多模移动终端芯片设计

    移动通信已成为当代通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。第三代移动通信(3G)是目前移动通信的热点，但存在标准不兼容等问题，人们开始呼吁移动通信标准的统一，以期通过B3G移动通信标准的制订来解决兼容问题。国际电信联盟(ITU)正在研究制订B3G移动通信标准，并已达成共识：把移动通信系统同其他系统(例如无线局域网(WLAN)、WiMAX等)结合起来，产生B3G技术，在2010年之前使数据传输数率达到100 Mb/s，以提供更有效的多种业务。目前兼容3G移动通信技术的B3G移动通信标准正在业界萌动[1]。

    B3G移动通信系统与3G移动通信系统相比，在技术和应用上有质的飞跃。B3G系统将不仅仅是增加数据速率和提供新的空中接口，B3G系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合。B3G系统应当是一个移动网络和无线接入网的融合体，它应能实现与无线局域网(WLAN)的无缝连接。B3G的无缝特性包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是用户既能在WLAN中使用，也能在蜂窝系统中使用；业务的无缝性指的是对话音、数据和图像业务具有无缝性；覆盖的无缝性指B3G系统应能在全球提供业务。因此B3G系统应当是一个综合系统，蜂窝部分提供广域移动性，WLAN提供热点地区的高速业务，同时也包含家庭和办公室的个人局域网。

1 B3G可能的技术演进
    B3G移动通信系统将基于开放的无线结构来保证单个终端能够无缝地和自动地连接到本地高速无线接入系统，当用户在办公室、家里、机场、商场时，无线接入网(无线局域网、宽带无线接入、无线本地环)是可用的，一旦当用户到了移动区(如高速公路、海滩、偏远地区等)，则同一个终端可以自动切换到无线移动网络(如GPRS、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA等)。

    未来的B3G移动通信将基于开放的无线结构，包括基带信号处理器、射频(RF)收发信机、无线/移动操作系统、终端等开放平台[2]。B3G移动通信系统采用多载波调制(MCM)技术，因此将会采用正交频分复用(OFDM)[3—5]。

    从ITU的定义可以看出，在B3G时代，通信系统将处于多种无线电通信系统的环境中，包括卫星通信、蜂窝移动通信(GSM/GPRS/WCDMA、IS-95/CDMA2000 EV-DO/EV-DV、TD-SCDMA)、WLAN、PAN(如蓝牙和超宽带等)、WiMAX等通信系统。

    高速数据分组接入(HSDPA)、CDMA2000 EV-DO/EV-DV在全球移动漫游。WLAN和WiMAX架构于IP的应用体系和核心网络具有先天的优势，WiMAX将在城域网(MAN)，WLAN将在区域通信领域和企业通信市场中占据相当的市场份额。

1.1 无线技术的融合
    HSDPA、CDMA2000 EV-DO/EV-DV、WiMAX、WLAN和B3G试验床都采用了类似的物理层技术：正交频分复用(OFDM)或者正交频分多址(OFDMA)技术、多天线技术(MIMO)、自适应链路技术(如调制、编码、基带接收算法等)、反馈重传技术。采用类似的物理层技术的内在原因是网络的分组化、多媒体化、灵活业务支持能力等要求。

    网络方面，WLAN/WCDMA正在标准化，WLAN与CDMA2000 EV-DO的融合已经实现；上行利用广域网络点播节目，下行卫星传输节目已经实现；三网融合正一步步深入(如移动电视、移动互联网、移动专网或者集群网)。家庭网关方面，3C(通信、计算机和消费电子)已经把WLAN和LAN有机结合。

    WLAN/WiMAX/WCDMA融合的实质是固定网络和移动网络的融合。IT产业与传统电信产业的融合，将构建新的信息与通信技术(ICT)信息网络、产业链和商业模式。

1.2 无线传输技术的演进
    3GPP R5于2002年3月完成，是全IP网的第一个版本，其核心网部分在结构上引入多媒体子系统(IMS)。R5只完成了IMS的基本功能和业务(称为IMS的第一阶段)。R5的另一个主要增强是在无线接口引入了HSDPA技术，该技术可提高下行数据速率，最高可达10 Mb/s。

    3GPP R6于2004年3月发布。3GPP R6继续完善IMS第二阶段的功能，主要包括网络互通、安全性等方面的内容；同时，3GPP R6对多种新型无线技术(如MIMO、OFDM等)、网络共享、WLAN与移动通信结合等问题展开研究；此外3GPP R6还制订了一些新的业务和功能等。

    3GPP无线传输技术(RTT)可能将沿如下路径演进：R´99 DS-CDMA(2M)→HSDPA(10M)→HSDPA+MIMO(40M)→OFDM+MIMO+HSUPA。

