基于4G技術(shù)的移動(dòng)寬帶產(chǎn)品設(shè)計(jì)

移動(dòng)WiMAX已經(jīng)成為4G蜂窩技術(shù)的首選技術(shù)，現(xiàn)在能夠滿足新型智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID)和筆記本電腦的要求。它能為數(shù)據(jù)、VoIP和具有運(yùn)營(yíng)級(jí)QoS的視頻流等多種服務(wù)提供高效的寬帶連接，支持目前甚至今后多年的移動(dòng)寬帶需求。

在移動(dòng)產(chǎn)品中增加WiMAX連接可以為所有這些服務(wù)提供超過(guò)1Mbps的寬帶速度，同時(shí)保持現(xiàn)有3G設(shè)備的體積和電池壽命不變。寬帶速度正在開啟眾多新興移動(dòng)計(jì)算設(shè)備市場(chǎng)。封裝在獨(dú)立模塊中的WiMAX子系統(tǒng)則簡(jiǎn)化了這種無(wú)線技術(shù)的集成。

隨著WiMAX網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和成本的持續(xù)下降，越來(lái)越多的可能性正變成現(xiàn)實(shí)。從汽車到電器設(shè)備的各種產(chǎn)品都可以從WiMAX的使用中受益(見圖1)?，F(xiàn)在可選的幾種WiMAX產(chǎn)品包括筆記本電腦、手機(jī)、上網(wǎng)本、UMPC和MID。最早的移動(dòng)WiMAX用戶產(chǎn)品是USB適配器和PC卡，主要用于筆記本電腦用戶。在大城市和城市區(qū)域，這些產(chǎn)品與第一代WiMAX基站能很好地工作，這些地區(qū)的移動(dòng)用戶希望有比Wi-Fi熱點(diǎn)帶寬更寬的接入方式。

圖1：移動(dòng)WiMAX模塊必須包含WiMAX基帶PHY器件、MAC芯片、射頻器件和功率放大器。

自從推出第一代USB適配器和PC卡產(chǎn)品后，移動(dòng)無(wú)線市場(chǎng)的產(chǎn)品重點(diǎn)開始轉(zhuǎn)向移動(dòng)手機(jī)和比筆記本更小的其它設(shè)備。雖然各種移動(dòng)手機(jī)沒有標(biāo)準(zhǔn)的定義，但有幾個(gè)術(shù)語(yǔ)已被業(yè)界所接受，即智能手機(jī)和VoIP手機(jī)。智能手機(jī)除了基本手機(jī)功能外，還支持電子郵件和互聯(lián)網(wǎng)訪問。通過(guò)集成多模功能并且隨著WiMAX網(wǎng)絡(luò)的不斷普及，這些手機(jī)可以給用戶提供無(wú)縫的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)服務(wù)。另外一種極端是低成本的VoIP手機(jī)，傳統(tǒng)語(yǔ)音通信是這種手機(jī)的主要應(yīng)用。WiMAX只是用于廣域網(wǎng)連接的可選無(wú)線技術(shù)。在某些情況下，這些手機(jī)可能包含一些其它基本功能，如短消息和非常簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳送。VoIP手機(jī)的主要市場(chǎng)是一些新興國(guó)家和地區(qū)，這些地方的有線基礎(chǔ)設(shè)施比較薄弱，在需要其它應(yīng)用之前，大多數(shù)人更需要語(yǔ)音服務(wù)。

上網(wǎng)本是帶7~10英寸LCD屏幕、提供移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和電子郵件訪問的小型筆記本。典型的上網(wǎng)本本使用Windows或Linux操作系統(tǒng)，支持與筆記本電腦上類似的應(yīng)用軟件，只是性能等級(jí)較低。Wi-Fi和其它連接技術(shù)如今已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)配置，未來(lái)的上網(wǎng)本也會(huì)增加WiMAX。 UMPC是由微軟和英特爾開發(fā)的迷你平板電腦，采用4~8英寸觸摸屏。大多數(shù)UMPC運(yùn)行Windows XP Tablet操作系統(tǒng)，價(jià)格不到1000美元。UMPC常見于縱向?qū)I(yè)市場(chǎng)，如醫(yī)療和餐飲行業(yè)。MID是英特爾最早推出的小型便攜設(shè)備，比智能手機(jī)稍大，但比上網(wǎng)本或UMPC要小。MID的用途是提供最佳的移動(dòng)平臺(tái)，不僅能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入和電子郵件訪問，還能支持多媒體應(yīng)用。雖然從技術(shù)角度看非常吸引人，但消費(fèi)者在攜帶智能手機(jī)和筆記本電腦之后是否還愿意攜帶第三個(gè)設(shè)備還有待觀察。

