DSP雙模手機的小靈通網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化分析

本文中，我們主要討論小靈通網(wǎng)絡(luò )(PHS，P網(wǎng))的優(yōu)化和雙模手機對小靈通網(wǎng)絡(luò )的影響。無(wú)線(xiàn)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。
　　當前，國內存在GSM、PHS、CDMA等多網(wǎng)并存，為了充分利用這些網(wǎng)絡(luò )資源，多模手機應運而生。建立在零中頻(Direct Conversion)的射頻(RF)技術(shù)和DSP數字基帶處理器基礎上的多模手機，提供了實(shí)現高性?xún)r(jià)比的強大能力，減少了因單個(gè)網(wǎng)絡(luò )超負荷運轉而導致的無(wú)線(xiàn)通訊的失敗幾率。而且小靈通雙模手機利用DSP技術(shù)，可以花費較少的代價(jià)完成對小靈通網(wǎng)絡(luò )的協(xié)同優(yōu)化，提高小靈通的瞬時(shí)負載容量和服務(wù)質(zhì)量。小靈通的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化提出的時(shí)間不長(cháng)，但是承受著(zhù)巨大的壓力。
　　小靈通網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化存在的問(wèn)題
　　小靈通具有功耗低 輻射小、資費低廉等優(yōu)點(diǎn)，在低端市場(chǎng)贏(yíng)得了相當多的青睞。而小靈通也有一些缺陷，發(fā)射功率低、散射嚴重、信號衰落較快等。針對這些缺點(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(hù)。但微蜂窩技術(shù)需要架設更多的基站，尤其在環(huán)境復雜、人流量大的市區。影響小靈通服務(wù)質(zhì)量有三個(gè)要素，終端(手機)、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(wú)線(xiàn)部分的優(yōu)化，核心網(wǎng)為有線(xiàn)部分。對無(wú)線(xiàn)部分的優(yōu)化可以使系統服務(wù)質(zhì)量的提高達到事半功倍的效果。與GSM網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化不同(在GSM網(wǎng)中基站和核心網(wǎng)幾乎擔負了全部的優(yōu)化任務(wù))，PHS標準沒(méi)有指定基站對網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的責任，所以無(wú)線(xiàn)部分的優(yōu)化有些只能從基站入手，如清除盲區、減少鄰道干擾、優(yōu)化天線(xiàn)仰角等。而有些可以由手機負責，如預測、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、對收發(fā)的非線(xiàn)性補償。

　　雖然無(wú)線(xiàn)部分的優(yōu)化至關(guān)重要且見(jiàn)效明顯，但無(wú)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 )需要的基站數量多，按照功率計算且不考慮反射因素，PHS基站數要比GSM基站數多25倍以上才能覆蓋同樣面積的區域。因為在小靈通網(wǎng)絡(luò )的早期建設過(guò)程中缺乏好的規劃，單純采用增加覆蓋、消除盲點(diǎn)和多層覆蓋等技術(shù)，現在運營(yíng)商對基站的優(yōu)化必然受阻于成本和能力：成本問(wèn)題反映在要對龐大數量的基站進(jìn)行測試、分析、更新參數，甚至是移動(dòng)基站，工程復雜，代價(jià)巨大；能力問(wèn)題反映在因為基站規劃的無(wú)序性和PHS調制方法的統計特性，常規用于GSM網(wǎng)絡(luò )的路測技術(shù)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得益于技術(shù)的進(jìn)步，使新手機性能不低于舊的手機，但也失去了提高性能以達到輔助網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行優(yōu)化的機會(huì )。
　　核心網(wǎng)的優(yōu)化是另一個(gè)途徑，但核心網(wǎng)的優(yōu)化在于平衡接入負載以提高接入和切換的成功率。這需要知道基站覆蓋參數，如基站邊界、交疊區域、小區瞬時(shí)衰落特征。這些參數的獲取都很困難，如PHS沒(méi)有明確的基站邊界、衰落較快導致路測數據不可靠。所以，單獨依靠核心網(wǎng)優(yōu)化是不可能的。
