基于FMC手机的低功耗设计方案分析

　　目前众多固定电话运营商都在关注或已经在测试FMC服务。

　　2004年很多厂商已经为FMC做了许多基础性的工作并成立了联盟。2004年6月份，包括英国电信，韩国电信以及NTT在内的6家固网运营商宣布成立一个性固定移动融合联盟（FMCA），意在促进FMC在普通用户市场和企业市场中的推广。该联盟已经吸收了18家成员，覆盖移动用户数达到2.4亿。其成员既包括固网运营商，也有移动运营商，许多厂商对此也表示感兴趣。据称，为了加速融合的标准化进程，以尽快在范围内开展FMC服务，FMC联盟并没有选择程序相对复杂的ETSI组织来制定相关的标准，而是选择了一个主要由摩托罗拉、阿尔卡特、诺基亚和北电网络等成员组成、刚成立不久的组织——UMAC（Unlicensed Mobile Access Consortium），其对FMC的期待可见一斑。虽然看起来，2005年未必能看到真正的FMC出现，但无论如何，2005年将会是FMC非常关键的一年。

　　固网与移动融合（FMC）势在必行，即手机能够在移动网络与非授权无线系统（如Wi-Fi网或蓝牙连接）之间实现无缝切换。首先，消费者通过使用VoIP或固网电话来降低通话成本的需求存在。其次，实现三网合一（triple-play）的运营商的数量在不断增加，对他们来说，固网与移动融合既是一个卖点，也是利润的来源－无论采用何种呼叫方式，他们都能赚钱。服务提供商与设备制造商已经开始密切合作，致力于开发网络完全融合的标准。

　　早期，Wi-Fi手机的主要问题在于Wi-Fi与移动网完全独立。移动运营商初因无法从中获利而把Wi-Fi看成一种威胁，结果导致了双输的局面。由于Wi-Fi无法无缝地整合到用户体验中，用户需要“激活”Wi-Fi网络。同时，由于缺乏将Wi-Fi与移动网无缝整合的技术，用户需要同时开启GSM和Wi-Fi，即在用户使用Wi-Fi时移动运营商也需要继续通过GSM提供服务，从而导致额外的功耗，Wi-Fi的用户体验也不令人满意。

　　此后，运营商与设备供应商开发了通过Wi-Fi和IP提供移动语音、数据和IMS服务的技术，增强了Wi-Fi对移动运营商的“友好”性。如今的双模手机可以不用开启GSM就使用Wi-Fi，所有语音与数据服务也可以通过IP提供，而无需使用GSM网络。这一技术终导致了通用接入网（GAN）规范，即过去的非授权移动接入（UMA）的发布，这一规范现已成为3GPP的标准。

　　FMC，直观的理解是固定与移动融合，但运营商在实施过程中，怎么进行融合，融合到什么程度则有不同的方式和路线。

　　固定和移动融合的方式体现在业务、技术、网络、体制、服务、管理、  FMC组织结构等多个方面，可以包括多种业务捆绑融合、终端融合、网络融合、业务融合等。多种业务捆绑融合是将固话、宽带接入、移动业务等多种业务捆绑销售给客户，提供统一的业务定价、账单等，给用户带来跨网络业务组合优惠与统一的营销服务；终端融合是运营商提供的固话、宽带接入、移动融合业务可以在复合型终端上实现，这样只要客户持有这种复合型终端即可完成跨网络的通信服务，例如蓝牙/GSM双模手机、Wi-Fi/GSM双模手机等；网络融合就是在提供多种方式的接入服务的同时，网采用统一的网络，即具有统一IP承载和统一业务控制的分层体系架构；业务融合是移动和固定现有或未来业务的渗透、组合与融合，可以在包括业务捆绑全部特征的基础上为客户提供统一消息、统一号码等业务。

