从两方面入手解决WLAN话音技术的功耗问题

在WLAN上实现语音通信是一种新型技术，In-Stat MDR预测，全球VoWLAN无线电话的发货量将从2002年的9万部增加到2007年的100万部以上。但这种技术要达到实用必须解决几大技术障碍，功耗问题就是其中之一。本文在对系统进行分析的基础上，从两个方面入手介绍了如何降低VoWLAN电话的功耗。

VoIP技术给电话系统带来了革命性的变化，它通过电话实现话音和数据互联的融合，从而无需单独的数据和话音电缆系统，它还提高了网络效率并降低每次呼叫的成本。与此同时，我们也正在经历无线局域网(WLAN)的迅速增长，WLAN技术允许用户以无线方式访问互联网并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，而将它们结合起来其影响力将更大，这就是VoWLAN或WLAN话音技术。VoWLAN方案为引入新型通信设备铺平了道路，使用户可以畅游在企业网、住宅宽带网及公用Wi-Fi网络之间。

初看之下，这个解决方案几乎再平常不过了：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？然而事情并不那么简单，至少有三大技术障碍必须清除：

1．外形与体积，包括设备大小和重量，它必须与目前的无线电话相配，但是价格可能更高一点，因为WLAN能提供更多的应用；

2．即使在WLAN环境中，仍然需要实施QoS，因为WLAN实际上是用于数据传送的，不能保证带宽；

3．功耗必须足够低以便在两次充电之间保证高效率长时间的工作。

第一个障碍看起来已经扫除了，初期产品已推向市场，而且初看之下几乎不能将它们与普通的无线电话区分开来。第二个障碍，即QoS，只是有时会在标准解决方案(如IEEE 802.11e)中遇到，专用方案也能解决这个问题，实际上这类方案正在被采用，不过在实际使用时有一些限制，而且如果标准推出以后，这些专用方案可能与标准不兼容。第三个障碍是我们现在必须集中精力解决的，即怎样设计一个VoWLAN解决方案使之能用目前实际使用的电池满足运行时间的要求？

主要技术挑战

关于VoWLAN电话的功耗，其要求包括以下几项：

1．电池容量应该达到标准水平，否则会使价格、重量或尺寸增加；

2．待机时间应能连续工作50多小时(相当于一周工作时间，再加上工作之外的一些使用)；

3．通话时间应多于5小时，这样电话较多的人可以使用一整个工作日。

如果上述3项指标都能达到(即使用标准800mAh电池)，那么通话期间平均功耗应不超过160mA，处于待机模式期间平均为16mA。

图1给出了一个典型的VoWLAN芯片组方案，该芯片组主要由以下部分组成：

1．T8307 VoIP处理器，包含一个微控制器和一个DSP内核。DSP用于实现VoIP电话的一般功能，线性音频采样经过数据压缩过程并转换成G711、G729A或G723.1这三种常见声码格式之一；它还必须实施回声消除以去掉无线电话从扬声器到麦克风的反馈声；另外还要执行键盘扫描、显示控制、电源管理和通信功能等控制。

2．CSP2200模拟组件。它具有很多功能，如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以及用于电池供电和充电管理电路中。

3．WL60010 WLAN MAC控制器，也即用于WLAN的专用处理器。它实现全部的实时控制和全部802.11 MAC管理，利用T8307作为“主机处理器”后，WL60010还能管理无线以太网接口，从而接管所有针对WLAN的任务。

4．WL1141 WLAN PHY组件，即多芯片模块，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。

为了便于耗问题，我们分为两个VoIP芯片(包括外部组件)和两个WLAN芯片分别考虑，然后再把结果放在一起。

VoIP部分

在无线电话中，通过组合应用以下措施可以实现功耗降低：

1．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时钟就足够了)；

2．将DSP和微处理器内核系统时钟周期频率降低(或甚至完全切断)。

T8307和CSP2200组件都集成了必需的硬件，可以很灵活地实现上面提到的功能。CSP2200包括8个稳压器，这些稳压器能够编程并单独断开，可使T8307的系统时钟周期频率降低到32kHz。

