基于4G技术的移动宽带产品设计

移动WiMAX已经成为4G蜂窝技术的首选技术，现在能够满足新型智能手机、移动互联网设备(MID)和笔记本电脑的要求。它能为数据、VoIP和具有运营级QoS的视频流等多种服务提供高效的宽带连接，支持目前甚至今后多年的移动宽带需求。

在移动产品中增加WiMAX连接可以为所有这些服务提供超过1Mbps的宽带速度，同时保持现有3G设备的体积和电池寿命不变。宽带速度正在开启众多新兴移动计算设备市场。封装在独立模块中的WiMAX子系统则简化了这种无线技术的集成。

随着WiMAX网络的构建和成本的持续下降，越来越多的可能性正变成现实。从汽车到电器设备的各种产品都可以从WiMAX的使用中受益(见图1)。现在可选的几种WiMAX产品包括笔记本电脑、手机、上网本、UMPC和MID。最早的移动WiMAX用户产品是USB适配器和PC卡，主要用于笔记本电脑用户。在大城市和城市区域，这些产品与第一代WiMAX基站能很好地工作，这些地区的移动用户希望有比Wi-Fi热点带宽更宽的接入方式。

图1：移动WiMAX模块必须包含WiMAX基带PHY器件、MAC芯片、射频器件和功率放大器。

自从推出第一代USB适配器和PC卡产品后，移动无线市场的产品重点开始转向移动手机和比笔记本更小的其它设备。虽然各种移动手机没有标准的定义，但有几个术语已被业界所接受，即智能手机和VoIP手机。智能手机除了基本手机功能外，还支持电子邮件和互联网访问。通过集成多模功能并且随着WiMAX网络的不断普及，这些手机可以给用户提供无缝的语音和数据服务。另外一种极端是低成本的VoIP手机，传统语音通信是这种手机的主要应用。WiMAX只是用于广域网连接的可选无线技术。在某些情况下，这些手机可能包含一些其它基本功能，如短消息和非常简单的数据传送。VoIP手机的主要市场是一些新兴国家和地区，这些地方的有线基础设施比较薄弱，在需要其它应用之前，大多数人更需要语音服务。

上网本是带7~10英寸LCD屏幕、提供移动互联网和电子邮件访问的小型笔记本。典型的上网本本使用Windows或Linux操作系统，支持与笔记本电脑上类似的应用软件，只是性能等级较低。Wi-Fi和其它连接技术如今已经是标准配置，未来的上网本也会增加WiMAX。 UMPC是由微软和英特尔开发的迷你平板电脑，采用4~8英寸触摸屏。大多数UMPC运行Windows XP Tablet操作系统，价格不到1000美元。UMPC常见于纵向专业市场，如医疗和餐饮行业。MID是英特尔最早推出的小型便携设备，比智能手机稍大，但比上网本或UMPC要小。MID的用途是提供最佳的移动平台，不仅能实现互联网接入和电子邮件访问，还能支持多媒体应用。虽然从技术角度看非常吸引人，但消费者在携带智能手机和笔记本电脑之后是否还愿意携带第三个设备还有待观察。

技术要求

因为消费者希望移动产品提供广泛的功能，无线手机设计正变得越来越复杂。设备必须支持许多无线功能选项，如用于连接耳机的蓝牙、用于连接家庭或热点的Wi-Fi以及用于连接移动网络的3G等广域网连接。与此同时，消费者希望在不增加重量或体积的条件下获得更长的电池寿命。

由于WiMAX是市场上第一种4G技术，手机制造商都在积极增加这种新的功能。产品设计人员集成WiMAX的方式将有助于判断特定设备是否达到多种特性，并且被证明"确实满足"市场需求。

选择合适的WiMAX模块

确保移动产品提供最大功能的方法之一是给满足市场要求的无线模块留出空间。通过将设备设计为模块，移动设备供应商可以支持种类广泛的无线技术。

尺寸约20x20mm的独立模块支持移动WiMAX认证提出的所有要求，并且可以增加到新的产品中。这种模块必须满足众多技术要求，包括合适的外形尺寸、低功耗、支持多个频段和高吞吐量。另外，模块必须不影响移动产品中的其它无线设备性能。

如上图1所示，移动WiMAX模块必须包含一个WiMAX基带PHY设备、MAC芯片、射频器件和功率放大器。移动产品的主处理器一般通过SDIO、SPI和/或USB等标准接口连接WiMAX模块。使用模块可以简化移动产品供应商提出的设计要求，他们可以忽略一些WiMAX产品的实现细节，而专注于核心优势，从而开发出最好的产品。

功耗要求

一般来说，支持更高数据速率的技术也将消耗更多功耗。消费者喜欢更高的性能，但不希望牺牲电池寿命，或增加电池的重量。因此，为了确保消费者快速适应WiMAX产品，设备功耗要求需要与现有技术相当——尽管WiMAX具有更高的数据速率。

