智能化改造后的固網安全淺析 - 全文

固網與移動融合（FMC）勢在必行，即手機能夠在移動網絡與非授權無線系統(tǒng)（如Wi-Fi網或藍牙連接）之間實現(xiàn)無縫切換。首先，消費者通過使用VoIP或固網電話來降低通話成本的需求存在。其次，實現(xiàn)三網合一（triple-play）的運營商的數(shù)量在不斷增加，對他們來說，固網與移動融合既是一個賣點，也是利潤的來源－無論采用何種呼叫方式，他們都能賺錢。服務提供商與設備制造商已經開始密切合作，致力于開發(fā)網絡完全融合的標準。

早期，Wi-Fi手機的主要問題在于Wi-Fi與移動網完全獨立。移動運營商最初因無法從中獲利而把Wi-Fi看成一種威脅，結果導致了雙輸?shù)木置?。由于Wi-Fi無法無縫地整合到用戶體驗中，用戶需要“激活”Wi-Fi網絡。同時，由于缺乏將Wi-Fi與移動網無縫整合的技術，用戶需要同時開啟GSM和Wi-Fi，即在用戶使用Wi-Fi時移動運營商也需要繼續(xù)通過GSM提供服務，從而導致額外的功耗，Wi-Fi的用戶體驗也不令人滿意。

此后，運營商與設備供應商開發(fā)了通過Wi-Fi和 IP提供移動語音、數(shù)據和IMS服務的技術，增強了Wi-Fi對移動運營商的“友好”性。如今的雙模手機可以不用開啟GSM就使用Wi-Fi，所有語音與數(shù)據服務也可以通過IP提供，而無需使用GSM網絡。這一技術最終導致了通用接入網（GAN）規(guī)范，即過去的非授權移動接入（UMA）的發(fā)布，這一規(guī)范現(xiàn)已成為3GPP的標準。

功耗是實現(xiàn)FMC的關鍵

盡管有消費者需求的推動，要將FMC推向大眾市場仍面臨相當大的挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)主要來自于電池技術。過去十年，人們并未在研發(fā)具有比鋰離子電池更高量密度的電池方面取得重大進展。消費者對超薄手機的需求引發(fā)電池尺寸的進一步縮小，同時，目前手機標準的電池電量值實際上遠遠小于上一代手機，一般為 650mAh，而不是1000mAh。那么，如何在不影響待機與通話時間的前提下，將手機功耗降低30%已經成為芯片制造商面臨的重大挑戰(zhàn)。而FMC手機（一般稱為雙模手機）必須同時支持兩種或三種無線裝置，其功耗更大。因此，第一部FMC手機的待機時間和通話時間指標都不高也在意料之中。UMA能夠顯著改進雙模手機的電池性能，改善消費者的用戶體驗，并使移動服務提供商獲利，從而成為三贏方案。

早期Wi-Fi手機面臨的第二個重大問題是，無線（WLAN）模塊用于PC和其它交流電供電的計算機外圍設備時，功耗并不是被關注的問題，但當將其用于手機時，功耗問題凸現(xiàn)出來。這意味著，在某些情況下，這種手機的待機時間只有半天，這也是很多分析師認為FMC市場前途未卜的原因之一。

可喜的是，最新的三星UMA雙模手機（基于恩智浦半導體的手機平臺）改變了這一局面，它有效地提升了待機和通話時間，促使分析師們開始重新考慮這個市場?！拌b于三星手機（基于恩智浦平臺）在Wi-Fi模式下的待機時長，業(yè)內一些公司（包括我們）準備重新考慮雙模Wi-Fi/蜂窩手機?！?007年7月SignalsResearchGroup，LLC公司 CEOMichaelW.Thelander在其報告中指出。

圖1：UMA 系統(tǒng)

融合手機平臺的發(fā)展

UMA手機上市以來，關于其特性、功耗以及發(fā)展方面已經有了一些初步體驗。

第一代FMC手機

這些手機通常是在移動平臺中集成一個WLAN子系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)完全獨立存在，大多數(shù)時間內都處于省電模式，尤其是在空閑模式下。FMC系統(tǒng)中一次只有一個系統(tǒng)在運作（如UMA/GAN）的明顯好處是呼叫將被重新路由并交給當前活動的系統(tǒng)，從而可以關閉另外一個系統(tǒng)。如果FMC方案在WLAN上集成 VoIP（通?；赟IP）并與蜂窩系統(tǒng)（GSM/UMTS）并行使用，由MMI（人機接口）/用戶決定呼叫路由和接聽方式，則不具備上述優(yōu)勢。

