基于DSP的雙模手機支持的小靈通網(wǎng)絡優(yōu)化方案

無線網(wǎng)絡優(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)絡優(yōu)化方案。本文中，我們主要討論小靈通網(wǎng)絡（PHS，P網(wǎng)）的優(yōu)化和雙模手機對小靈通網(wǎng)絡的影響。
　　當前，國內(nèi)存在GSM、PHS、CDMA等多網(wǎng)并存，為了充分利用這些網(wǎng)絡資源，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(shù)字基帶處理器基礎上的多模手機，提供了實現(xiàn)高性價比的強大能力，減少了因單個網(wǎng)絡超負荷運轉(zhuǎn)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(shù)，可以花費較少的代價完成對小靈通網(wǎng)絡的協(xié)同優(yōu)化，提高小靈通的瞬時負載容量和服務質(zhì)量。小靈通的網(wǎng)絡優(yōu)化提出的時間不長，但是承受著巨大的壓力。
　　小靈通網(wǎng)絡優(yōu)化存在的問題
　　小靈通具有功耗低 輻射小、資費低廉等優(yōu)點，在低端市場贏得了相當多的青睞。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，PHS網(wǎng)絡采用微蜂窩技術(shù)，微蜂窩技術(shù)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(qū)。影響小靈通服務質(zhì)量有三個要素，終端（手機）、基站和核心網(wǎng)絡，我們可以把它們一起視之為網(wǎng)絡優(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。對無線部分的優(yōu)化可以使系統(tǒng)服務質(zhì)量的提高達到事半功倍的效果。與GSM網(wǎng)絡優(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），PHS標準沒有指定基站對網(wǎng)絡優(yōu)化的責任，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。而有些可以由手機負責，如預測、分析網(wǎng)絡相位特性、發(fā)起切換、改變發(fā)射功率提高C/I比、對收發(fā)的非線性補償。
　　雖然無線部分的優(yōu)化至關重要且見效明顯，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)絡需要的基站數(shù)量多，按照功率計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。因為在小靈通網(wǎng)絡的早期建設過程中缺乏好的規(guī)劃，單純采用增加覆蓋、消除盲點和多層覆蓋等技術(shù)，現(xiàn)在運營商對基站的優(yōu)化必然受阻于成本和能力：成本問題反映在要對龐大數(shù)量的基站進行測試、分析、更新參數(shù)，甚至是移動基站，工程復雜，代價巨大；能力問題反映在因為基站規(guī)劃的無序性和PHS調(diào)制方法的統(tǒng)計特性，常規(guī)用于GSM網(wǎng)絡的路測技術(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(xù)的降低成本雖然得益于技術(shù)的進步，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)絡進行優(yōu)化的機會。
　　核心網(wǎng)的優(yōu)化是另一個途徑，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(shù)，如基站邊界、交疊區(qū)域、小區(qū)瞬時衰落特征。這些參數(shù)的獲取都很困難，如PHS沒有明確的基站邊界、衰落較快導致路測數(shù)據(jù)不可靠。所以，單獨依靠核心網(wǎng)優(yōu)化是不可能的。
　　雙模手機對服務質(zhì)量的影響
　　無線通訊用戶可以選擇的是網(wǎng)絡和手機。以PHS為例，不考慮手機因素，我們研究服務質(zhì)量（QoS）、資費/成本和用戶的互動關系。
　　首先用戶數(shù)量與QoS有很大的關系，而QoS與運營投入的成本有關，圖1中N1（c）的拐點是因為PHS網(wǎng)絡中由于技術(shù)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(wěn)定后，網(wǎng)絡所擁有的較為穩(wěn)定的用戶數(shù)。所有的運營商希望這一交點能出現(xiàn)在贏利區(qū)域。
　　前面關于網(wǎng)絡的分析曲線可以用于雙模手機。雙模手機能同時支持兩個網(wǎng)絡，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)果相當于增加了無線網(wǎng)絡的覆蓋率。其一次接入成功率（對兩個網(wǎng)而言）為Pg+（1-Pg）Pp（Pg、Pp為各網(wǎng)單獨的瞬間接通成功率）。切換成功率也有類似的提高，可以說雙模手機帶來了服務質(zhì)量的提高。這一點對GSM影響不大，但對小靈通的影響卻是巨大的，極大地拓展了小靈通用戶的漫游能力。在運營成本不增加的情況下，雙模用戶可以自由在資費和服務質(zhì)量上進行折衷，導致N1和N2曲線的交點向右移動。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(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