　　FMC通常具有以下一个或多个特点：

　　1.无缝连接

　　在设备和网络层面，它的表现为切换：固定网中的电话可转移到移动网络中，反之亦然；在两种不同的网络中切换不会中断或导致服务质量受损；实现WiFi和2G网络相互切换。在网络架构层面，FMC能够在不同的网络平台间传输多种运用，而不需要进行再编译。

　　2.用户接入方式多样

　　融合服务和设备能够让用户根据自己所在的位置、需要的应用、服务质量和通话量等具体需求，选择采用不同的接入技术，如WiFi或移动网络。

　　3.融合终端

　　融合终端能够让用户方便的在不同的网络间切换。目前，用户一般使用固定网络来实现语音服务和互联网接入服务，通过移动网络来实现移动语音服务和基本的数据服务（如SMS短信息服务等）。企业级用户通常会使用更多的终端设备，例如，用PDA或笔记本电脑来获得移动数据。而的融合终端，如WiFi电话，能够让用户使用一个终端就完成以前用多个终端才能实现的应用。

　　4.个性化

　　FMC服务不但允许终端用户设定他们想要的服务，而且允许他们对用户界面进行设定。用户可以对融合终端进行统一设定，融合终端的多样性使得固网也拥有了类似手机的多样化设置。

　　5.移动网络、固定网络、无线网络的统一融合

　　FMC服务可以使用户在不关心配置、网络安全、服务质量、网络带宽、网络资费的情况下，实现在多种网络间的转换，例如移动网络、固定网络和无线网络

　　国际标准化组织ETSI TISPAN对FMC的定义是：“FMC关注的是独立于接入技术的网络和业务能力，并不一定指网络物理层面的融合，FMC关注融合的网络能力和支撑标准；这些标准可以支持一系列连续的服务，而这些服务可以通过固定、移动、公共或私有的网络提供”。ITU-T对FMC的定义为：“FMC是指在一个给定的网络中，向终端用户提供业务或应用的能力和机制与固定/移动接入技术以及用户位置无关。在NGN环境中，FMC意味着向终端用户提供与接入技术无关的NGN业务”。应该说，国际标准化组织对FMC的定义更多的是站在技术的角度对FMC进行描述。它强调接入的无关性，用户可以通过无线、有线、宽带、窄带等多种方式接入；其次它注重支持FMC的网络能力，包括对多种接入手段的、业务连续性、漫游切换等。从用户的角度看，FMC的目标是为用户提供完整、无缝、一致的通信业务体验，让用户摆脱空间与网络的限制。其主要特征是用户订阅的业务与接入和终端无关，也就是允许用户从任何合适的固定或移动接入点使用同一业务。FMC可以使用户在一个号码、一个终端、一个账单的前提下，在办公室或家里使用固定网络进行通信，而在户外则通过无线，移动网络进行通信。对于运营商来说，实现FMC的技术可以涵盖包括运营支撑、业务、控制、终端在内的网络的各个层面。通过网络不同层面的融合，可以满足不同融合业务的需求，某一种融合业务可能包含了多种融合技术。

　　●运营支撑融合：将固话业务、宽带接入、移动业务等多种应用捆绑提供给用户，实现统一、统一账单、统一计费、统一门户等，给用户带来资费的优惠与使用的便捷。

　　●业务层面融合：在业务层提供访问控制多种网络的能力，实现移动业务或固网业务在对方网络的延伸，让用户能够享受到不受网络限制的通信服务。

　　●网络层面融合：统一的网控制，向下不依赖于任何接入技术，向上提供标准的开放业务接口。IMS技术即是一种实现固定移动融合的控制架构，被业界公认为终FMC网络的演进方向。