　　雙模手機對服務(wù)質(zhì)量的影響
　　無(wú)線(xiàn)通訊用戶(hù)可以選擇的是網(wǎng)絡(luò )和手機。以PHS為例，不考慮手機因素，我們研究服務(wù)質(zhì)量(QoS)、資費/成本和用戶(hù)的互動(dòng)關(guān)系。
　　首先用戶(hù)數量與QoS有很大的關(guān)系，而QoS與運營(yíng)投入的成本有關(guān)，圖1中N1(c)的拐點(diǎn)是因為PHS網(wǎng)絡(luò )中由于技術(shù)的限制，過(guò)多的投入反而會(huì )使QoS下降。N1和N2曲線(xiàn)的交點(diǎn)表示在市場(chǎng)開(kāi)拓較為穩定后，網(wǎng)絡(luò )所擁有的較為穩定的用戶(hù)數。所有的運營(yíng)商希望這一交點(diǎn)能出現在贏(yíng)利區域。
　　前面關(guān)于網(wǎng)絡(luò )的分析曲線(xiàn)可以用于雙模手機。雙模手機能同時(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，其結果相當于增加了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋率。其一次接入成功率(對兩個(gè)網(wǎng)而言)為Pg+(1-Pg)Pp(Pg、Pp為各網(wǎng)單獨的瞬間接通成功率)。切換成功率也有類(lèi)似的提高，可以說(shuō)雙模手機帶來(lái)了服務(wù)質(zhì)量的提高。這一點(diǎn)對GSM影響不大，但對小靈通的影響卻是巨大的，極大地拓展了小靈通用戶(hù)的漫游能力。在運營(yíng)成本不增加的情況下，雙模用戶(hù)可以自由在資費和服務(wù)質(zhì)量上進(jìn)行折衷，導致N1和N2曲線(xiàn)的交點(diǎn)向右移動(dòng)。下面我們將會(huì )看到，使用DSP處理器的雙模手機能做到的不止這些，甚至能單獨提高PHS網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量。

　　雙模手機的結構和延伸
　　我們按四層結構來(lái)理解雙模手機的構造。單模手機由上到下為應用層(MMI)、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層(L3)、數據鏈路層(L2)和物理層(L1)，雙模手機為了協(xié)同兩種Uu接口和物理層，需要增加媒體匯聚層(MAC)。
　　最早的雙模手機協(xié)議棧架構，它比較簡(jiǎn)單，它在L1上捆綁了兩個(gè)目標模塊。PHS和GSM射頻和數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的應用層由一個(gè)控制處理器完成，一般為ARM芯片。這樣的架構在鏈路層下捆綁了P網(wǎng)和G網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)調制解調器(Modem)，比單純地捆綁兩個(gè)手機多了協(xié)同性。這種架構有幾個(gè)缺陷：1. 雖然ASIC成本和耗電量低，但因為集成了兩套無(wú)線(xiàn)Modem，所以在成本和耗電量上沒(méi)有太多的優(yōu)勢；2. 數字基帶采用 ASIC，缺少了靈活性，而這種靈活性將在圖2b的方案中對性能的優(yōu)化起到巨大的作用；3. 類(lèi)似于Wi-Fi，兩套RF甚至天線(xiàn)帶來(lái)了不可忽視的干擾，而且電路板布線(xiàn)也較復雜。
　　另一種更加先進(jìn)的雙模方案。它只采用了一顆RF芯片來(lái)完成GSM和PHS的解調工作，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)。它的數字基帶也由一顆芯片來(lái)完成，因為兩種解碼方案的差異較大，適合采用DSP芯片來(lái)完成。為了管理無(wú)線(xiàn)電資源，仲裁可能出現的沖突，對上層提供統一的接口，在L1內嵌入了媒體匯聚層(MAC)，MAC和其上的L1都由MCU來(lái)完成。相對于方案a，后者具有硬件芯片少、體積小和功耗小等優(yōu)點(diǎn)，而且因為數字基帶由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雜度，采用零中頻技術(shù)，這種技術(shù)會(huì )帶來(lái)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(wú)線(xiàn)硬件資源會(huì )引起互斥沖突。
