固網(wǎng)" title="固網(wǎng)">固網(wǎng)與移動融合（FMC" title="FMC">FMC）勢在必行，即手機(jī)" title="手機(jī)">手機(jī)能夠在移動網(wǎng)絡(luò)與非授權(quán)無線系統(tǒng)（如Wi-Fi網(wǎng)或藍(lán)牙連接）之間實現(xiàn)無縫切換。首先，消費者通過使用VoIP或固網(wǎng)電話來降低通話成本的需求存在。其次，實現(xiàn)三網(wǎng)合一（triple-play）的運營商的數(shù)量在不斷增加，對他們來說，固網(wǎng)與移動融合既是一個賣點，也是利潤的來源－無論采用何種呼叫方式，他們都能賺錢。服務(wù)提供商與設(shè)備制造商已經(jīng)開始密切合作，致力于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)完全融合的標(biāo)準(zhǔn)。
早期，Wi-Fi手機(jī)的主要問題在于Wi-Fi與移動網(wǎng)完全獨立。移動運營商最初因無法從中獲利而把Wi-Fi看成一種威脅，結(jié)果導(dǎo)致了雙輸?shù)木置妗Ｓ捎赪i-Fi無法無縫地整合到用戶體驗中，用戶需要“激活”Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。同時，由于缺乏將Wi-Fi與移動網(wǎng)無縫整合的技術(shù)，用戶需要同時開啟GSM和Wi-Fi，即在用戶使用Wi-Fi時移動運營商也需要繼續(xù)通過GSM提供服務(wù)，從而導(dǎo)致額外的功耗，Wi-Fi的用戶體驗也不令人滿意。
此后，運營商與設(shè)備供應(yīng)商開發(fā)了通過Wi-Fi和IP提供移動語音、數(shù)據(jù)和IMS服務(wù)的技術(shù)，增強(qiáng)了Wi-Fi對移動運營商的“友好”性。如今的雙模手機(jī)可以不用開啟GSM就使用Wi-Fi，所有語音與數(shù)據(jù)服務(wù)也可以通過IP提供，而無需使用GSM網(wǎng)絡(luò)。這一技術(shù)最終導(dǎo)致了通用接入網(wǎng)（GAN）規(guī)范，即過去的非授權(quán)移動接入（UMA）的發(fā)布，這一規(guī)范現(xiàn)已成為3GPP的標(biāo)準(zhǔn)。
功耗是實現(xiàn)FMC的關(guān)鍵
盡管有消費者需求的推動，要將FMC推向大眾市場仍面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)主要來自于電池技術(shù)。過去十年，人們并未在研發(fā)具有比鋰離子電池更高量密度的電池方面取得重大進(jìn)展。消費者對超薄手機(jī)的需求引發(fā)電池尺寸的進(jìn)一步縮小，同時，目前手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的電池電量值實際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上一代手機(jī)，一般為650mAh，而不是1000mAh。那么，如何在不影響待機(jī)與通話時間的前提下，將手機(jī)功耗降低30%已經(jīng)成為芯片制造商面臨的重大挑戰(zhàn)。而FMC手機(jī)（一般稱為雙模手機(jī)）必須同時支持兩種或三種無線裝置，其功耗更大。因此，第一部FMC手機(jī)的待機(jī)時間和通話時間指標(biāo)都不高也在意料之中。UMA能夠顯著改進(jìn)雙模手機(jī)的電池性能，改善消費者的用戶體驗，并使移動服務(wù)提供商獲利，從而成為三贏方案。
早期Wi-Fi手機(jī)面臨的第二個重大問題是，無線（WLAN）模塊用于PC和其它交流電供電的計算機(jī)外圍設(shè)備時，功耗并不是被關(guān)注的問題，但當(dāng)將其用于手機(jī)時，功耗問題凸現(xiàn)出來。這意味著，在某些情況下，這種手機(jī)的待機(jī)時間只有半天，這也是很多分析師認(rèn)為FMC市場前途未卜的原因之一。
可喜的是，最新的三星UMA雙模手機(jī)（基于恩智浦半導(dǎo)體的手機(jī)平臺）改變了這一局面，它有效地提升了待機(jī)和通話時間，促使分析師們開始重新考慮這個市場。“鑒于三星手機(jī)（基于恩智浦平臺）在Wi-Fi模式下的待機(jī)時長，業(yè)內(nèi)一些公司（包括我們）準(zhǔn)備重新考慮雙模Wi-Fi/蜂窩手機(jī)。”2007年7月SignalsResearchGroup，LLC公司CEOMichaelW.Thelander在其報告中指出。
