基于4G技術的移動寬帶產品設計要點

移動WiMAX已經成為4G蜂窩技術的首選技術，現(xiàn)在能夠滿足新型智能手機、移動互聯(lián)網設備(MID)和筆記本電腦的要求。它能為數(shù)據(jù)、VoIP和具有運營級QoS的視頻流等多種服務提供高效的寬帶連接，支持目前甚至今后多年的移動寬帶需求。

在移動產品中增加WiMAX連接可以為所有這些服務提供超過1Mbps的寬帶速度，同時保持現(xiàn)有3G設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計算設備市場。封裝在獨立模塊中的WiMAX子系統(tǒng)則簡化了這種無線技術的集成。

隨著WiMAX網絡的構建和成本的持續(xù)下降，越來越多的可能性正變成現(xiàn)實。從汽車到電器設備的各種產品都可以從WiMAX的使用中受益(見圖1)?，F(xiàn)在可選的幾種WiMAX產品包括筆記本電腦、手機、上網本、UMPC和MID。最早的移動WiMAX用戶產品是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，這些產品與第一代WiMAX基站能很好地工作，這些地區(qū)的移動用戶希望有比Wi-Fi熱點帶寬更寬的接入方式。

圖1：移動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卡產品后，移動無線市場的產品重點開始轉向移動手機和比筆記本更小的其它設備。雖然各種移動手機沒有標準的定義，但有幾個術語已被業(yè)界所接受，即智能手機和VoIP手機。智能手機除了基本手機功能外，還支持電子郵件和互聯(lián)網訪問。通過集成多模功能并且隨著WiMAX網絡的不斷普及，這些手機可以給用戶提供無縫的語音和數(shù)據(jù)服務。另外一種極端是低成本的VoIP手機，傳統(tǒng)語音通信是這種手機的主要應用。WiMAX只是用于廣域網連接的可選無線技術。在某些情況下，這些手機可能包含一些其它基本功能，如短消息和非常簡單的數(shù)據(jù)傳送。VoIP手機的主要市場是一些新興國家和地區(qū)，這些地方的有線基礎設施比較薄弱，在需要其它應用之前，大多數(shù)人更需要語音服務。

上網本是帶7~10英寸LCD屏幕、提供移動互聯(lián)網和電子郵件訪問的小型筆記本。典型的上網本本使用Windows或Linux操作系統(tǒng)，支持與筆記本電腦上類似的應用軟件，只是性能等級較低。Wi-Fi和其它連接技術如今已經是標準配置，未來的上網本也會增加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運行Windows XP Tablet操作系統(tǒng)，價格不到1000美元。UMPC常見于縱向專業(yè)市場，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備，比智能手機稍大，但比上網本或UMPC要小。MID的用途是提供最佳的移動平臺，不僅能實現(xiàn)互聯(lián)網接入和電子郵件訪問，還能支持多媒體應用。雖然從技術角度看非常吸引人，但消費者在攜帶智能手機和筆記本電腦之后是否還愿意攜帶第三個設備還有待觀察。

技術要求

因為消費者希望移動產品提供廣泛的功能，無線手機設計正變得越來越復雜。設備必須支持許多無線功能選項，如用于連接耳機的藍牙、用于連接家庭或熱點的Wi-Fi以及用于連接移動網絡的3G等廣域網連接。與此同時，消費者希望在不增加重量或體積的條件下獲得更長的電池壽命。

由于WiMAX是市場上第一種4G技術，手機制造商都在積極增加這種新的功能。產品設計人員集成WiMAX的方式將有助于判斷特定設備是否達到多種特性，并且被證明“確實滿足”市場需求。

選擇合適的WiMAX模塊

確保移動產品提供最大功能的方法之一是給滿足市場要求的無線模塊留出空間。通過將設備設計為模塊，移動設備供應商可以支持種類廣泛的無線技術。

尺寸約20x20mm的獨立模塊支持移動WiMAX認證提出的所有要求，并且可以增加到新的產品中。這種模塊必須滿足眾多技術要求，包括合適的外形尺寸、低功耗、支持多個頻段和高吞吐量。另外，模塊必須不影響移動產品中的其它無線設備性能。

如上圖1所示，移動WiMAX模塊必須包含一個WiMAX基帶PHY設備、MAC芯片、射頻器件和功率放大器。移動產品的主處理器一般通過SDIO、SPI和/或USB等標準接口連接WiMAX模塊。使用模塊可以簡化移動產品供應商提出的設計要求，他們可以忽略一些WiMAX產品的實現(xiàn)細節(jié)，而專注于核心優(yōu)勢，從而開發(fā)出最好的產品。

