基于DSP的雙模手機(jī)支持的小靈通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化包括終端、基站和核心網(wǎng)的優(yōu)化，GSM(G網(wǎng))和3G(C網(wǎng)，包括2G的IS-95)都有較完善的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案。本文中，我們主要討論小靈通網(wǎng)絡(luò)(PHS，P網(wǎng))的優(yōu)化和雙模手機(jī)對(duì)小靈通網(wǎng)絡(luò)的影響。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)存在GSM、PHS、CDMA等多網(wǎng)并存，為了充分利用這些網(wǎng)絡(luò)資源，多模手機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。建立在零中頻(Direct Conversion)的射頻(RF)技術(shù)和DSP數(shù)字基帶處理器基礎(chǔ)上的多模手機(jī)，提供了實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的強(qiáng)大能力，減少了因單個(gè)網(wǎng)絡(luò)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的無線通訊的失敗幾率。而且小靈通雙模手機(jī)利用DSP技術(shù)，可以花費(fèi)較少的代價(jià)完成對(duì)小靈通網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化，提高小靈通的瞬時(shí)負(fù)載容量和服務(wù)質(zhì)量。小靈通的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提出的時(shí)間不長(zhǎng)，但是承受著巨大的壓力。
小靈通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化存在的問題
小靈通具有功耗低 輻射小、資費(fèi)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在低端市場(chǎng)贏得了相當(dāng)多的青睞。而小靈通也有一些缺陷，發(fā)射功率低、散射嚴(yán)重、信號(hào)衰落較快等。針對(duì)這些缺點(diǎn)，PHS網(wǎng)絡(luò)采用微蜂窩技術(shù)，微蜂窩技術(shù)有一個(gè)附帶的好處就是理論上可以承載更多的用戶。但微蜂窩技術(shù)需要架設(shè)更多的基站，尤其在環(huán)境復(fù)雜、人流量大的市區(qū)。影響小靈通服務(wù)質(zhì)量有三個(gè)要素，終端(手機(jī))、基站和核心網(wǎng)絡(luò)，我們可以把它們一起視之為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的組成部分，終端和基站為無線部分的優(yōu)化，核心網(wǎng)為有線部分。對(duì)無線部分的優(yōu)化可以使系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的提高達(dá)到事半功倍的效果。與GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化不同(在GSM網(wǎng)中基站和核心網(wǎng)幾乎擔(dān)負(fù)了全部的優(yōu)化任務(wù))，PHS標(biāo)準(zhǔn)沒有指定基站對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的責(zé)任，所以無線部分的優(yōu)化有些只能從基站入手，如清除盲區(qū)、減少鄰道干擾、優(yōu)化天線仰角等。而有些可以由手機(jī)負(fù)責(zé)，如預(yù)測(cè)、分析網(wǎng)絡(luò)相位特性、發(fā)起切換、改變發(fā)射功率提高C/I比、對(duì)收發(fā)的非線性補(bǔ)償。

雖然無線部分的優(yōu)化至關(guān)重要且見效明顯，但無論從終端還是基站入手都與小靈通的發(fā)展策略相抵觸。從基站方面，小靈通網(wǎng)絡(luò)需要的基站數(shù)量多，按照功率計(jì)算且不考慮反射因素，PHS基站數(shù)要比GSM基站數(shù)多25倍以上才能覆蓋同樣面積的區(qū)域。因?yàn)樵谛§`通網(wǎng)絡(luò)的早期建設(shè)過程中缺乏好的規(guī)劃，單純采用增加覆蓋、消除盲點(diǎn)和多層覆蓋等技術(shù)，現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)商對(duì)基站的優(yōu)化必然受阻于成本和能力：成本問題反映在要對(duì)龐大數(shù)量的基站進(jìn)行測(cè)試、分析、更新參數(shù)，甚至是移動(dòng)基站，工程復(fù)雜，代價(jià)巨大；能力問題反映在因?yàn)榛疽?guī)劃的無序性和PHS調(diào)制方法的統(tǒng)計(jì)特性，常規(guī)用于GSM網(wǎng)絡(luò)的路測(cè)技術(shù)和分析模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到PHS的需求。從手機(jī)方面，小靈通持續(xù)的降低成本雖然得益于技術(shù)的進(jìn)步，使新手機(jī)性能不低于舊的手機(jī)，但也失去了提高性能以達(dá)到輔助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的機(jī)會(huì)。
