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DSP雙模手機支援的小靈通網路最佳化

上網時間: 2005年11月02日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:PHS  小靈通  GSM  多模手機  網路最佳化 

無線網路最佳化包括終端、基地台和核心網路的最佳化,GSM(G網路)和3G(C網路,包括2G的IS-95)都有較完善的網路最佳化方案。本文將討論小靈通網路(PHS,P網路)的最佳化和雙模手機對小靈通網路的影響。

目前,為了充分利用GSM、PHS、CDMA等多網路並存的這些網路資源,多模手機應運而生。設立在零中頻(Direct Conversion)的射頻(RF)技術和DSP數位基頻處理器基礎上的多模手機,提供了實現高性價比的強大能力,減少了因單個網路超負載運轉而導致的無線通訊的失敗幾率。而且小靈通雙模手機利用DSP技術,可以花費較少的代價完成對小靈通網路的協同最佳化,提高小靈通的瞬時負載容量和服務品質。小靈通的網路最佳化提出的時間不長,但是承受著巨大的壓力。

小靈通網路最佳化存在的問題

小靈通具有功耗低、輻射小、資費低廉等優點,在低階市場贏得了相當多的青睞。而小靈通也有一些缺陷,發射功率低、散射嚴重、訊號衰落較快等。針對這些缺點,PHS網路採用微蜂巢式技術,微蜂巢式技術有一個附帶的好處就是理論上可以承載更多的用戶。但微蜂巢式技術需要架設更多的基地台,尤其在環境複雜、人流量大的市區。影響小靈通服務品質有三個要素,終端(手機)、基地台和核心網路,我們可以把它們一起視之為網路最佳化的組成部份,終端和基地台為無線部份的最佳化,核心網路為有線部份。對無線部份的最佳化可以使系統服務品質的提高達到事半功倍的效果。與GSM網路最佳化不同(在GSM網路中基地台和核心網路幾乎擔負了全部的最佳化任務),PHS標準沒有指定基地台對網路最佳化的責任,所以無線部份的最佳化有些只能從基地台入手,如清除盲區、減少鄰道干擾、最佳化天線仰角等。而有些可以由手機負責,如預測、分析網路相位特性、發起切換、改變發射功率提高C/I比、對收發的非線性補償。

圖1:用戶支援度示意圖,N1(c)表示用戶隨單位成本的變化,N2(f)表示用戶隨單位資費的變化。左邊為廠商虧損區域,右邊為獲利區域。

雖然無線部份的最佳化至關重要且見效明顯,但無論從終端還是基地台入手都與小靈通的發展策略相抵觸。從基地台方面,小靈通網路需要的基地台數量多,按照功率運算且不考慮反射因素,PHS基地台數要比GSM基地台數多25倍以上才能覆蓋同樣面積的區域。因為在小靈通網路的早期建設過程中缺乏好的規劃,單純採用增加覆蓋、消除盲點和多層覆蓋等技術,現在廠商對基地台的最佳化必然受阻於成本和能力:成本問題反映在要對龐大數量的基地台進行測試、分析、更新參數,甚至是行動基地台,工程複雜,代價巨大;能力問題反映在因為基地台規劃的無序性和PHS調變方法的統計特性,常規用於GSM網路的路測技術和分析模型遠遠達不到PHS的需求。從手機方面,小靈通持續的降低成本雖然受惠於技術的進步,使新手機性能不低於舊的手機,但也失去了提高性能以達到輔助網路進行最佳化的機會。

核心網路的最佳化是另一個途徑,但核心網路的最佳化在於平衡接取負載以提高接取和切換的成功率。這需要知道基地台覆蓋參數,如基地台邊界、交疊區域、小區瞬時衰落特徵。這些參數的獲取都很困難,如PHS沒有明確的基地台邊界、衰落較快導致路測數據不可靠。所以,單獨依靠核心網路最佳化是不可能的。

雙模手機對服務品質的影響

無線通訊用戶可以選擇的是網路和手機。以PHS為例,不考慮手機因素,我們研究服務品質(QoS)、資費/成本和用戶的互動關係。首先用戶數量與QoS有很大的關係,而QoS與營運投入的成本有關,圖中N1(c)的拐點是因為PHS網路中由於技術的限制,過多的投入反而會使QoS下降。N1和N2曲線的交點表示在市場開拓較為穩定後,網路所擁有的較為穩定的用戶數。所有的廠商希望這一交點能出現在獲利區域。

前面關於網路的分析曲線可以用於雙模手機。雙模手機能同時支援兩個網路,如果忽視GSM的uU層和PHS的空中介面差異性,只考慮終端與核心網路的連接,其結果相當於增加了無線網路的覆蓋率。其一次接取成功率(對兩個網路而言)為Pg+(1-Pg)Pp(Pg、Pp為各網路單獨的瞬間接通成功率)。切換成功率也有類似的提高,可以說雙模手機帶來了服務品質的提高。這一點對GSM影響不大,但對小靈通的影響卻是巨大的,大幅拓展了小靈通用戶的漫遊能力。在營運成本不增加的情況下,雙模用戶可以自由在資費和服務品質上進行折衷,導致N1和N2曲線的交點向右行動。下面我們將會看到,使用DSP處理器的雙模手機能做到的不止這些,甚至能單獨提高PHS網路的服務品質。

雙模手機的結構和延伸

我們按四層結構來解析雙模手機的構造。單模手機由上到下為應用層(MMI)、傳輸層、網路層(L3)、數據鏈路層(L2)和實體層(L1),雙模手機為了協同兩種Uu介面和實體層,需要增加媒體匯聚層(MAC)。