　　●终端层面融合：复合型双模或多模终端，支持多种接入制式，能够满足用户“一机在手，多点接入，全网通信”的需求。终端的融合为FMC应用的发展和推广创造了条件。

　　功耗是实现FMC的关键

　　尽管有消费者需求的推动，要将FMC推向大众市场仍面临相当大的挑战，该挑战主要来自于电池技术。过去十年，人们并未在研发具有比锂离子电池更高量密度的电池方面取得重大进展。消费者对超薄手机的需求引发电池尺寸的进一步缩小，同时，目前手机标准的电池电量值实际上远远小于上一代手机，一般为650mAh，而不是1000mAh。那么，如何在不影响待机与通话时间的前提下，将手机功耗降低30%已经成为芯片制造商面临的重大挑战。而FMC手机（一般称为双模手机）必须同时支持两种或三种无线装置，其功耗更大。因此，部FMC手机的待机时间和通话时间指标都不高也在意料之中。UMA能够显着改进双模手机的电池性能，改善消费者的用户体验，并使移动服务提供商获利，从而成为三赢方案。

　　早期Wi-Fi手机面临的第二个重大问题是，无线（WLAN）模块用于PC和其它交流电供电的计算机外围设备时，功耗并不是被关注的问题，但当将其用于手机时，功耗问题凸现出来。这意味着，在某些情况下，这种手机的待机时间只有半天，这也是很多分析师认为FMC市场前途未卜的原因之一。

　　可喜的是，的三星UMA双模手机（基于恩智浦半导体的手机平台）改变了这一局面，它有效地提升了待机和通话时间，促使分析师们开始重新考虑这个市场。“鉴于三星手机（基于恩智浦平台）在Wi-Fi模式下的待机时长，业内一些公司（包括我们）准备重新考虑双模Wi-Fi/蜂窝手机。”2007年7月SignalsResearchGroup，LLC公司CEOMichaelW.Thelander在其中指出。

　　图1：UMA 系统 （ Wireless Inc.）

　　融合手机平台的发展

　　UMA手机上市以来，关于其特性、功耗以及发展方面已经有了一些初步体验。

　　代FMC手机

　　这些手机通常是在移动平台中集成一个WLAN子系统。两个系统完全独立存在，大多数时间内都处于省电模式，尤其是在空闲模式下。FMC系统中只有一个系统在运作（如UMA/GAN）的明显好处是呼叫将被重新路由并交给当前活动的系统，从而可以关闭另外一个系统。如果FMC方案在WLAN上集成VoIP（通常基于SIP）并与蜂窝系统（GSM/UMTS）并行使用，由MMI（人机接口）/用户决定呼叫路由和接听方式，则不具备上述优势。

　　图2：融合手机代平台架构。（）

　　第二代融合手机

　　由于越来越多的用户使用蓝牙耳机，第二代融合手机一般都集成了蓝牙（BT）功能。这类手机集成了三个射频系统，并在它们之间进行协调：由于采用协同工作滤波器，GSM与BT以及GSM与WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一频段，彼此之间干扰严重，因此需要复杂的射频接入协调，特别是BT和WLANIC之间进行紧密协调。

　　图3：融合手机第二代平台（）

　　除此以外，第三个系统（BT）在空闲（扫描）和通话（即在使用耳机模式）时也需要额外功耗。因此BT子系统本身与所在的整个系统架构都需要具备很好的能效。

　　WLAN专用PMU，进一步改善系统能耗。采用专用于WLAN和/或BT平台的PMU，可以避免因LDO（线性稳压器）造成的损耗，从而达到进一步改善能耗的目标。

　　固网与移动融合（FMC）势在必行，即手机能够在移动网络与非授权无线系统（如Wi-Fi网或蓝牙连接）之间实现无缝切换。首先，消费者通过使用VoIP或固网电话来降低通话成本的需求存在。其次，实现三网合一（triple-play）的运营商的数量在不断增加，对他们来说，固网与移动融合既是一个卖点，也是利润的来源－无论采用何种呼叫方式，他们都能赚钱。服务提供商与设备制造商已经开始密切合作，致力于开发网络完全融合的标准。

