的优点，用户将能从中受益。将已经部署的基础设施与移动子系统构件结合起来，可以利用这些优势。在WLAN访问点的覆盖范围内，多模终端利用WLAN进行数据访问和VoIP应用，同时还能使用重叠的蜂窝网络，进行语音呼叫或媒体访问。一旦终端监测到WLAN的存在，或者与WLAN网络连接，用户就可以发起WLAN访问，也可以自动分配访问。先进的会话移动管理技术和免授权移动访问(UMA) 技术的利用，进一步实现了WLAN与UTMS/EDGE/GPRS网络之间的漫游和数据/语音切换。
　　网络
　　集成多架构的UMTS和WLAN网络（图1）是一项非常具有挑战性的工作：(a)UMTS可以支持定义明确的服务级别的QoS，人们还在部署具有语音呼叫优先级，并且支持IEEE 802.11e QoS 的WLAN解决方案；(b)WLAN实现了LAN层的移动性，然而，要支持多架构网络之间的移动性，必须通过一些规范来实现，例如UMA或3GPP Release 6 GAN (通用访问网络)；(c) 在使用场景和切换实践中，我们还需要考虑其它一些问题。我们可以假设下列的家庭或热点场景，运营商根据这些场景来结合使用UMTS，提供高速数据，确定一些基本的用户方案：(a) 使用WLAN和UMTS，分别进行数据和语音连接，终端能够同时维护两种连接；(b)用户利用WLAN提供的数据服务，补充UMTS的数据服务，既可以同时提供两种服务，又能在UMTS数据流空闲期间提供WLAN服务；(c)单独使用UMTS和WLAN，分别提供数据和语音服务，而在存在覆盖盲区时，可以使用WLAN，作为蜂窝网络的补充。在每种情况下，数据包流被重新定向到相应的网络，取决于会话移动管理功能。
　　多模终端
　　图2中的硬件体系结构包括了L1处理器和双处理器，前者用于每个MAC接口，后者用于通信和应用。LI处理器/DSP子系统，与帧调度器和Viterbi 协处理器(EDGE/GPRS/GSM) 或Rake 接收器 (WCDMA)相结合，主要用于物理层控制和DSP功能，例如：采集、RX路径中的解调/解码、TX路径中的格式化/编码。通信处理器是UMTS-EDGE/GPRS/GSM协议栈的专用处理器，可以处理L2-3协议，执行一些系统控制功能（如电源管理、时钟和存储）。应用处理器成为一个独立的实体，用于支持用户应用，如MMI、多媒体和大容量存储设备等。

图1：多架构的UMTS-EDGE/GPRS-WLAN网络
　　　　AP/AR：接入点/路由器        MSC：移动交换中心
　　　　BSC:  基站控制器        　  PSTN：公共交换电话网络
　　　　BTS：基站收发器             RNC：无线网络控制
　　　　GGSN：网关GPRS支持节点   　 RNS：无线网络子系统
　　　　HLR:  归属位置寄存器        SGSN：服务GPRS支持节点
　　　　MGW：媒体网关           　　UNC：UMA网络控制器

　　前端包括了射频子系统，以及模拟基带信号的模/数-数/模信号转换，集成度主要取决于运营商的要求。举例来说，如果只支持UMTS压缩模式，就有可能减少收发器电路的数量。通过WLAN的数据转换可在空闲插槽上进行，也可在GSM TDMA多帧结构的帧上进行，或者每次只使用一个网络。该体系结构可通过商用部署终端中的可用构件实现，集成的主要目的是获得一个成本效率和功率效率都很高的解决方案，并且符合法规标准。
　　协议栈的实现（在图2中，对照OSI模型进行了描述）可支持WLAN和压缩GSM/WCDMA无线接口。IEEE 802.11 L2包含了MAC和802.2 LLC实体，802.2 LLC实体与物理层一起构成终端驱动。接入层L1/L2以上的UMTS和EDGE/GPRS/GSM协议栈实体是独立的。除PHY/MAC层外，设备驱动的EDGE/GPRS/GSM 部分还包含了IP层以下的协议，例如：L2中的LLC，它提供终端与SGSN之间的连接；L3中的SNDCP，协议和LLC之间的连接。控制平面包括多个协议，例如：用于无线资源控制的L3 RRC/RR/GRR；用于移动性和会话管理的GMM/SM。数据协议组合还包括用于QoS信令和资源保留的RSVP，以及一个本地WLAN移动性管理协议。