1.3 无线传输技术的研究重点
    本文认为，在3G时代，GSM/GPRS/WCDMA将是绝对的主流标准，集聚了全世界最大的资本投入、产能和专利体系。关于B3G的演进首先应关注WLAN/WiMAX/3G(WCDMA或TD-SCDMA)融合基础上的向B3G的演进，这应该是主流方向；WLAN/WiMAX/3G(CDMA2000)融合基础上的演进可能是次主流方向。

    B3G无线接入网络(RAN)是在以前3G/2G RAN业务能力基础上发展的新的业务能力，还是仅仅开发新的业务能力，目前还没有明确的方向。

    结合CDMA2000到EV-DV和EV-DO以及R´99到HSDPA的演进路径看，RAN侧不可能通过演进实现新的业务能力，只有进行革命性的变革才能实现新的业务能力。1G到2G、2G到3G的发展，分别从无到有地解决了无线语音、数据和多媒体的新的业务能力，而B3G没有必要做一个无所不能的系统，因此补充比提供无所不能的业务能力更重要。让融合在业务和终端层面实现可能是一个更务实的选择。

    CDMA2000比WCDMA终端上发展快，原因就是物理层上的部分继承性，因此研究B3G需要研究B3G终端的复杂性和可实现性。可以说，B3G终端技术是B3G技术研究的重点，而移动终端基带处理芯片研发是B3G终端技术研究的重点。

2 移动终端基带处理芯片的研发
    移动通信系统从2G、2.5G发展到今天的3G，其基带处理芯片也随之进行变化。下面重点分析手机基带芯片的体系架构。

2.1 2G/2.5G/3G基带芯片
    2G/2.5G手机发展的中期，基带数字处理功能以及手机基本外围功能都集中到单片片上系统(SOC)中，其基本构架都采用了微控制器(MCU)+数字信号处理器(DSP)的双核结构。其中在加速器及基带专用外设的配合下，DSP子系统通过软件完成所有物理层功能，而MCU主要运行物理层控制软件、协议栈软件和应用软件。

    3G手机基带芯片正处于发展阶段，已公开推出方案的厂商并不多。

    与2G基带芯片相比较，3G手机解决方案大大加强了手机应用处理能力。解决方案的代表为TI公司推出的开放式多媒体应用平台(OMAP)。OMAP是一种结合基带处理和应用处理的多种结构的平台，采用单芯片应用处理器ARM+基带Modem (ARM+DSP)、基带处理芯片+应用处理器双芯片方案。而Qualcomm公司推出的WCDMA方案中，在基带芯片中采取了应用处理器+双DSP结构。

    2G/2.5G/3G基带芯片具有如下特点：
    (1)从2G到3G手机芯片，基带芯片功能和性能的变化主要有：

• 通过提高处理器性能或嵌入专门的应用处理器核等方式增强应用功能。
• 基带芯片的集成度一直在提高，如将模拟基带和数字基带合二为一，集成更多的应用接口(如照相机、USB等应用接口)。
• MCU和DSP的处理能力不断增强。即使这样，考虑到功耗、处理的实时性、性能等诸多因素，在WCDMA基带芯片中，还增加了大量的加速模块和搜索引擎。
• 通过工艺的提升或其他设计思路，使基带芯片的功耗不断的降低。
• 多模基带芯片成为发展趋势，如目前推出的3G基带芯片大都支持GSM/GPRS和WCDMA两种模式，Qualcomm公司甚至计划推出CDMA2000、WCDMA、GPRS/GSM多模基带芯片。
  

    (2)基带芯片的结构仍然以MCU+DSP双处理器核为基本结构，但MCU和DSP的处理能力一直增强。MCU子系统和DSP子系统之间的数据交互也从简单的双端口随机读取存储器(RAM)改变为多总线共享资源的方式。一些厂商采用了AMBA公司的多层总线协议。

    (3)片内嵌入大容量静态随机读取存储器(SRAM)已非常普遍，有利于降低功耗，减少系统成本。Intel公司还嵌入了大容量的闪速存储器(Flash RAM)。扩展存储器普遍支持同步动态随机存储器(SDRAM)和NAND型Flash RAM等。在存储器组织方面，MCU和DSP有自身子系统的高速缓冲存储器(Cache)或二层Cache，有共享的片内SRAM和共享的外扩存储器。

    (4)外设方面，除传统的串行通信接口(SCU)、多媒体接口(MMI)和通信接口外，增加了通用串行总线(USB)、多媒体控制(MMC)等新功能。对双核系统，许多厂家采用了共享部分外设的方式。基带芯片包含与模拟基带芯片和RF芯片通信的专用接口。

