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(G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、CDMA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GSM基站数多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(MAC)。
　　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射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GSM和PHS的解调工作，因此要求RF芯片能够锁定PHS和GSM的频点，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MCU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。
　　DSP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，本节我们重点讨论其特点和对网络优化的意义。
　　DSP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GSM手机中，为了提高接收性能，也曾采用过DSP芯片，但它的耗电量大，且成本较高。随着网络优化的深入，DSP核心的无线MODEM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和ADSP的Hermes都采用了DSP+ARM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的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还可以针对发射进行非线性补偿，这些都是ASIC所不能完成的。收发性能的增强，提高了瞬时用户容量，对信道的分析又为切换提供了较为可信的依据。我们以大小基站多重覆盖的区域为例，单纯采用功率因素来选择基站可能因为小基站在测量的瞬间较大而选择它，而小基站的涨落较快，这对漫游的用户通话质量有很大伤害，尤其在市区，用户数量处在临界附近，对整个网络都有致命的伤害。对信道参数的实时测量可以主动地发起切换并且加快切换速度，利于小区内负载分配的优化。