WLAN话音面临功耗挑战

VoIP必定会给电话系统带来革命性的变化，这种技术通过电话实现了话音和数据互联的融合，从而不再需要单独的数据和话音电缆系统，与此同时它还提高了网络效率并降低了每次呼叫的成本。与此同时，我们也正在经历着无线局域网（WLAN）的迅速增长，WLAN技术允许用户以无线方式访问Internet并且通过网络接入点传输数据。
　　这两种标准都是具有革命性的技术，而将它们结合起来所具有的影响力就更大了――这就是VoWLAN或WLAN话音技术。VoWLAN解决方案将为引入新型通信设备铺平道路，从此用户将畅游在企业网络、住宅宽带网络和公用Wi-Fi网络之间。
　　初看之下，这个解决方案几乎是再平常不过了：随便找一个标准的VoIP有线电话，给它配上WLAN通信单元，再将接入点（AP）安装到网络中，不就可以用VoWLAN手机通话了吗？
　　然而，事情并不是那么简单，至少有3个大的技术障碍必须清除：
　　· 形状因数，包括设备的大小和重量，必须与目前的无绳电话协调一致。但是价格可能更高一点，因为WLAN提供更多的应用和可能性；
　　· 即使在WLAN环境中，仍然需要实施QoS（Quality of Service），因为WLAN实际上是用于数据传送的，不能保证带宽；
　　· 最后，功耗必须足够低以高效率地实现两次充电之间的长运行时间。
　　第一个障碍看起来已经被清除了。最初的产品已经推向市场，而且初看之下，几乎不能将它们与普通的无绳电话区分开来。第二个障碍，即QoS，仅仅有时会在标准化解决方案（IEEE 802.11e）应用前的线路上遇到。专用解决方案也能解决这个问题，实际上这类解决方案已经使用。不过，在实际使用它们时确实受到限制，一旦一些标准推出以后，这些专用解决方案也许不能修改，因而无法遵循这些标准。
　　第三个障碍是我们现在必须集中精力解决的：怎样设计一个VoWLAN解决方案使之能用现实可行的电池实现合理运行时间？
　　挑战
　　关于VoWLAN电话的功耗，以下要求适用：
　　· 电池容量应该达到标准水平，否则将导致价格、重量或尺寸的增加；
　　· 备用时间应该够连续工作50多小时（等于一周的工作时间，加上一些工作时间之外的使用）
　　· 通话时间应该多于5小时，够电话通话很多的人用一整个工作日。
　　如果上述3项指标遵循共同的准则（也就是标准800mAh电池），那么通话期间的功耗可能平均不超过160mA，处于备用模式期间平均不超过16mA。
　　硬件
　　下面的图表给出了一个典型的VoWLAN芯片组（这里是杰尔系统公司的4芯片解决方案）。

　　这个芯片组主要由以下组件组成：
　　· T8307 VoIP处理器，由一个微控制器和一个DSP内核组成。DSP用于实现需要在VoIP电话中执行的一般功能。线性音频采样要经过数据压缩过程并需要转换成G711、G729A或G723.1这3种常见声码器格式之一。还必须实施回声消除以去掉无绳电话中从扬声器到麦克风的反馈。然后，必须执行的是键盘扫描、显示控制、电源管理和通信功能控制；
　　· CSP2200模拟组件，具有很多功能，如用于控制外部麦克风和扬声器的缓冲放大器、用于话音信号的模数和数模转换器以及用于电池供电和充电管理的电路；
　　· WL60010 WLAN MAC控制器，也就是适用于WLAN的专用处理器，它实现全部的实时控制和全部的802.11-MAC管理。用T8307作为"主机处理器"，WL60010就能管理无线以太网接口，从而接管了所有针对WLAN的任务；
　　· WL1141 WLAN PHY组件，也就是多芯片模块，包括所有802.11b射频解决方案（DSSS/CCK基带处理器、2.4GHz收发器、性能增强器和滤波器）的WLAN功能。
　　为了讨论功耗问题，我们分别考虑两个VoIP芯片（包括外部组件）和两个WLAN芯片，然后再把结果加在一起。
　　针对VoIP部分降低功耗
　　在无绳电话中，通过组合采取以下措施可以实现功耗的降低：
　　· 断开不用的外部和芯片内部电路组件（对芯片内部电路，一般切断系统周期就足够了）；
　　· 用于DSP和微处理器内核的系统周期频率降低（或甚至完全切断）。
　　T8307和CSP2200组件都集成了必需的硬件，该硬件容许很灵活地实现上面提到的功能。CSP2200包括8个稳压器，这些稳压器可以编程并能单独断开。T8307的系统周期频率因而可以降低到32kHz。
　　杰尔系统公司已经为T8307和CSP2200确定了两种有关的基本运行模式：
　　· 备用模式：处理器和DSP处于省电模式。仅有键盘扫描器、定时器和实时时钟是有效的。32kHz振荡器可以提供系统周期。每隔400ms必须唤醒一次处理器（参见WLAN一节中对此的解释）。当通过键盘输入要进行某项操作的信号时，处理器也必须唤醒。这两种情况要求微处理器短期进入有效模式。备用模式期间的平均功耗是5mA。
　　· 有效模式：在这一模式下，DSP/微控制器都接通，并使用40MHz至90MHz的系统周期。在8KHz周期中，DSP与CSP2200中的A/D和D/A转换器交换音频数据。DSP执行音频回声消除和声码器算法以及组合和拆分声码器帧，DSP与处理器在10ms周期内交换这些帧。处理器产生及拆分以太网帧，再在10ms、20ms或30ms周期内与WLAN-MAC组件交换这些帧。处理器还控制H323信令、WLAN-MAC组件、图形显示以及键盘。这种模式的平均功耗通常约为100mA。由于在这种运行模式下短期转换到一种省电模式是不可能的，所以仅能通过明智地选择周期频率实现功耗的降低。
　　针对WLAN部分降低功耗
　　处于被称为"用户运行"状态（电话的典型状态）的WLAN系统工作于3种模式之一：
　　· 发送模式：发送一个信息包。功耗值取决于芯片组，可以大不相同。在采用杰尔WL60010/WL1141芯片组的情况下，大约为285mA。这个值不受所采用数据速率（1、2、5.5或11Mb/s）的影响。
　　· 接收模式：执行检测，以防信息包是由其他WLAN（一般是AP）发出的。在接收模式下，杰尔芯片组消耗185mA功率。