圖2：融合手機第一代平臺架構。

第二代融合手機

由于越來越多的用戶使用藍牙耳機，第二代融合手機一般都集成了藍牙（BT）功能。這類手機集成了三個射頻系統(tǒng)，并在它們之間進行協(xié)調：由于采用協(xié)同工作濾波器，GSM與BT以及GSM與WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一頻段，彼此之間干擾嚴重，因此需要復雜的射頻接入協(xié)調，特別是BT和WLANIC之間進行緊密協(xié)調。

圖3：融合手機第二代平臺

除此以外，第三個系統(tǒng)（BT）在空閑（掃描）和通話（即在使用耳機模式）時也需要額外功耗。因此BT子系統(tǒng)本身與所在的整個系統(tǒng)架構都需要具備很好的能效。

WLAN專用PMU，進一步改善系統(tǒng)能耗。采用專用于WLAN和/或BT平臺的PMU，可以避免因LDO（線性穩(wěn)壓器）造成的損耗，從而達到進一步改善能耗的目標。

功耗需求的變化

功耗需求在過去的兩年里發(fā)生了相當大的變化。用戶剛開始還能接受一些解釋：手機內置WLAN，這會損耗一些電量，待機時間只有GSM的一半。不久以后，要求WLAN待機時間達到數(shù)天則成為主要目標。但這依然沒有滿足消費者的期望：電池即便在支持相同的待機時間基礎上還要能夠通話一段時間（如3個小時）。此目標運營商們保持了一段時間。

第一批消費者的反饋表明融合手機必須具備與普通GSM手機相同的性能。消費者不希望因采用FMC技術而帶來任何明顯的差異，因此，運營商不但不會宣傳，甚至會對用戶進行隱藏該項技術?！捌胀ā盙SM手機的另一個市場推動力是Razr的成功，以及隨之不斷增長的對超薄手機的需求。現(xiàn)在，相同功能和性能的GSM手機（也包括FMC手機）一般都采用650mAh電池，而不是1000mAh，因此所有手機元件（包括WLAN）需要節(jié)約30%的能耗。圖5是功耗要求的典型演化圖，隨后將討論實現(xiàn)這一目標的解決方案。

圖4：融合手機第三代平臺。

關鍵系統(tǒng)設計

整體設計

作為獨立的子系統(tǒng)，WLAN子系統(tǒng)需要擁有自己的時鐘、電壓控制、省電模式管理，以及必要時激活主機的能力。必須避免在空閑時間內兩個系統(tǒng)并行工作：如果可以使用首選系統(tǒng)（WLAN），則另一個系統(tǒng)（GSM）需要進入睡眠狀態(tài)。為了取得良好的關鍵性能和用戶體驗，某些偏差也可以接受（例如，在通話期間）。使處理器之間的通信最小化。WLAN只有在收到相關數(shù)據時才激活主機。RSSI（電平）測量應在WLAN子系統(tǒng)內局部進行—只有測量值超出給定極限才激活主機。

圖5：UMA 手機功耗的演變過程。

協(xié)議分層及例外

嵌入軟件通常按照OSI模型進行分層：物理層在專門的硬件/DSP/CPU上運行（尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS）；低功耗在硬件和軟件中都采用“內置設計”（即通過時鐘/電壓等級、省電模式等）；較高層將在功耗更高的主CPU（或應用CPU）上運行；通常涉及到不同組織、路線圖、團隊、軟件語言、OS、工具和限制等。

作為通用規(guī)則系統(tǒng)架構應按照時間域布置軟件層：GSM中，每一幀的處理應在DSP上完成而不是主CPU（以前情況并非如此，通常項目預算也不允許完全重新設計），不過協(xié)議工作應在主CPU上完成。

以下例外情況如果可以實現(xiàn)，則將大大降低待機功耗：

GSM中：協(xié)議每0.5秒檢查用戶收到的信息是否為呼叫，這項工作可以轉交DSP，使主CPU有更長的睡眠時間。

WLAN中：每0.1秒—0.5秒進行一次RSSI和其它測量，但只有當動態(tài)下載極限超出上、下值并將產生動作時，才應激活主處理器。

惰性范式

一般情況下，所有算法設計時都考慮最差狀態(tài)下的最佳性能。如果有足夠的可用電源，這種方法不會產生任何問題，但通常情況下這一要求會過高，從而需要根據實際情況進行調整。