圖1：UMA 系統(tǒng) （來源：Kineto Wireless Inc.）
融合手機(jī)平臺的發(fā)展
UMA手機(jī)上市以來，關(guān)于其特性、功耗以及發(fā)展方面已經(jīng)有了一些初步體驗。
第一代FMC手機(jī)
這些手機(jī)通常是在移動平臺中集成一個WLAN子系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)完全獨立存在，大多數(shù)時間內(nèi)都處于省電模式，尤其是在空閑模式下。FMC系統(tǒng)中一次只有一個系統(tǒng)在運作（如UMA/GAN）的明顯好處是呼叫將被重新路由并交給當(dāng)前活動的系統(tǒng)，從而可以關(guān)閉另外一個系統(tǒng)。如果FMC方案在WLAN上集成VoIP（通常基于SIP）并與蜂窩系統(tǒng)（GSM/UMTS）并行使用，由MMI（人機(jī)接口）/用戶決定呼叫路由和接聽方式，則不具備上述優(yōu)勢。
圖2：融合手機(jī)第一代平臺架構(gòu)。（來源：恩智浦半導(dǎo)體）
第二代融合手機(jī)
由于越來越多的用戶使用藍(lán)牙耳機(jī)，第二代融合手機(jī)一般都集成了藍(lán)牙（BT）功能。這類手機(jī)集成了三個射頻系統(tǒng)，并在它們之間進(jìn)行協(xié)調(diào)：由于采用協(xié)同工作濾波器，GSM與BT以及GSM與WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一頻段，彼此之間干擾嚴(yán)重，因此需要復(fù)雜的射頻接入?yún)f(xié)調(diào)，特別是BT和WLANIC之間進(jìn)行緊密協(xié)調(diào)。
圖3：融合手機(jī)第二代平臺（來源：恩智浦半導(dǎo)體）
除此以外，第三個系統(tǒng)（BT）在空閑（掃描）和通話（即在使用耳機(jī)模式）時也需要額外功耗。因此BT子系統(tǒng)本身與所在的整個系統(tǒng)架構(gòu)都需要具備很好的能效。
WLAN專用PMU，進(jìn)一步改善系統(tǒng)能耗。采用專用于WLAN和/或BT平臺的PMU，可以避免因LDO（線性穩(wěn)壓器）造成的損耗，從而達(dá)到進(jìn)一步改善能耗的目標(biāo)。
固網(wǎng)與移動融合（FMC）勢在必行，即手機(jī)能夠在移動網(wǎng)絡(luò)與非授權(quán)無線系統(tǒng)（如Wi-Fi網(wǎng)或藍(lán)牙連接）之間實現(xiàn)無縫切換。首先，消費者通過使用VoIP或固網(wǎng)電話來降低通話成本的需求存在。其次，實現(xiàn)三網(wǎng)合一（triple-play）的運營商的數(shù)量在不斷增加，對他們來說，固網(wǎng)與移動融合既是一個賣點，也是利潤的來源－無論采用何種呼叫方式，他們都能賺錢。服務(wù)提供商與設(shè)備制造商已經(jīng)開始密切合作，致力于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)完全融合的標(biāo)準(zhǔn)。
早期，Wi-Fi手機(jī)的主要問題在于Wi-Fi與移動網(wǎng)完全獨立。移動運營商最初因無法從中獲利而把Wi-Fi看成一種威脅，結(jié)果導(dǎo)致了雙輸?shù)木置妗Ｓ捎赪i-Fi無法無縫地整合到用戶體驗中，用戶需要“激活”Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。同時，由于缺乏將Wi-Fi與移動網(wǎng)無縫整合的技術(shù)，用戶需要同時開啟GSM和Wi-Fi，即在用戶使用Wi-Fi時移動運營商也需要繼續(xù)通過GSM提供服務(wù)，從而導(dǎo)致額外的功耗，Wi-Fi的用戶體驗也不令人滿意。
此后，運營商與設(shè)備供應(yīng)商開發(fā)了通過Wi-Fi和IP提供移動語音、數(shù)據(jù)和IMS服務(wù)的技術(shù)，增強(qiáng)了Wi-Fi對移動運營商的“友好”性。如今的雙模手機(jī)可以不用開啟GSM就使用Wi-Fi，所有語音與數(shù)據(jù)服務(wù)也可以通過IP提供，而無需使用GSM網(wǎng)絡(luò)。這一技術(shù)最終導(dǎo)致了通用接入網(wǎng)（GAN）規(guī)范，即過去的非授權(quán)移動接入（UMA）的發(fā)布，這一規(guī)范現(xiàn)已成為3GPP的標(biāo)準(zhǔn)。