技術(shù)要求

因?yàn)橄M(fèi)者希望移動(dòng)產(chǎn)品提供廣泛的功能，無(wú)線手機(jī)設(shè)計(jì)正變得越來(lái)越復(fù)雜。設(shè)備必須支持許多無(wú)線功能選項(xiàng)，如用于連接耳機(jī)的藍(lán)牙、用于連接家庭或熱點(diǎn)的Wi-Fi以及用于連接移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的3G等廣域網(wǎng)連接。與此同時(shí)，消費(fèi)者希望在不增加重量或體積的條件下獲得更長(zhǎng)的電池壽命。

由于WiMAX是市場(chǎng)上第一種4G技術(shù)，手機(jī)制造商都在積極增加這種新的功能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員集成WiMAX的方式將有助于判斷特定設(shè)備是否達(dá)到多種特性，并且被證明“確實(shí)滿足”市場(chǎng)需求。

選擇合適的WiMAX模塊

確保移動(dòng)產(chǎn)品提供最大功能的方法之一是給滿足市場(chǎng)要求的無(wú)線模塊留出空間。通過(guò)將設(shè)備設(shè)計(jì)為模塊，移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商可以支持種類廣泛的無(wú)線技術(shù)。

尺寸約20x20mm的獨(dú)立模塊支持移動(dòng)WiMAX認(rèn)證提出的所有要求，并且可以增加到新的產(chǎn)品中。這種模塊必須滿足眾多技術(shù)要求，包括合適的外形尺寸、低功耗、支持多個(gè)頻段和高吞吐量。另外，模塊必須不影響移動(dòng)產(chǎn)品中的其它無(wú)線設(shè)備性能。

如上圖1所示，移動(dòng)WiMAX模塊必須包含一個(gè)WiMAX基帶PHY設(shè)備、MAC芯片、射頻器件和功率放大器。移動(dòng)產(chǎn)品的主處理器一般通過(guò)SDIO、SPI和/或USB等標(biāo)準(zhǔn)接口連接WiMAX模塊。使用模塊可以簡(jiǎn)化移動(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)商提出的設(shè)計(jì)要求，他們可以忽略一些WiMAX產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而專注于核心優(yōu)勢(shì)，從而開發(fā)出最好的產(chǎn)品。

功耗要求

一般來(lái)說(shuō)，支持更高數(shù)據(jù)速率的技術(shù)也將消耗更多功耗。消費(fèi)者喜歡更高的性能，但不希望犧牲電池壽命，或增加電池的重量。因此，為了確保消費(fèi)者快速適應(yīng)WiMAX產(chǎn)品，設(shè)備功耗要求需要與現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)——盡管WiMAX具有更高的數(shù)據(jù)速率。

為了降低功耗，移動(dòng)WiMAX設(shè)備有兩種功耗節(jié)省模式：睡眠模式和空閑模式。當(dāng)WiMAX設(shè)備不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，可以關(guān)閉移動(dòng)設(shè)備的一些部件，從而達(dá)到節(jié)省功耗的目的。

在睡眠模式下，移動(dòng)設(shè)備將被周期性地關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間由基站定義。這種模式支持基站切換，因?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備可以掃描其它基站。空閑模式比睡眠模式節(jié)省更多的功耗，因?yàn)榇藭r(shí)移動(dòng)設(shè)備被完全關(guān)閉。

這兩種模式的實(shí)現(xiàn)方法對(duì)總體功耗有很大影響。具體來(lái)說(shuō)，模式之間的轉(zhuǎn)換速度和實(shí)際時(shí)序影響到功耗。除了這些模式外，SoC設(shè)計(jì)人員還可以充分利用多種技術(shù)降低工作和睡眠/空閑模式下的功耗。

由于所有這些技術(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的，并且取決于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的時(shí)序和吞吐量要求，因此很難歸納出用戶可以期望的具體功耗水平。在運(yùn)行特定的實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以看到真實(shí)的性能測(cè)試。現(xiàn)有3G智能手機(jī)的通話時(shí)間平均為3至6小時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)訪問時(shí)間平均為5至6小時(shí)。為了加快普及速度，WiMAX設(shè)備必須用同類型的電池提供相近的性能。

達(dá)到這一目的并非很困難，因?yàn)槿绻O(shè)備進(jìn)行空閑/睡眠模式的轉(zhuǎn)換速率足夠快，那么更高的數(shù)據(jù)速率實(shí)際上會(huì)降低總體功耗。通過(guò)在更短時(shí)間內(nèi)傳送更多的數(shù)據(jù)，WiMAX設(shè)備可以在工作模式下運(yùn)行較少的時(shí)間，而在掉電模式時(shí)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，后者功耗僅為前者的一小部分。只要用戶不運(yùn)行一直要求滿吞吐量的應(yīng)用，WiMAX設(shè)備完全可以在現(xiàn)有電池壽命期內(nèi)正常工作。