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图 2：终端HW/SW体系结构
　　应用层
GMM：GPRS移动性管理 　 LMM：本地移动性管理 　 RSVP：资源恢复协议
GRR：GPRS无线资源   　  MAC：媒体访问控制   　SC/CC/SM：服务中心/呼叫中心/SMS中心
GS：GPRS会话管理      PPP：点到点协议      SNDCP：子网络开发融合协议
IP：互联网协议          RLC：无线链路控制   　 TCP：传输控制协议
LLC：逻辑链路控制      RR/RRC：无线资源/无线资源控制 　 UDP：用户数据报协议

　　集成问题
　　下面，我们将概述多模终端设计的基本考虑因素，特别重点说明WLAN子系统与可用UMTS/EDGE/GPRS核心体系结构的集成。不同的实施方案要在功能、多功能性与成本、紧凑性和功耗之间达到平衡。然而，任何集成都可在符合条件并且已经上市的商用硬件/软件构件的基础上随时进行。
　　硬件集成：能够实现的集成主要取决于支持的用户方案，以及WLAN/蜂窝收发器的可用性。最初推出时，很可能会利用分散的体系结构，每个模式的运行都使用独立的收发器。要实现先进的集成，需要采用单芯片收发器、单封装或双封装微处理器、蜂窝基带和电源管理单元、进行主机接口控制的WLAN DSP/MAC、用于功率放大和过滤的外围设备，以及支持不同多媒体功能的多个模块。
　　主机接口：主机接口是WLAN DSP/MAC控制器与主机应用处理器之间的接口。该接口应该拥有充足的带宽，能够适应确定的数据速率，支持两端的兼容性（例如标准接口，如USB和SPI等）。
　　符合标准：终端应该符合蜂窝(3GPP TS 51.010/34.121)和WLAN标准（IEEE 802.11及其扩展）的3GPP规范。此外，终端的符合标准要求还应该包括扩展的多模用户场景，如WLAN和蜂窝模式的同时运行（如使用WLAN接收数据包数据，使用UMTS进行语音呼叫），以及它们对电磁兼容性的影响。
　　功耗：对于便携式设备来说，功耗和电池寿命会给设计造成相当大的制约，并对产品定义和质量产生一定的影响。对于蜂窝电话，在流量模式下，通信引擎的功耗主要用于特定的电源控制、语音活动或数据吞吐。而在空闲模式下，功耗主要用于满足分页需求。功耗要求应该根据以下因素来模拟和确定：a)基带和电源管理集成电路设计，包括所使用的处理技术、电压调整和效率；b)RF收发器和组件规范及设计，包括功率放大器效率；c)L1/堆栈设计，目的是达到标准对功率效率的要求，管理核心引擎构件和无线装置（例如，在空闲时，应当关闭不使用的构件。在不需要媒体访问时，应该进入休眠状态）。类似的设计考虑因素也适用于WLAN子系统。
　　对蜂窝运行来说，特别是在休眠和待机模式下，或在语音呼叫期间，功耗的峰值和平均值都是根据集成电路的性能规范和系统参数确定的，如子系统构件的活动因素。数据包传输和接收的消耗，在很大程度上取决于数据速率和多插槽配置，以及系统支持的编码机制。
　　WLAN子模块的功耗取决于运行模式（休眠、接听、接收和传输）。在“休眠”期间，系统大多数构件的电源都要关闭。而处于“接听”状态时，终端会接听，尽管它不会向主机处理器传输任何数据。当处于“接收”和“传输”状态时，终端将主动传输和接收数据包数据，并交换这些数据。功耗取决于不同的使用场景，即搜索、连接和空闲。TCP上行链路/下行链路可能取决于不同运行状态的加权平均值。
　　从表1中的摘要和无线终端的功率分析来看，涉及到终端WLAN功能集成的主要注意事项是：(a)在WLAN搜索或空闲模式下，电流消耗会对标准移动电话的总预期待机时间产生很大的影响，因而我们需要花费很大的精力来强WLAN子系统的节能模式；(b)尽管可以排除两种无线技术同时运行的情况，但还是需要通过通信处理器主控制，来监控和减少高峰电流消耗。当无线子系统支持高功率的语音呼叫时，尤其应当如此。

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　　结论
　　我们已经讨论了在现有双模蜂窝终端体系结构中集成WLAN功能的可行性。这使用户能够在接入热点和家庭部署中，获得WLAN提供的高速数据速率。我们可以利用蜂窝网络，进行语音呼叫或低速率的数据传输，既可与WLAN同时使用，也可在WLAN覆盖范围外使用。网络基础设施，以及硬件和软件构件已经上市，随时可用。我们需要仔细考虑和分析使用模式，以了解和管理切换技术和功耗的要求。