功耗是實現(xiàn)FMC的關(guān)鍵
盡管有消費者需求的推動，要將FMC推向大眾市場仍面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，該挑戰(zhàn)主要來自于電池技術(shù)。過去十年，人們并未在研發(fā)具有比鋰離子電池更高量密度的電池方面取得重大進(jìn)展。消費者對超薄手機(jī)的需求引發(fā)電池尺寸的進(jìn)一步縮小，同時，目前手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的電池電量值實際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上一代手機(jī)，一般為650mAh，而不是1000mAh。那么，如何在不影響待機(jī)與通話時間的前提下，將手機(jī)功耗降低30%已經(jīng)成為芯片制造商面臨的重大挑戰(zhàn)。而FMC手機(jī)（一般稱為雙模手機(jī)）必須同時支持兩種或三種無線裝置，其功耗更大。因此，第一部FMC手機(jī)的待機(jī)時間和通話時間指標(biāo)都不高也在意料之中。UMA能夠顯著改進(jìn)雙模手機(jī)的電池性能，改善消費者的用戶體驗，并使移動服務(wù)提供商獲利，從而成為三贏方案。
早期Wi-Fi手機(jī)面臨的第二個重大問題是，無線（WLAN）模塊用于PC和其它交流電供電的計算機(jī)外圍設(shè)備時，功耗并不是被關(guān)注的問題，但當(dāng)將其用于手機(jī)時，功耗問題凸現(xiàn)出來。這意味著，在某些情況下，這種手機(jī)的待機(jī)時間只有半天，這也是很多分析師認(rèn)為FMC市場前途未卜的原因之一。
可喜的是，最新的三星UMA雙模手機(jī)（基于恩智浦半導(dǎo)體的手機(jī)平臺）改變了這一局面，它有效地提升了待機(jī)和通話時間，促使分析師們開始重新考慮這個市場。“鑒于三星手機(jī)（基于恩智浦平臺）在Wi-Fi模式下的待機(jī)時長，業(yè)內(nèi)一些公司（包括我們）準(zhǔn)備重新考慮雙模Wi-Fi/蜂窩手機(jī)。”2007年7月SignalsResearchGroup，LLC公司CEOMichaelW.Thelander在其報告中指出。
圖1：UMA 系統(tǒng) （來源：Kineto Wireless Inc.）
融合手機(jī)平臺的發(fā)展
UMA手機(jī)上市以來，關(guān)于其特性、功耗以及發(fā)展方面已經(jīng)有了一些初步體驗。
第一代FMC手機(jī)
這些手機(jī)通常是在移動平臺中集成一個WLAN子系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)完全獨立存在，大多數(shù)時間內(nèi)都處于省電模式，尤其是在空閑模式下。FMC系統(tǒng)中一次只有一個系統(tǒng)在運作（如UMA/GAN）的明顯好處是呼叫將被重新路由并交給當(dāng)前活動的系統(tǒng)，從而可以關(guān)閉另外一個系統(tǒng)。如果FMC方案在WLAN上集成VoIP（通常基于SIP）并與蜂窩系統(tǒng)（GSM/UMTS）并行使用，由MMI（人機(jī)接口）/用戶決定呼叫路由和接聽方式，則不具備上述優(yōu)勢。
圖2：融合手機(jī)第一代平臺架構(gòu)。（來源：恩智浦半導(dǎo)體）
第二代融合手機(jī)
由于越來越多的用戶使用藍(lán)牙耳機(jī)，第二代融合手機(jī)一般都集成了藍(lán)牙（BT）功能。這類手機(jī)集成了三個射頻系統(tǒng)，并在它們之間進(jìn)行協(xié)調(diào)：由于采用協(xié)同工作濾波器，GSM與BT以及GSM與WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一頻段，彼此之間干擾嚴(yán)重，因此需要復(fù)雜的射頻接入?yún)f(xié)調(diào)，特別是BT和WLANIC之間進(jìn)行緊密協(xié)調(diào)。
圖3：融合手機(jī)第二代平臺（來源：恩智浦半導(dǎo)體）
除此以外，第三個系統(tǒng)（BT）在空閑（掃描）和通話（即在使用耳機(jī)模式）時也需要額外功耗。因此BT子系統(tǒng)本身與所在的整個系統(tǒng)架構(gòu)都需要具備很好的能效。
WLAN專用PMU，進(jìn)一步改善系統(tǒng)能耗。采用專用于WLAN和/或BT平臺的PMU，可以避免因LDO（線性穩(wěn)壓器）造成的損耗，從而達(dá)到進(jìn)一步改善能耗的目標(biāo)。