－每0.5秒查看鄰近小區(qū)可以產生良好的切換性能，而在空閑狀態(tài)下此動作可以被簡化。

－使用外部電源工作時（充電器、USB電纜），可以選擇最高性能的算法，而使用電池時則減少此類操作。

－只要用戶進行操作（如按鍵）就應激活高性能算法，但在一段時間內沒有任何操作，則應使用電池優(yōu)化算法。

－軟件只應做必需的事情（在限制功耗狀態(tài)下），只在必要時刷新緩存，而不是采用自動定時刷新的方式。

－手機要考慮到環(huán)境的變化，如檢測“全天同一位置”與“不斷移動”的情況，以釋放網絡掃描等請求。

-高級節(jié)能措施還需要考慮電池狀態(tài)的變化：如果電池電量下降，則移動切換速度、TX功率、屏幕刷新等性能也需要進一步降低。

－系統(tǒng)范式需要全局接口以及應用于整個系統(tǒng)的單一設計，如“使用電池”與“使用電源”狀態(tài)或活動指示等。所有算法都需要這些信息。

關鍵軟件設計

替換“Do…While”循環(huán)

嵌入軟件一般具有很多以并行邏輯運行的RTK任務。多數(shù)情況下，軟件需要等待某個條件為真，如“AP已關聯(lián)”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。最初采用一種簡單的方案（經常用于“C”語言），即在一個任務中使用“Do…while”命令，并用循環(huán)輪詢來獲得較低優(yōu)先級任務的結果（如IP協(xié)議棧）。

此時，CPU保持運行直至條件成立，這將導致高功耗。實際例子：等待顯示器完成刷新。

較好的方案是啟動RTK定時器，然后進入一段睡眠時間，過后再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種“輪詢”，但減少了對功耗的影響，并可以采用不同的睡眠間隔度，動態(tài)地適應不同的性能需求。

更好的方案是采用RTK消息與中斷，當最終達到條件時激活主機。這樣能夠最大程度地降低功耗，不過中斷是一種稀有資源，而系統(tǒng)架構必須在設計時就考慮最高效功耗。不幸的是，功耗問題一般在產品生產后期才被發(fā)現(xiàn)，因此需要進行重新設計，但很少有人會重新設計。

定時器管理是關鍵

嵌入軟件經常需要從幾毫秒到數(shù)天的定時范圍，特別是硬件處理、軟件輪詢，或由標準給定（IP、電信等）。定時器到時需要激活CPU并運行RTK/OS程序。退出省電模式后需要一段時間來達到系統(tǒng)穩(wěn)定，而返回省電模式也需要一些時間來準備下一次的正確激活。CPU激活一般非常快（在微秒范圍），但主時鐘仍需運行，這樣只節(jié)省了少量功耗。全系統(tǒng)的睡眠（包括主時鐘）可能需要5至20毫秒的激活時間，但只有這種方法才能提供最大的節(jié)能效果。

應盡可能避免出現(xiàn)定時器頻繁過期情況。給定900毫秒的定時器可以通過900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick（時鐘計時單元）來實現(xiàn)，這樣做對功耗有著全然不同的影響。操作系統(tǒng)應使用最大tick長度。這意味著為獲得最大節(jié)能效果，必須盡可能放松對定時器精度的要求，例如不采用 900毫秒（此時操作系統(tǒng)tick的時間間隔為100毫秒），實際應用中“1秒”可能已經足夠。手機擁有與實際空中接口物理層相關的系統(tǒng)tick。使用這些tick而不是人工的毫秒/秒單位，就可以減少激活的次數(shù)。GSM每幀4.615毫秒，使用這個時長為一個“tick”成為自然的選擇。語音采用多個 20毫秒做為時間間隔，需要不同的tick。WLAN信標基于100毫秒的自然tick間隔。

功耗問題將永遠存在

手機行業(yè)屬于快速變化的行業(yè)，每年都會在新款手機上增添很多新功能，而用戶期望的使用時間卻與上一代手機一致，甚至更長。即使在更大屏幕尺寸、更大畫面尺寸、更多可存儲音樂，以及更多的接入網方式（用戶甚至經?？床坏剑┑那闆r下，用戶對電池使用時間的預期依然不變。鑒于提高電池容量的工作沒有實質性進展，以及超薄手機流行的趨勢，現(xiàn)有功能的實際可用電量正在逐年大幅下滑。因此，在新手機中維持原有的良好功能就需要每年都產生創(chuàng)新的想法，要添加新功能無疑更是如此。