　　早期，Wi-Fi手机的主要问题在于Wi-Fi与移动网完全独立。移动运营商初因无法从中获利而把Wi-Fi看成一种威胁，结果导致了双输的局面。由于Wi-Fi无法无缝地整合到用户体验中，用户需要“激活”Wi-Fi网络。同时，由于缺乏将Wi-Fi与移动网无缝整合的技术，用户需要同时开启GSM和Wi-Fi，即在用户使用Wi-Fi时移动运营商也需要继续通过GSM提供服务，从而导致额外的功耗，Wi-Fi的用户体验也不令人满意。

　　此后，运营商与设备供应商开发了通过Wi-Fi和IP提供移动语音、数据和IMS服务的技术，增强了Wi-Fi对移动运营商的“友好”性。如今的双模手机可以不用开启GSM就使用Wi-Fi，所有语音与数据服务也可以通过IP提供，而无需使用GSM网络。这一技术终导致了通用接入网（GAN）规范，即过去的非授权移动接入（UMA）的发布，这一规范现已成为3GPP的标准。

     功耗需求的变化

　　　功耗需求在过去的两年里发生了相当大的变化。用户刚开始还能接受一些解释：手机内置WLAN，这会损耗一些电量，待机时间只有GSM的一半。不久以后，要求WLAN待机时间达到数天则成为主要目标。但这依然没有满足消费者的期望：电池即便在支持相同的待机时间基础上还要能够通话一段时间（如3个小时）。此目标运营商们保持了一段时间。

　　批消费者的反馈表明融合手机必须具备与普通GSM手机相同的性能。消费者不希望因采用FMC技术而带来任何明显的差异，因此，运营商不但不会宣传，甚至会对用户进行隐藏该项技术。“普通”GSM手机的另一个市场推动力是Razr的成功，以及随之不断增长的对超薄手机的需求。现在，相同功能和性能的GSM手机（也包括FMC手机）一般都采用650mAh电池，而不是1000mAh，因此所有手机元件（包括WLAN）需要节约30%的能耗。图5是功耗要求的典型演化图，随后将讨论实现这一目标的解决方案。

　　图4：融合手机第三代平台。（）

　　关键系统设计

　　整体设计

　　作为独立的子系统，WLAN子系统需要拥有自己的时钟、电压控制、省电模式管理，以及必要时激活主机的能力。必须避免在空闲时间内两个系统并行工作：如果可以使用系统（WLAN），则另一个系统（GSM）需要进入睡眠状态。为了取得良好的关键性能和用户体验，某些偏差也可以接受（例如，在通话期间）。使处理器之间的通信化。WLAN只有在收到相关数据时才激活主机。RSSI（电平）测量应在WLAN子系统内局部进行—只有测量值超出给定极限才激活主机。

　　图5：UMA 手机功耗的演变过程。

　　协议分层及例外

　　嵌入软件通常按照OSI模型进行分层：物理层在专门的硬件/DSP/CPU上运行（尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS）；低功耗在硬件和软件中都采用“内置设计”（即通过时钟/电压等级、省电模式等）；较高层将在功耗更高的主CPU（或应用CPU）上运行；通常涉及到不同组织、路线图、团队、软件语言、OS、工具和限制等。

　　作为通用规则系统架构应按照时间域布置软件层：GSM中，每一帧的处理应在DSP上完成而不是主CPU（以前情况并非如此，通常项目预算也不允许完全重新设计），不过协议工作应在主CPU上完成。