　　雙模手機的結(jié)構(gòu)和延伸
　　我們按四層結(jié)構(gòu)來理解雙模手機的構(gòu)造。單模手機由上到下為應用層（MMI）、傳輸層、網(wǎng)絡層（L3）、數(shù)據(jù)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(gòu)，它比較簡單，它在L1上捆綁了兩個目標模塊。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的應用層由一個控制處理器完成，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），比單純地捆綁兩個手機多了協(xié)同性。這種架構(gòu)有幾個缺陷：1. 雖然ASIC成本和耗電量低，但因為集成了兩套無線Modem，所以在成本和耗電量上沒有太多的優(yōu)勢；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的方案中對性能的優(yōu)化起到巨大的作用；3. 類似于Wi-Fi，兩套RF甚至天線帶來了不可忽視的干擾，而且電路板布線也較復雜。
　　另一種更加先進的雙模方案。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，并且在短時能夠從一個頻點跳躍到另一個頻點。它的數(shù)字基帶也由一顆芯片來完成，因為兩種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。相對于方案a，后者具有硬件芯片少、體積小和功耗小等優(yōu)點，而且因為數(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雜度，采用零中頻技術(shù)，這種技術(shù)會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引起互斥沖突。
　　未來的雙模手機甚至多模手機將更進一步，并且需要依靠網(wǎng)絡的支援。類似于IP技術(shù)，它把網(wǎng)絡層分為兩層，下層具有路由能力，可以建立異質(zhì)網(wǎng)絡的互聯(lián)。在用戶預設了策略后，多模手機在待機和通話過程中可以動態(tài)地在GSM網(wǎng)絡和PHS網(wǎng)絡之間跳躍，甚至上下行采用非對稱的無線信道，而不影響用戶的操作使用。這種技術(shù)變相地解決了網(wǎng)絡覆蓋的問題，無論對GSM或PHS通訊，掉線的幾率大大地降低。
　　DSP雙模手機支持的PHS網(wǎng)絡優(yōu)化
　　前面我們大致了解了DSP雙模手機的架構(gòu)，本節(jié)我們重點討論其特點和對網(wǎng)絡優(yōu)化的意義。
　　DSP雙模手機采用DSP芯片來完成數(shù)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DSP芯片，但它的耗電量大，且成本較高。隨著網(wǎng)絡優(yōu)化的深入，DSP核心的無線MODEM已被擯棄不用而采用ASIC或FPGA（在相對較高一級層次的應用），ASIC的供應也由少數(shù)幾家公司壟斷。PHS的情況也是如此。雙模手機給了DSP架構(gòu)一個機會，因為不同的調(diào)制模式和協(xié)議標準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(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度身定做。
　　DSP雙模手機能夠做得比ASIC更多，因為國內(nèi)GSM的網(wǎng)絡優(yōu)化已經(jīng)很完善，所以DSP的應用在GSM方面并沒有實質(zhì)性的效果。但PHS與此不同，前面說過，PHS網(wǎng)絡優(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信道或基站，第三個問題導致小區(qū)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(wǎng)絡都不能實時分析信道特性，而且由于PHS信道抖動得比GSM高得多，導致路測儀器結(jié)果不可靠。這經(jīng)常表現(xiàn)為在地形復雜的市區(qū)，如高樓多的地方，在服務質(zhì)量到達一個平臺后不再隨著基站數(shù)目的增多而增加，甚至可能惡化。
　　DSP架構(gòu)的PHS手機在收發(fā)性能上遠遠優(yōu)于ASIC核心的手機。DSP可以完成信道參數(shù)的分析，針對信道的不同統(tǒng)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)射進行非線性補償，這些都是ASIC所不能完成的。收發(fā)性能的增強，提高了瞬時用戶容量，對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)域為例，單純采用功率因素來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，對整個網(wǎng)絡都有致命的傷害。對信道參數(shù)的實時測量可以主動地發(fā)起切換并且加快切換速度，利于小區(qū)內(nèi)負載分配的優(yōu)化。
　　通過上面的分析，我們可以預測采用DSP架構(gòu)的PHS手機在服務質(zhì)量上大大地提高了，接近GSM在上個世紀90年代末的水平。
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