为了降低功耗，移动WiMAX设备有两种功耗节省模式：睡眠模式和空闲模式。当WiMAX设备不发送或接收数据时，可以关闭移动设备的一些部件，从而达到节省功耗的目的。

在睡眠模式下，移动设备将被周期性地关闭，关闭时间由基站定义。这种模式支持基站切换，因为移动设备可以扫描其它基站。空闲模式比睡眠模式节省更多的功耗，因为此时移动设备被完全关闭。

这两种模式的实现方法对总体功耗有很大影响。具体来说，模式之间的转换速度和实际时序影响到功耗。除了这些模式外，SoC设计人员还可以充分利用多种技术降低工作和睡眠/空闲模式下的功耗。

由于所有这些技术都是相互关联的，并且取决于数据业务的时序和吞吐量要求，因此很难归纳出用户可以期望的具体功耗水平。在运行特定的实际应用时可以看到真实的性能测试。现有3G智能手机的通话时间平均为3至6小时，互联网访问时间平均为5至6小时。为了加快普及速度，WiMAX设备必须用同类型的电池提供相近的性能。

达到这一目的并非很困难，因为如果设备进行空闲/睡眠模式的转换速率足够快，那么更高的数据速率实际上会降低总体功耗。通过在更短时间内传送更多的数据，WiMAX设备可以在工作模式下运行较少的时间，而在掉电模式时运行更长时间，后者功耗仅为前者的一小部分。只要用户不运行一直要求满吞吐量的应用，WiMAX设备完全可以在现有电池寿命期内正常工作。

多频段设备

众多无线频谱规则使得像WiMAX这样的免许可技术的可用频率非常混乱。移动WiMAX发展到今天，有三种不同的频段似乎最流行。理想情况下，为了支持全球无缝漫游，移动WiMAX设备需要支持所有这些频率。最流行的移动WiMAX频段分别是2.3~2.4GHz、2.5~2.7GHz和3.4~3.6GHz。

仅针对其中一个频段设计的产品只能在特定国家工作，这对最低成本手机而言是合适的。不过对于需要自由漫游的用户来说，市场上已经有高集成度的无线模块，它们可以覆盖所有这三个频段，而且价格比较合理。

干扰问题

由于越来越多移动设备集成多种无线技术，设计人员必须保证不会产生相互干扰。蓝牙为耳机提供短距离通信，而Wi-Fi用于连接热点和家庭网络。这两种技术都工作在2.4GHz频段，之所以仍能同时工作，是因为半导体供应商已经提供了能减轻干扰的共存方法。如前所述，WiMAX设备的工作频率通常与蓝牙和Wi-Fi设备的2.4-2.5GHz频段是不重叠的。然而，由于所有这三种技术的频段都相当靠近，而且WiMAX的输出功率较高，因此这种组合很容易造成干扰。

无线技术的标准组织尚未解决干扰问题，因此这一任务落到了具体实现的开发人员身上。由于Wi-Fi和蓝牙是成熟的无线技术，因此明智的方法是WiMAX半导体制造商要开发和支持能够防止WiMAX产品引起干扰的技术。这样，评价某个供应商与其它无线技术一起工作的能力将是选择WiMAX芯片组的一个重要因素。

操作系统支持

种类广泛的移动设备导致相应种类广泛的操作系统。为了支持这些平台，帮助推动WiMAX的普及，半导体供应商需要提供适合最广泛操作系统的设备驱动程序。这些驱动程序经裁剪要能适合每家操作系统公司建立的接口。

对PC来说毫不费力的选择是微软的Windows Vista及前代产品。Linux其次，但其在上网本等小型设备中取得了长足的进展。对于手机而言，主要的选择包括Symbina、iPhone OS、RIM Blackberry和Windows Mobile。

这些操作系统加起来在手机市场上占据90%以上的份额。其它看起来有前途的新操作系统包括谷歌的Android和Palm的Web OS。除了要获得最广泛的操作系统支持外，认真测试甚至验证这些支持也很重要，这样才能确保产品如期工作。

第二代移动WiMAX芯片组

在紧跟完全符合IEEE 802.16标准和WiMAX论坛认证规范的移动WiMAX模块之后，第二代移动WiMAX芯片组也已顺利发布。这些模块采用可扩展的OFDMA PHY，工作在时分复用模式，能够支持3.5、5、7、10和20MHz左右的频段，而且可选支持2.3、2.5和/或3.5GHz范围内的多个频段。

第二代移动WiMAX芯片组专门针对智能手机和PDA作了优化，可配置用于全部基于模块的解决方案。这种芯片组主要用于多种方式的低功耗操作。因为基带芯片是用65nm低漏电工艺技术实现，并且实现了扩展电源选通技术和其它低功耗设计策略，芯片在空闲/睡眠模式下功耗极低。这种芯片组包含一个专用的电源管理IC，用于系统级高效控制电源。

作者：Dean Chang

ASSP部门高级经理

富士通微电子