核心網(wǎng)的優(yōu)化是另一個(gè)途徑，但核心網(wǎng)的優(yōu)化在于平衡接入負(fù)載以提高接入和切換的成功率。這需要知道基站覆蓋參數(shù)，如基站邊界、交疊區(qū)域、小區(qū)瞬時(shí)衰落特征。這些參數(shù)的獲取都很困難，如PHS沒有明確的基站邊界、衰落較快導(dǎo)致路測(cè)數(shù)據(jù)不可靠。所以，單獨(dú)依靠核心網(wǎng)優(yōu)化是不可能的。
雙模手機(jī)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的影響
無線通訊用戶可以選擇的是網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)。以PHS為例，不考慮手機(jī)因素，我們研究服務(wù)質(zhì)量(QoS)、資費(fèi)/成本和用戶的互動(dòng)關(guān)系。
首先用戶數(shù)量與QoS有很大的關(guān)系，而QoS與運(yùn)營(yíng)投入的成本有關(guān)，圖1中N1(c)的拐點(diǎn)是因?yàn)镻HS網(wǎng)絡(luò)中由于技術(shù)的限制，過多的投入反而會(huì)使QoS下降。N1和N2曲線的交點(diǎn)表示在市場(chǎng)開拓較為穩(wěn)定后，網(wǎng)絡(luò)所擁有的較為穩(wěn)定的用戶數(shù)。所有的運(yùn)營(yíng)商希望這一交點(diǎn)能出現(xiàn)在贏利區(qū)域。
前面關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的分析曲線可以用于雙模手機(jī)。雙模手機(jī)能同時(shí)支持兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果忽視GSM的uU層和PHS的空中接口差異性，只考慮終端與核心網(wǎng)的連接，其結(jié)果相當(dāng)于增加了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。其一次接入成功率(對(duì)兩個(gè)網(wǎng)而言)為Pg+(1-Pg)Pp(Pg、Pp為各網(wǎng)單獨(dú)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(jī)帶來了服務(wù)質(zhì)量的提高。這一點(diǎn)對(duì)GSM影響不大，但對(duì)小靈通的影響卻是巨大的，極大地拓展了小靈通用戶的漫游能力。在運(yùn)營(yíng)成本不增加的情況下，雙模用戶可以自由在資費(fèi)和服務(wù)質(zhì)量上進(jìn)行折衷，導(dǎo)致N1和N2曲線的交點(diǎn)向右移動(dòng)。下面我們將會(huì)看到，使用DSP處理器的雙模手機(jī)能做到的不止這些，甚至能單獨(dú)提高PHS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

雙模手機(jī)的結(jié)構(gòu)和延伸
我們按四層結(jié)構(gòu)來理解雙模手機(jī)的構(gòu)造。單模手機(jī)由上到下為應(yīng)用層(MMI)、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層(L3)、數(shù)據(jù)鏈路層(L2)和物理層(L1)，雙模手機(jī)為了協(xié)同兩種Uu接口和物理層，需要增加媒體匯聚層(MAC)。
最早的雙模手機(jī)協(xié)議棧架構(gòu)，它比較簡(jiǎn)單，它在L1上捆綁了兩個(gè)目標(biāo)模塊。PHS和GSM射頻和數(shù)字基帶分別由不同的芯片和處理器完成，為降低成本，基帶處理芯片一般為ASIC，L2以上包括MMI的應(yīng)用層由一個(gè)控制處理器完成，一般為ARM芯片。這樣的架構(gòu)在鏈路層下捆綁了P網(wǎng)和G網(wǎng)的無線調(diào)制解調(diào)器(Modem)，比單純地捆綁兩個(gè)手機(jī)多了協(xié)同性。這種架構(gòu)有幾個(gè)缺陷：1. 雖然ASIC成本和耗電量低，但因?yàn)榧闪藘商谉o線Modem，所以在成本和耗電量上沒有太多的優(yōu)勢(shì)；2. 數(shù)字基帶采用 ASIC，缺少了靈活性，而這種靈活性將在圖2b的方案中對(duì)性能的優(yōu)化起到巨大的作用；3. 類似于Wi-Fi，兩套R(shí)F甚至天線帶來了不可忽視的干擾，而且電路板布線也較復(fù)雜。
另一種更加先進(jìn)的雙模方案。它只采用了一顆RF芯片來完成GSM和PHS的解調(diào)工作，因此要求RF芯片能夠鎖定PHS和GSM的頻點(diǎn)，并且在短時(shí)能夠從一個(gè)頻點(diǎn)跳躍到另一個(gè)頻點(diǎn)。它的數(shù)字基帶也由一顆芯片來完成，因?yàn)閮煞N解碼方案的差異較大，適合采用DSP芯片來完成。為了管理無線電資源，仲裁可能出現(xiàn)的沖突，對(duì)上層提供統(tǒng)一的接口，在L1內(nèi)嵌入了媒體匯聚層(MAC)，MAC和其上的L1都由MCU來完成。相對(duì)于方案a，后者具有硬件芯片少、體積小和功耗小等優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)閿?shù)字基帶由DSP芯片完成，具有較好的靈活性。但這種方案也有一些缺陷：1. RF芯片為了減少成本和復(fù)雜度，采用零中頻技術(shù)，這種技術(shù)會(huì)帶來或加深本振泄漏、鄰帶干擾和高階互調(diào)等不利因素；2. DSP的成本和耗電量比ASIC大；3. 共用的無線硬件資源會(huì)引起互斥沖突。
