DSP双模手机的小灵通网络优化分析(精)

1、DSP 双模手机的小灵通网络优化分析 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。无线网络优化包括终端、基站和核心网的优化， GSM（网）和 3G（C 网，包括 2G 的 IS-95）都有较完善的网络优化方案。 当前，国内存在 GSM PHS CDM 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

2、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 小灵通具有功耗低 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

3、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 GS

4、MS 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

5、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

6、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

7、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(MA6 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 寸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

8、 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 GS 淸口 PHS 的 解调工

9、作，因此要求 RF 芯片能够锁定 PHS 和 GSM 勺频点，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MCI 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

10、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。 DSF 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

11、论其特点和对 网络优化的意义。 DSF 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 GSh 手机中，为了提高 接收性能，也曾采用过 DSF 芯片，但它的耗电量大，且成本较高。随着网络优 化的深入， DSF 核心的无线 MODE 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

12、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 口 ADSP 的 Hermes 都采用了 DSP+AR 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 勺网络优化已经很完 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

13、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可以针对发 射进行非线性补偿，这些都是