· 休眠模式：如果设备处于"电源管理（PM）"状态，那么这个模式仅供暂时性使用。芯片组休眠后，其唤醒周期与所谓的WLAN芯片组AP的Beacon间隔（一般是100ms）一致，唤醒后进入接收模式以接收输入的信息包。如果没有来自AP的信息包，休眠/唤醒周期的时间比大约为98%比2%，在休眠模式下，杰尔芯片组功耗为6mA。

　　实现所需的功耗等级
　　在以上假设的基础上，我们可以分析WLAN芯片组的功耗。更简单的情况是备用状态（参见以上图表）。通常休眠模式会产生0.98×6＋0.02×185＝9.58mA的平均功耗。为了进一步缩小这个值，可能采取的措施有两个：降低休眠功耗和/或提高Beacon估算时间。如果后者延长至400ms，上述算式的结果为6.9mA。进一步提高Beacon估算时间几乎是不实际的，因为任何呼叫信令的延时都是由这个时间产生的，所以400ms看来是一个合理的折衷。改善休眠模式(断开振荡器和收发器，MAC基本周期减速)功耗的"深度睡眠概念"可使功耗降低大约1mA，但是它仍然处于开发阶段，因为从这么深度的睡眠模式下唤醒需要复杂的"准时唤醒"处理。
　　一个更复杂的方案是在通话期间观察并研究功耗。在这里，VoIP主机处理器采样为WLAN部分提供所需周期。根据所用编译码器的不同，提供10ms、20ms或30ms采样率。在接收模式下简单地保持不变是不可行的，因为所限定的功耗会立即被超过。因此这里也需要采用休眠模式。由于采样值的发送和接收，所以以下周期成为WLAN部分所必需的周期（参见以下图表）：
　　· 从休眠模式唤醒
　　· 发送采样值（发送模式）
　　· WLAN承认信息包的接收（接收模式）
　　· 来自对方的采样值的接收（接收模式）
　　· ACK信息包的释放（发送模式）
　　· 短等待时间（保持期）
　　· 向AP发送断开信息，声明用户再次进入休眠模式
　　· 重新进入休眠模式直到下一次采样周期到来


　　这里的目的当然是最大化用在休眠模式上的时间。如果有编译码器，那么采样间隔的延长也会导致信息包的增大，结果，"有效时间"伴随着ACK信息包和其他WLAN额外开销时间而节省了。
　　需要一个很详细的分析来计算这种方案的平均功耗。下面的电子表格 仅显示了基于一个参数组合（20ms采样率）的结果：

　　以下表格提供了另外几项结果（备用模式的值基于400ms Beacon间隔）

　　你可能注意到了，提高采样率可以降低功耗。然而，初看之下变得更清楚和矛盾的是，在更高数据速率的情况下，平均功耗下降。再看之下，它就变得相当可以理解了，因为更高数据速率时发送和接收时间变得更短了，而且在更早的阶段就进入了节省功耗的休眠模式。红色区域超出了最初讨论的功耗级别。因此，在VoIP部分，采样率必须尽可能地接近30ms，而且必须用更高的数据速率。在实用中，这可以通过相应的接入点调整来实现。
　　总之，适当地实施电源管理概念，尤其是在WLAN部分，确实能将功耗降低到容许实际使用VoWLAN手机的程度。在业界标准的限制框架之内进一步降低功耗的可能性仍然处于调查研究之中，甚至在VoIP部分也仍然有进一步降低功耗的空间。随着今天针对功耗问题的解决方案的出现， VoWLAN设备的成功看来是有保证的，也许这一天很快就会到来！
 备份图

Peter Grabienski博士

Agere公司无线LAN部；

Bart Vos

Agere公司客户产品部应用经理