未來的雙模手機(jī)甚至多模手機(jī)將更進(jìn)一步，并且需要依靠網(wǎng)絡(luò)的支援。類似于IP技術(shù)，它把網(wǎng)絡(luò)層分為兩層，下層具有路由能力，可以建立異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。在用戶預(yù)設(shè)了策略后，多模手機(jī)在待機(jī)和通話過程中可以動(dòng)態(tài)地在GSM網(wǎng)絡(luò)和PHS網(wǎng)絡(luò)之間跳躍，甚至上下行采用非對(duì)稱的無線信道，而不影響用戶的操作使用。這種技術(shù)變相地解決了網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題，無論對(duì)GSM或PHS通訊，掉線的幾率大大地降低。
DSP雙模手機(jī)支持的PHS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
前面我們大致了解了DSP雙模手機(jī)的架構(gòu)，本節(jié)我們重點(diǎn)討論其特點(diǎn)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的意義。
DSP雙模手機(jī)采用DSP芯片來完成數(shù)字基帶部分的工作，包括信號(hào)同步、波形成形、信道均衡、信道和信源編解碼等。在早期的GSM手機(jī)中，為了提高接收性能，也曾采用過DSP芯片，但它的耗電量大，且成本較高。隨著網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的深入，DSP核心的無線MODEM已被擯棄不用而采用ASIC或FPGA(在相對(duì)較高一級(jí)層次的應(yīng)用)，ASIC的供應(yīng)也由少數(shù)幾家公司壟斷。PHS的情況也是如此。雙模手機(jī)給了DSP架構(gòu)一個(gè)機(jī)會(huì)，因?yàn)椴煌恼{(diào)制模式和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)要求不同的基帶處理結(jié)構(gòu)，如果由ASIC來完成，體積將增大，且布線和功耗都是不利因素。現(xiàn)在的DSP芯片在體積和功耗上都非常小，而且雙模手機(jī)可以看作是較高端的需求，因?yàn)镈SP而增加的成本可以忽略。在芯片供應(yīng)上，TI的OMAP和ADSP的Hermes都采用了DSP+ARM架構(gòu)，無論從成本、功耗和體積上都可以看作是為多模智能手機(jī)度身定做。

DSP雙模手機(jī)能夠做得比ASIC更多，因?yàn)閲?guó)內(nèi)GSM的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化已經(jīng)很完善，所以DSP的應(yīng)用在GSM方面并沒有實(shí)質(zhì)性的效果。但PHS與此不同，前面說過，PHS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化非常困難，可以總結(jié)為： 1. 基站沒有明確邊界；2. 缺乏頻率規(guī)劃；3. 有較快的衰落。第一個(gè)問題導(dǎo)致了切換的無序性，第二個(gè)問題引起同頻和鄰道干擾，進(jìn)而導(dǎo)致被動(dòng)的切換信道或基站，第三個(gè)問題導(dǎo)致小區(qū)的臨界用戶容量變化較快。還有一個(gè)問題就是PHS的切換沒有一個(gè)合理的策略，以前無論終端還是網(wǎng)絡(luò)都不能實(shí)時(shí)分析信道特性，而且由于PHS信道抖動(dòng)得比GSM高得多，導(dǎo)致路測(cè)儀器結(jié)果不可靠。這經(jīng)常表現(xiàn)為在地形復(fù)雜的市區(qū)，如高樓多的地方，在服務(wù)質(zhì)量到達(dá)一個(gè)平臺(tái)后不再隨著基站數(shù)目的增多而增加，甚至可能惡化。
DSP架構(gòu)的PHS手機(jī)在收發(fā)性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于ASIC核心的手機(jī)。DSP可以完成信道參數(shù)的分析，針對(duì)信道的不同統(tǒng)計(jì)特性選擇相應(yīng)預(yù)存的處理程序，與核心網(wǎng)的交互可以分析終端的位置和預(yù)測(cè)基站的可靠性概率。DSP還可以針對(duì)發(fā)射進(jìn)行非線性補(bǔ)償，這些都是ASIC所不能完成的。收發(fā)性能的增強(qiáng)，提高了瞬時(shí)用戶容量，對(duì)信道的分析又為切換提供了較為可信的依據(jù)。我們以大小基站多重覆蓋的區(qū)域?yàn)槔?，單純采用功率因素來選擇基站可能因?yàn)樾』驹跍y(cè)量的瞬間較大而選擇它，而小基站的漲落較快，這對(duì)漫游的用戶通話質(zhì)量有很大傷害，尤其在市區(qū)，用戶數(shù)量處在臨界附近，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有致命的傷害。對(duì)信道參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量可以主動(dòng)地發(fā)起切換并且加快切換速度，利于小區(qū)內(nèi)負(fù)載分配的優(yōu)化。
通過上面的分析，我們可以預(yù)測(cè)采用DSP架構(gòu)的PHS手機(jī)在服務(wù)質(zhì)量上大大地提高了，接近GSM在上個(gè)世紀(jì)90年代末的水平。