多頻段設(shè)備

眾多無(wú)線頻譜規(guī)則使得像WiMAX這樣的免許可技術(shù)的可用頻率非?；靵y。移動(dòng)WiMAX發(fā)展到今天，有三種不同的頻段似乎最流行。理想情況下，為了支持全球無(wú)縫漫游，移動(dòng)WiMAX設(shè)備需要支持所有這些頻率。最流行的移動(dòng)WiMAX頻段分別是2.3~2.4GHz、2.5~2.7GHz和3.4~3.6GHz。

僅針對(duì)其中一個(gè)頻段設(shè)計(jì)的產(chǎn)品只能在特定國(guó)家工作，這對(duì)最低成本手機(jī)而言是合適的。不過(guò)對(duì)于需要自由漫游的用戶來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上已經(jīng)有高集成度的無(wú)線模塊，它們可以覆蓋所有這三個(gè)頻段，而且價(jià)格比較合理。

干擾問題

由于越來(lái)越多移動(dòng)設(shè)備集成多種無(wú)線技術(shù)，設(shè)計(jì)人員必須保證不會(huì)產(chǎn)生相互干擾。藍(lán)牙為耳機(jī)提供短距離通信，而Wi-Fi用于連接熱點(diǎn)和家庭網(wǎng)絡(luò)。這兩種技術(shù)都工作在2.4GHz頻段，之所以仍能同時(shí)工作，是因?yàn)榘雽?dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)提供了能減輕干擾的共存方法。如前所述，WiMAX設(shè)備的工作頻率通常與藍(lán)牙和Wi-Fi設(shè)備的2.4-2.5GHz頻段是不重疊的。然而，由于所有這三種技術(shù)的頻段都相當(dāng)靠近，而且WiMAX的輸出功率較高，因此這種組合很容易造成干擾。

無(wú)線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)組織尚未解決干擾問題，因此這一任務(wù)落到了具體實(shí)現(xiàn)的開發(fā)人員身上。由于Wi-Fi和藍(lán)牙是成熟的無(wú)線技術(shù)，因此明智的方法是WiMAX半導(dǎo)體制造商要開發(fā)和支持能夠防止WiMAX產(chǎn)品引起干擾的技術(shù)。這樣，評(píng)價(jià)某個(gè)供應(yīng)商與其它無(wú)線技術(shù)一起工作的能力將是選擇WiMAX芯片組的一個(gè)重要因素。

操作系統(tǒng)支持

種類廣泛的移動(dòng)設(shè)備導(dǎo)致相應(yīng)種類廣泛的操作系統(tǒng)。為了支持這些平臺(tái)，幫助推動(dòng)WiMAX的普及，半導(dǎo)體供應(yīng)商需要提供適合最廣泛操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這些驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)裁剪要能適合每家操作系統(tǒng)公司建立的接口。

對(duì)PC來(lái)說(shuō)毫不費(fèi)力的選擇是微軟的Windows Vista及前代產(chǎn)品。Linux其次，但其在上網(wǎng)本等小型設(shè)備中取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。對(duì)于手機(jī)而言，主要的選擇包括Symbina、iPhone OS、RIM Blackberry和Windows Mobile。

這些操作系統(tǒng)加起來(lái)在手機(jī)市場(chǎng)上占據(jù)90%以上的份額。其它看起來(lái)有前途的新操作系統(tǒng)包括谷歌的Android和Palm的Web OS。除了要獲得最廣泛的操作系統(tǒng)支持外，認(rèn)真測(cè)試甚至驗(yàn)證這些支持也很重要，這樣才能確保產(chǎn)品如期工作。

第二代移動(dòng)WiMAX芯片組

在緊跟完全符合IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)和WiMAX論壇認(rèn)證規(guī)范的移動(dòng)WiMAX模塊之后，第二代移動(dòng)WiMAX芯片組也已順利發(fā)布。這些模塊采用可擴(kuò)展的OFDMA PHY，工作在時(shí)分復(fù)用模式，能夠支持3.5、5、7、10和20MHz左右的頻段，而且可選支持2.3、2.5和/或3.5GHz范圍內(nèi)的多個(gè)頻段。

第二代移動(dòng)WiMAX芯片組專門針對(duì)智能手機(jī)和PDA作了優(yōu)化，可配置用于全部基于模塊的解決方案。這種芯片組主要用于多種方式的低功耗操作。因?yàn)榛鶐酒怯?5nm低漏電工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展電源選通技術(shù)和其它低功耗設(shè)計(jì)策略，芯片在空閑/睡眠模式下功耗極低。這種芯片組包含一個(gè)專用的電源管理IC，用于系統(tǒng)級(jí)高效控制電源。

作者：Dean Chang

ASSP部門高級(jí)經(jīng)理

富士通微電子