　　以下例外情况如果可以实现，则将大大降低待机功耗：

　　GSM中：协议每0.5秒检查用户收到的信息是否为呼叫，这项工作可以转交DSP，使主CPU有更长的睡眠时间。

　　WLAN中：每0.1秒—0.5秒进行RSSI和其它测量，但只有当动态极限超出上、下值并将产生动作时，才应激活主处理器。

　　惰性范式

　　一般情况下，所有算法设计时都考虑差状态下的性能。如果有足够的可用电源，这种方法不会产生任何问题，但通常情况下这一要求会过高，从而需要根据实际情况进行调整。

　　－每0.5秒查看邻近小区可以产生良好的切换性能，而在空闲状态下此动作可以被简化。

　　－使用外部电源工作时（充电器、USB电缆），可以选择性能的算法，而使用电池时则减少此类操作。

　　－只要用户进行操作（如按键）就应激活高性能算法，但在一段时间内没有任何操作，则应使用电池优化算法。

　　－软件只应做必需的事情（在限制功耗状态下），只在必要时刷新缓存，而不是采用自动定时刷新的方式。

　　－手机要考虑到环境的变化，如检测“全天同一位置”与“不断移动”的情况，以释放网络扫描等请求。

　　-节能措施还需要考虑电池状态的变化：如果电池电量下降，则移动切换速度、TX功率、屏幕刷新等性能也需要进一步降低。

　　－系统范式需要全局接口以及应用于整个系统的单一设计，如“使用电池”与“使用电源”状态或活动指示等。所有算法都需要这些信息。

　　关键软件设计

　　替换“Do…While”循环

　　嵌入软件一般具有很多以并行逻辑运行的RTK任务。多数情况下，软件需要等待某个条件为真，如“AP已关联”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。初采用一种简单的方案（经常用于“C”语言），即在一个任务中使用“Do…while”命令，并用循环轮询来获得较低优先级任务的结果（如IP协议栈）。

　　此时，CPU保持运行直至条件成立，这将导致高功耗。实际例子：等待显示器完成刷新。

　　较好的方案是启动RTK定时器，然后进入一段睡眠时间，过后再次检索条件。这种方法原理上仍是一种“轮询”，但减少了对功耗的影响，并可以采用不同的睡眠间隔度，动态地适应不同的性能需求。

　　更好的方案是采用RTK消息与中断，当终达到条件时激活主机。这样能够地降低功耗，不过中断是一种稀有资源，而系统架构必须在设计时就考虑效功耗。不幸的是，功耗问题一般在产品生产后期才被发现，因此需要进行重新设计，但很少有人会重新设计。

　　定时器管理是关键

　　嵌入软件经常需要从几毫秒到数天的定时范围，特别是硬件处理、软件轮询，或由标准给定（IP、电信等）。定时器到时需要激活CPU并运行RTK/OS程序。退出省电模式后需要一段时间来达到系统稳定，而返回省电模式也需要一些时间来准备下的正确激活。CPU激活一般非常快（在微秒范围），但主时钟仍需运行，这样只节省了少量功耗。全系统的睡眠（包括主时钟）可能需要5至20毫秒的激活时间，但只有这种方法才能提供的节能效果。

　　应尽可能避免出现定时器频繁过期情况。给定900毫秒的定时器可以通过900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick（时钟计时单元）来实现，这样做对功耗有着全然不同的影响。操作系统应使用tick长度。这意味着为获得节能效果，必须尽可能放松对定时器的要求，例如不采用900毫秒（此时操作系统tick的时间间隔为100毫秒），实际应用中“1秒”可能已经足够。手机拥有与实际空中接口物理层相关的系统tick。使用这些tick而不是人工的毫秒/秒单位，就可以减少激活的次数。GSM每帧4.615毫秒，使用这个时长为一个“tick”成为自然的选择。语音采用多个20毫秒做为时间间隔，需要不同的tick。WLAN信标基于100毫秒的自然tick间隔。

　　功耗问题将永远存在

　　手机行业属于快速变化的行业，每年都会在新款手机上增添很多新功能，而用户期望的使用时间却与上一代手机一致，甚至更长。即使在更大屏幕尺寸、更大画面尺寸、更多可存储音乐，以及更多的接入网方式（用户甚至经常看不到）的情况下，用户对电池使用时间的预期依然不变。鉴于提高电池容量的工作没有实质性进展，以及超薄手机流行的趋势，现有功能的实际可用电量正在逐年大幅下滑。因此，在新手机中维持原有的良好功能就需要每年都产生创新的想法，要添加新功能无疑更是如此。

  

参考文献:

[1]. PMU datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PMU_1198106.html.