功耗需求的變化
功耗需求在過去的兩年里發(fā)生了相當(dāng)大的變化。用戶剛開始還能接受一些解釋：手機(jī)內(nèi)置WLAN，這會損耗一些電量，待機(jī)時間只有GSM的一半。不久以后，要求WLAN待機(jī)時間達(dá)到數(shù)天則成為主要目標(biāo)。但這依然沒有滿足消費者的期望：電池即便在支持相同的待機(jī)時間基礎(chǔ)上還要能夠通話一段時間（如3個小時）。此目標(biāo)運營商們保持了一段時間。
第一批消費者的反饋表明融合手機(jī)必須具備與普通GSM手機(jī)相同的性能。消費者不希望因采用FMC技術(shù)而帶來任何明顯的差異，因此，運營商不但不會宣傳，甚至?xí)τ脩暨M(jìn)行隱藏該項技術(shù)。“普通”GSM手機(jī)的另一個市場推動力是Razr的成功，以及隨之不斷增長的對超薄手機(jī)的需求。現(xiàn)在，相同功能和性能的GSM手機(jī)（也包括FMC手機(jī)）一般都采用650mAh電池，而不是1000mAh，因此所有手機(jī)元件（包括WLAN）需要節(jié)約30%的能耗。圖5是功耗要求的典型演化圖，隨后將討論實現(xiàn)這一目標(biāo)的解決方案。
圖4：融合手機(jī)第三代平臺。（來源：恩智浦半導(dǎo)體公司）
關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計
整體設(shè)計
作為獨立的子系統(tǒng)，WLAN子系統(tǒng)需要擁有自己的時鐘、電壓控制、省電模式管理，以及必要時激活主機(jī)的能力。必須避免在空閑時間內(nèi)兩個系統(tǒng)并行工作：如果可以使用首選系統(tǒng)（WLAN），則另一個系統(tǒng)（GSM）需要進(jìn)入睡眠狀態(tài)。為了取得良好的關(guān)鍵性能和用戶體驗，某些偏差也可以接受（例如，在通話期間）。使處理器之間的通信最小化。WLAN只有在收到相關(guān)數(shù)據(jù)時才激活主機(jī)。RSSI（電平）測量應(yīng)在WLAN子系統(tǒng)內(nèi)局部進(jìn)行—只有測量值超出給定極限才激活主機(jī)。
圖5：UMA 手機(jī)功耗的演變過程。
協(xié)議分層及例外
嵌入軟件通常按照OSI模型進(jìn)行分層：物理層在專門的硬件/DSP/CPU上運行（尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS）；低功耗" title="低功耗">低功耗在硬件和軟件中都采用“內(nèi)置設(shè)計”（即通過時鐘/電壓等級、省電模式等）；較高層將在功耗更高的主CPU（或應(yīng)用CPU）上運行；通常涉及到不同組織、路線圖、團(tuán)隊、軟件語言、OS、工具和限制等。
作為通用規(guī)則系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)按照時間域布置軟件層：GSM中，每一幀的處理應(yīng)在DSP上完成而不是主CPU（以前情況并非如此，通常項目預(yù)算也不允許完全重新設(shè)計），不過協(xié)議工作應(yīng)在主CPU上完成。
以下例外情況如果可以實現(xiàn)，則將大大降低待機(jī)功耗：
GSM中：協(xié)議每0.5秒檢查用戶收到的信息是否為呼叫，這項工作可以轉(zhuǎn)交DSP，使主CPU有更長的睡眠時間。
WLAN中：每0.1秒—0.5秒進(jìn)行一次RSSI和其它測量，但只有當(dāng)動態(tài)下載極限超出上、下值并將產(chǎn)生動作時，才應(yīng)激活主處理器。
惰性范式
一般情況下，所有算法設(shè)計時都考慮最差狀態(tài)下的最佳性能。如果有足夠的可用電源，這種方法不會產(chǎn)生任何問題，但通常情況下這一要求會過高，從而需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。
－每0.5秒查看鄰近小區(qū)可以產(chǎn)生良好的切換性能，而在空閑狀態(tài)下此動作可以被簡化。
－使用外部電源工作時（充電器、USB電纜），可以選擇最高性能的算法，而使用電池時則減少此類操作。
－只要用戶進(jìn)行操作（如按鍵）就應(yīng)激活高性能算法，但在一段時間內(nèi)沒有任何操作，則應(yīng)使用電池優(yōu)化算法。
－軟件只應(yīng)做必需的事情（在限制功耗狀態(tài)下），只在必要時刷新緩存，而不是采用自動定時刷新的方式。