T8307和CSP2200有两种基本运行模式：1．待机状态：处理器和DSP处于省电模式，仅有键盘扫描器、定时器和实时时钟在工作。通过32kHz振荡器提供系统时钟周期，它每隔400ms必须唤醒一次处理器；此外当通过键盘输入了要进行某项操作的信号时，处理器也必须唤醒，这两种情况下要求微处理器很快进入工作模式。待机状态期间的平均功耗是5mA。2．工作状态：在这种状态下，DSP/微控制器都接通，并使用40MHz至90MHz的系统时钟周期。DSP利用8KHz时钟周期与CSP2200中的A/D和D/A转换器交换音频数据，它还执行音频回声消除和声码器算法并组合拆分声码器帧，它与处理器在10ms周期内交换这些帧。处理器生成并拆分以太网帧，然后在10ms、20ms或30ms周期内与WLAN-MAC组件进行交换；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快速转换到省电模式不太可能，所以仅能通过适当选择时钟周期频率实现功耗降低。

WLAN部分

WLAN系统处于所谓的“用户运行”状态(电话的典型状态)，工作于下面任一种模式：

1．发送模式：发送一个信息包。功耗值取决于芯片组而可能有很大不同，WL60010/WL1141芯片组大约为285mA，该值不受所采用数据速率(1、2、5.5或11Mbps)的影响。

2．接收模式：执行检测，以防信息包是由其它WLAN(一般是AP)发出。在接收模式下，上述芯片组电流为185mA。

3．休眠模式：如果设备处于“电源管理(PM)”状态，那么仅仅是临时进入这种模式。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98:2，在休眠模式下，上述芯片组功耗为6mA。

实现功耗要求

根据上面的介绍，我们可以分析WLAN芯片组的功耗。简单一点的情况是待机状态，通常休眠模式的平均功耗为0.98×6＋0.02×185＝9.58mA。为了进一步缩小这个值，可以采取的措施有两个：降低休眠功耗或提高Beacon估算时间。如果后者延长至400ms，上述算式的结果将为6.9mA，但要想进一步提高Beacon估算时间几乎不太实际，因为任何呼叫信令延时都是由这个时间产生，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，因为从这么深的睡眠模式下唤醒需要复杂的“准时唤醒”处理机制。

一个更复杂的方案是在通话期间观察并研究功耗，此时，利用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可提供10ms、20ms或30ms采样率。在接收模式下简单地保持不变不太可行，因为所限定的功耗会立即被超过，所以这里也需要采用休眠模式。每次采样完毕后，WLAN部分必须经过下面几个步骤：

* 从休眠模式唤醒

* 发送采样值(发送模式)

* 收到WLAN确认信息包(接收模式)

* 接收对方采样信息(接收模式)

* 发出ACK信息包(发送模式)

* 等待一个较短的时间(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

这里的目的当然是使休眠时间尽量延长，如果有编译码器，那么采样间隔延长也会导致信息包增大，其结果是“工作时间”与ACK信息包及其它WLAN额外开销时间都节省了。计算这种方案的平均功耗需要进行详细的分析。

本文结论

你可能注意到，提高采样率可以降低功耗。然而，初看之下比较矛盾的是在更高数据速率的情况下平均功耗也在下降，但仔细再看它也是可以理解的，因为更高数据率时发送和接收时间变得更短，而且在更早阶段就进入了节省功耗的休眠模式。在VoIP部分，采样率必须尽可能接近30ms，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，尤其是在WLAN部分，确实能将功耗降低到使VoWLAN手机达到实用要求。在业界标准的限制框架内能否进一步降低功耗仍然还在研究之中，甚至在VoIP部分也仍然有进一步降低功耗的空间。随着功耗问题解决方案的出现，相信VoWLAN设备的成功很快就会实现。

相关链接

如何利用协处理器方案实现回音消除功能

www.eet-china.com/ART_8800328773.HTM

基于分组网络的语音连接技术CESoP与VoIP的比较

www.eet-china.com/ART_8800328774.HTM

作者：Peter Grabienski博士

WLAN部计算机专家

Bart Vos

客户产品部应用经理

Agere公司