圖2(a)顯示最早的雙模手機協議堆疊架構,它比較簡單,它在L1上整合了兩個目標模組。PHS和GSM射頻和數位基頻分別由不同的晶片和處理器完成,為降低成本,基頻處理晶片一般為ASIC,L2以上包括MMI的應用層由一個控制處理器完成,一般為ARM晶片。這樣的架構在鏈路層下整合了P網路和G網路的無線數據機(Modem),比單純地整合兩個手機多了協同性。這種架構有幾個缺陷:1. 雖然ASIC成本和耗電量低,但因為整合了兩套無線Modem,所以在成本和耗電量上沒有太多的優勢;2. 數位基頻採用ASIC,缺少了靈活性,而這種靈活性將在圖(b)的方案中對性能的最佳化起到巨大的作用;3. 類似於Wi-Fi,兩套RF甚至天線帶來了不可忽視的干擾,而且電路板佈線也較複雜。

圖(b)展示了另一種更加先進的雙模方案。它只採用了一顆RF晶片來完成GSM和PHS的解調工作,因此要求RF晶片能夠鎖定PHS和GSM的頻點,並且在短時能夠從一個頻點跳躍到另一個頻點。它的數位基頻也由一顆晶片來完成,因為兩種解碼方案的差異較大,適合採用DSP晶片來完成。為了管理無線電資源,仲裁可能出現的衝突,對上層提供統一的介面,在L1內嵌入了媒體匯聚層(MAC),MAC和其上的L1都由MCU來完成。相對於方案a,後者具有硬體晶片少、體積小和功耗小等優點,而且因為數位基頻由DSP晶片完成,具有較好的靈活性。但這種方案也有一些缺陷:1. RF晶片為了減少成本和複雜度,採用零中頻技術,這種技術會帶來或加深本振泄漏、鄰帶干擾和高階互調等不利因素;2. DSP的成本和耗電量比ASIC大;3. 共用的無線硬體資源會引起互斥衝突。

未來的雙模手機甚至多模手機將更進一步,並且需要依靠網路的支援。類似於IP技術,它把網路層分為兩層,下層具有路由能力,可以設立異質網路的互聯。在用戶預設了策略後,多模手機在待機和通話過程中可以動態地在GSM網路和PHS網路之間跳躍,甚至上下行採用非對稱的無線訊息通道,而不影響用戶的作業使用。這種技術變相地解決了網路覆蓋的問題,無論對GSM或PHS通訊,掉線的幾率大幅地降低。

DSP雙模手機支援的PHS網路最佳化

前面我們大致了解了DSP雙模手機的架構,本節我們重點討論其特點和對網路最佳化的意義。

圖2:兩種雙模手機的架構。

DSP雙模手機採用DSP晶片來完成數位基頻部份的工作,包括訊號同步、波形成形、訊息通道均衡、訊息通道和訊號源編解碼等。在早期的GSM手機中,為了提高接收性能,也曾採用過DSP晶片,但它的耗電量大,且成本較高。隨著網路最佳化的深入,DSP核心的無線MODEM已被捨棄不用而採用ASIC或FPGA(在相對較高一級層次的應用),ASIC的供應也由少數幾家公司壟斷。PHS的情況也是如此。雙模手機給了DSP架構一個機會,因為不同的調變模式和協議標準要求不同的基頻處理結構,如果由ASIC來完成,體積將增大,且佈線和功耗都是不利因素。現在的DSP晶片在體積和功耗上都非常小,而且雙模手機可以看作是較高階的需求,因為DSP而增加的成本可以忽略。在晶片供應上,TI的OMAP和ADSP的Hermes都採用了DSP+ARM架構,無論從成本、功耗和體積上都可以看作是為多模智慧手機量身訂做。

DSP雙模手機能夠做得比ASIC更多,由於目前GSM的網路已非常成熟,所以DSP的應用在GSM方面並沒有實質性的效果。但PHS與此不同,前面說過,PHS網路最佳化非常困難,可以總結為:1. 基地台沒有明確邊界;2. 缺乏頻率規劃;3. 有較快的衰落。第一個問題導致了切換的無序性,第二個問題引起同頻和鄰道干擾,進而導致被動的切換訊息通道或基地台,第三個問題導致小區的臨界用戶容量變化較快。還有一個問題就是PHS的切換沒有一個合理的策略,以前無論終端還是網路都不能即時分析訊息通道特性,而且由於PHS訊息通道抖動得比GSM高得多,導致路測儀器結果不可靠。這經常表現為在地形複雜的市區,如高樓多的地方,在服務品質到達一個平台後不再隨著基地台數目的增多而增加,甚至可能惡化。

DSP架構的PHS手機在收發性能上遠遠優於ASIC核心的手機。DSP可以完成訊息通道參數的分析,針對訊息通道的不同統計特性選擇相應預存的處理程式,與核心網路的交互可以分析終端的位置和預測基地台的可靠性概率。DSP還可以針對發射進行非線性補償,這些都是ASIC所不能完成的。收發性能的增強,提高了瞬時用戶容量,對訊息通道的分析又為切換提供了較為可信的依據。我們以大小基地台多重覆蓋的區域為例,單純採用功率因素來選擇基地台可能因為小基地台在測量的瞬間較大而選擇它,而小基地台的漲落較快,這對漫遊的用戶通話品質有很大傷害,尤其在市區,用戶數量處在臨界附近,對整個網路都有致命的傷害。對訊息通道參數的即時測量可以主動地發起切換並且加速切換速度,利於小區內負載分配的最佳化。

透過上面的分析,我們可以預測採用DSP架構的PHS手機在服務品質上大幅地提高了,接近GSM在90年代末的水準。

作者: 張景


高級研究工程師


Email: jingzhang@utstar.com


UTStarcom通訊有限公司





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