－手機(jī)要考慮到環(huán)境的變化，如檢測“全天同一位置”與“不斷移動”的情況，以釋放網(wǎng)絡(luò)掃描等請求。
-高級節(jié)能措施還需要考慮電池狀態(tài)的變化：如果電池電量下降，則移動切換速度、TX功率、屏幕刷新等性能也需要進(jìn)一步降低。
－系統(tǒng)范式需要全局接口以及應(yīng)用于整個系統(tǒng)的單一設(shè)計，如“使用電池”與“使用電源”狀態(tài)或活動指示等。所有算法都需要這些信息。
關(guān)鍵軟件設(shè)計
替換“Do…While”循環(huán)
嵌入軟件一般具有很多以并行邏輯運行的RTK任務(wù)。多數(shù)情況下，軟件需要等待某個條件為真，如“AP已關(guān)聯(lián)”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。最初采用一種簡單的方案（經(jīng)常用于“C”語言），即在一個任務(wù)中使用“Do…while”命令，并用循環(huán)輪詢來獲得較低優(yōu)先級任務(wù)的結(jié)果（如IP協(xié)議棧）。
此時，CPU保持運行直至條件成立，這將導(dǎo)致高功耗。實際例子：等待顯示器完成刷新。
較好的方案是啟動RTK定時器，然后進(jìn)入一段睡眠時間，過后再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種“輪詢”，但減少了對功耗的影響，并可以采用不同的睡眠間隔度，動態(tài)地適應(yīng)不同的性能需求。
更好的方案是采用RTK消息與中斷，當(dāng)最終達(dá)到條件時激活主機(jī)。這樣能夠最大程度地降低功耗，不過中斷是一種稀有資源，而系統(tǒng)架構(gòu)必須在設(shè)計時就考慮最高效功耗。不幸的是，功耗問題一般在產(chǎn)品生產(chǎn)后期才被發(fā)現(xiàn)，因此需要進(jìn)行重新設(shè)計，但很少有人會重新設(shè)計。
定時器管理是關(guān)鍵
嵌入軟件經(jīng)常需要從幾毫秒到數(shù)天的定時范圍，特別是硬件處理、軟件輪詢，或由標(biāo)準(zhǔn)給定（IP、電信等）。定時器到時需要激活CPU并運行RTK/OS程序。退出省電模式后需要一段時間來達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定，而返回省電模式也需要一些時間來準(zhǔn)備下一次的正確激活。CPU激活一般非常快（在微秒范圍），但主時鐘仍需運行，這樣只節(jié)省了少量功耗。全系統(tǒng)的睡眠（包括主時鐘）可能需要5至20毫秒的激活時間，但只有這種方法才能提供最大的節(jié)能效果。
應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)定時器頻繁過期情況。給定900毫秒的定時器可以通過900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick（時鐘計時單元）來實現(xiàn)，這樣做對功耗有著全然不同的影響。操作系統(tǒng)應(yīng)使用最大tick長度。這意味著為獲得最大節(jié)能效果，必須盡可能放松對定時器精度的要求，例如不采用900毫秒（此時操作系統(tǒng)tick的時間間隔為100毫秒），實際應(yīng)用中“1秒”可能已經(jīng)足夠。手機(jī)擁有與實際空中接口物理層相關(guān)的系統(tǒng)tick。使用這些tick而不是人工的毫秒/秒單位，就可以減少激活的次數(shù)。GSM每幀4.615毫秒，使用這個時長為一個“tick”成為自然的選擇。語音采用多個20毫秒做為時間間隔，需要不同的tick。WLAN信標(biāo)基于100毫秒的自然tick間隔。
功耗問題將永遠(yuǎn)存在
手機(jī)行業(yè)屬于快速變化的行業(yè)，每年都會在新款手機(jī)上增添很多新功能，而用戶期望的使用時間卻與上一代手機(jī)一致，甚至更長。即使在更大屏幕尺寸、更大畫面尺寸、更多可存儲音樂，以及更多的接入網(wǎng)方式（用戶甚至經(jīng)常看不到）的情況下，用戶對電池使用時間的預(yù)期依然不變。鑒于提高電池容量的工作沒有實質(zhì)性進(jìn)展，以及超薄手機(jī)流行的趨勢，現(xiàn)有功能的實際可用電量正在逐年大幅下滑。因此，在新手機(jī)中維持原有的良好功能就需要每年都產(chǎn)生創(chuàng)新的想法，要添加新功能無疑更是如此。