　　未來(lái)的雙模手機甚至多模手機將更進(jìn)一步，并且需要依靠網(wǎng)絡(luò )的支援。類(lèi)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(hù)預設了策略后，多模手機在待機和通話(huà)過(guò)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稱(chēng)的無(wú)線(xiàn)信道，而不影響用戶(hù)的操作使用。這種技術(shù)變相地解決了網(wǎng)絡(luò )覆蓋的問(wèn)題，無(wú)論對GSM或PHS通訊，掉線(xiàn)的幾率大大地降低。
　　DSP雙模手機支持的PHS網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化
　　前面我們大致了解了DSP雙模手機的架構，本節我們重點(diǎn)討論其特點(diǎn)和對網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的意義。
　　DSP雙模手機采用DSP芯片來(lái)完成數字基帶部分的工作，包括信號同步、波形成形、信道均衡、信道和信源編解碼等。在早期的GSM手機中，為了提高接收性能，也曾采用過(guò)DSP芯片，但它的耗電量大，且成本較高。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化的深入，DSP核心的無(wú)線(xiàn)MODEM已被擯棄不用而采用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(gè)機會(huì )，因為不同的調制模式和協(xié)議標準要求不同的基帶處理結構，如果由ASIC來(lái)完成，體積將增大，且布線(xiàn)和功耗都是不利因素?，F在的DSP芯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端的需求，因為DSP而增加的成本可以忽略。在芯片供應上，TI的OMAP和ADSP的Hermes都采用了DSP+ARM架構，無(wú)論從成本、功耗和體積上都可以看作是為多模智能手機度身定做。

　　DSP雙模手機能夠做得比ASIC更多，因為國內GSM的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化已經(jīng)很完善，所以DSP的應用在GSM方面并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的效果。但PHS與此不同，前面說(shuō)過(guò)，PHS網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化非常困難，可以總結為： 1. 基站沒(méi)有明確邊界；2. 缺乏頻率規劃；3. 有較快的衰落。第一個(gè)問(wèn)題導致了切換的無(wú)序性，第二個(gè)問(wèn)題引起同頻和鄰道干擾，進(jìn)而導致被動(dòng)的切換信道或基站，第三個(gè)問(wèn)題導致小區的臨界用戶(hù)容量變化較快。還有一個(gè)問(wèn)題就是PHS的切換沒(méi)有一個(gè)合理的策略，以前無(wú)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，導致路測儀器結果不可靠。這經(jīng)常表現為在地形復雜的市區，如高樓多的地方，在服務(wù)質(zhì)量到達一個(gè)平臺后不再隨著(zhù)基站數目的增多而增加，甚至可能惡化。
　　DSP架構的PHS手機在收發(fā)性能上遠遠優(yōu)于A(yíng)SIC核心的手機。DSP可以完成信道參數的分析，針對信道的不同統計特性選擇相應預存的處理程序，與核心網(wǎng)的交互可以分析終端的位置和預測基站的可靠性概率。DSP還可以針對發(fā)射進(jìn)行非線(xiàn)性補償，這些都是ASIC所不能完成的。收發(fā)性能的增強，提高了瞬時(shí)用戶(hù)容量，對信道的分析又為切換提供了較為可信的依據。我們以大小基站多重覆蓋的區域為例，單純采用功率因素來(lái)選擇基站可能因為小基站在測量的瞬間較大而選擇它，而小基站的漲落較快，這對漫游的用戶(hù)通話(huà)質(zhì)量有很大傷害，尤其在市區，用戶(hù)數量處在臨界附近，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )都有致命的傷害。對信道參數的實(shí)時(shí)測量可以主動(dòng)地發(fā)起切換并且加快切換速度，利于小區內負載分配的優(yōu)化。