功耗要求

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

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

在睡眠模式下，移動設備將被周期性地關閉，關閉時間由基站定義。這種模式支持基站切換，因為移動設備可以掃描其它基站?？臻e模式比睡眠模式節(jié)省更多的功耗，因為此時移動設備被完全關閉。

這兩種模式的實現(xiàn)方法對總體功耗有很大影響。具體來說，模式之間的轉換速度和實際時序影響到功耗。除了這些模式外，SoC設計人員還可以充分利用多種技術降低工作和睡眠/空閑模式下的功耗。

由于所有這些技術都是相互關聯(lián)的，并且取決于數(shù)據(jù)業(yè)務的時序和吞吐量要求，因此很難歸納出用戶可以期望的具體功耗水平。在運行特定的實際應用時可以看到真實的性能測試?，F(xiàn)有3G智能手機的通話時間平均為3至6小時，互聯(lián)網訪問時間平均為5至6小時。為了加快普及速度，WiMAX設備必須用同類型的電池提供相近的性能。

達到這一目的并非很困難，因為如果設備進行空閑/睡眠模式的轉換速率足夠快，那么更高的數(shù)據(jù)速率實際上會降低總體功耗。通過在更短時間內傳送更多的數(shù)據(jù)，WiMAX設備可以在工作模式下運行較少的時間，而在掉電模式時運行更長時間，后者功耗僅為前者的一小部分。只要用戶不運行一直要求滿吞吐量的應用，WiMAX設備完全可以在現(xiàn)有電池壽命期內正常工作。

多頻段設備

眾多無線頻譜規(guī)則使得像WiMAX這樣的免許可技術的可用頻率非?；靵y。移動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，為了支持全球無縫漫游，移動WiMAX設備需要支持所有這些頻率。最流行的移動WiMAX頻段分別是2.3~2.4GHz、2.5~2.7GHz和3.4~3.6GHz。

僅針對其中一個頻段設計的產品只能在特定國家工作，這對最低成本手機而言是合適的。不過對于需要自由漫游的用戶來說，市場上已經有高集成度的無線模塊，它們可以覆蓋所有這三個頻段，而且價格比較合理。

干擾問題

由于越來越多移動設備集成多種無線技術，設計人員必須保證不會產生相互干擾。藍牙為耳機提供短距離通信，而Wi-Fi用于連接熱點和家庭網絡。這兩種技術都工作在2.4GHz頻段，之所以仍能同時工作，是因為半導體供應商已經提供了能減輕干擾的共存方法。如前所述，WiMAX設備的工作頻率通常與藍牙和Wi-Fi設備的2.4-2.5GHz頻段是不重疊的。然而，由于所有這三種技術的頻段都相當靠近，而且WiMAX的輸出功率較高，因此這種組合很容易造成干擾。

無線技術的標準組織尚未解決干擾問題，因此這一任務落到了具體實現(xiàn)的開發(fā)人員身上。由于Wi-Fi和藍牙是成熟的無線技術，因此明智的方法是WiMAX半導體制造商要開發(fā)和支持能夠防止WiMAX產品引起干擾的技術。這樣，*價某個供應商與其它無線技術一起工作的能力將是選擇WiMAX芯片組的一個重要因素。

操作系統(tǒng)支持

種類廣泛的移動設備導致相應種類廣泛的操作系統(tǒng)。為了支持這些平臺，幫助推動WiMAX的普及，半導體供應商需要提供適合最廣泛操作系統(tǒng)的設備驅動程序。這些驅動程序經裁剪要能適合每家操作系統(tǒng)公司建立的接口。

對PC來說毫不費力的選擇是微軟的Windows Vista及前代產品。Linux其次，但其在上網本等小型設備中取得了長足的進展。對于手機而言，主要的選擇包括Symbina、iPhone OS、RIM Blackberry和Windows Mobile。

這些操作系統(tǒng)加起來在手機市場上占據(jù)90%以上的份額。其它看起來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，認真測試甚至驗證這些支持也很重要，這樣才能確保產品如期工作。

第二代移動WiMAX芯片組

在緊跟完全符合IEEE 802.16標準和WiMAX論壇認證規(guī)范的移動WiMAX模塊之后，第二代移動WiMAX芯片組也已順利發(fā)布。這些模塊采用可擴展的OFDMA PHY，工作在時分復用模式，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范圍內的多個頻段。

第二代移動WiMAX芯片組專門針對智能手機和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。因為基帶芯片是用65nm低漏電工藝技術實現(xiàn)，并且實現(xiàn)了擴展電源選通技術和其它低功耗設計策略，芯片在空閑/睡眠模式下功耗極低。這種芯片組包含一個專用的電源管理IC，用于系統(tǒng)級高效控制電源。