    (5)DSP子系统仍然是基带处理的重点，其中包含了许多硬件加速器和相关处理模块。在2G时代，基带芯片中物理层基本由DSP软件完成，而在WCDMA基带芯片中，增加了许多专用硬件。

2.2 多模移动终端基带处理芯片
    从2G/2.5G/3G基带芯片的发展来看，基带芯片的研发是基于ARM+DSP或ARM+双DSP的体系架构。在B3G时代，移动终端将是多模移动终端，以实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。本文提出的多模移动终端基带处理芯片的设计基于一种统一无线平台，该无线平台基于ARM+多DSP的体系架构。

    图1表示了无线平台的总体功能框图，用不同颜色表示了无线平台中抽象出的共同功能单元和与特定产品相关的功能模块。

    无线平台片内互连总线遵循ARM公司的ABMA总线标准，并采用了业界流行ABMA的多层AHB结构。

    在无线平台中，有4条基本AHB总线，4条AHB总线的主控(Master)分别是ARM数据总线、ARM指令总线、DSP数据总线和系统DMA总线。另外，将ARM的低速外设分为两大类，即支持DMA的外设和不支持DMA的外设，分别经过AHB-APB桥采用APB总线连接。DSP的外设和加速器根据需要连接在DSP AHB总线上或增加AHB-APB桥连接。ARM的高速外设和加速器可以连接在AHB总线上，需要DMA访问的则经过通道控制器连接。

    可以根据需要扩展新的AHB Master总线。无线平台互连结构如图2所示：

    无线平台互连结构有以下特点：

    (1)互连结构易于扩展。因为增加AHB Master总线或APB总线，扩展AHB外设或APB外设易于实现。
    (2)可增强系统灵活性，如DSP核和ARM核都能够访问所有的系统资源，在系统集成时可根据需要灵活配置。
    (3)多条高速AHB总线，允许多Master并行数据传输方式，从而可提高系统整体性能。
    (4)将低速设备与吞吐量高的存储器系统分离，既有利于降低功耗，也减少了外设模块接口的复杂性。
    (5)将支持DMA的外设和不支持DMA的外设分别采用AHB-APB桥和APB总线连接，既有利于数据流量相对大的外设的数据传输，也降低了APB的负荷。
    (6)APB总线可以采用比AHB总线时钟低的频率运行，从而降低功耗。

    软件无线电技术将会在B3G系统得到应用。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口；软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变服务质量(QoS)要求；软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置终端，从而使终端在新系统中获得服务。

    终端上的软件重构本质是空中接口的软件下载。随着信号处理的功能的不断增强、处理成本的不断下降，移动手机可重构基带处理的应用成为可能，从而导致了柔性化空中接口的应用。

    柔性化空中接口意味着各种参数，如调制类型、载波频率、多址方式(TDMA、FDMA、OFDM等)，无须在通信连接发生前确定。移动终端与基站之间可以根据它们的相对能力以及当前服务所需的连接方式来动态确定恰当的物理参数。比如，话音通信所需的业务质量参数与可视通信服务显然是不同的。

    软件下载和重构技术的应用将会促进B3G移动终端的发展。B3G移动终端将提供多种不同的空中接口配置以及特定应用的专门优化等。由于下载软件的重构能力，B3G终端被看成是“未来的标志”，将提供多模式、多重服务和多重标准。

    完全的软件可重构能力使得新的基站和网络平台结构可以快速发展以动态适应不同的业务需求，使用户最大可能地利用有限的频谱和带宽资源。ARM+多DSP的体系架构可实现软件无线电技术。
此外，有学者提出用于满足2.5G、3G和B3G需求的一种集成电路(IC)解决方案——自适应计算的新的处理技术。其芯片是新一类IC——自适应计算机(ACM)，通过采用自适应计算技术把动态算法直接映射到动态硬件(芯片)资源中去[6]。这种新一类的IC目前还处于研究阶段，没有商用产品推出。

3  结束语
    随着3G渐渐进入商用，各国政府及各大通信公司相继启动了B3G/4G的研究。中国于2002年正式启动基于未来通用无线环境技术的第4代移动通信项目，列入国家“863”研究计划。对中国来说，加强对第4代移动通信技术的研发投入，争取在核心技术方面有所突破，在标准制订过程中争取到发言权，从而改变2G、3G时代因为没有核心技术，完全跟着别人的标准走，在知识产权(IPR)谈判上处于非常不利地位的局面具有非常重要的意义。B3G/4G时代的移动终端将是多模移动终端，对多模移动终端芯片的体系架构进行研究，开发出具有自主知识产权的芯片对中国移动终端事业的发展具有特别重要的意义。

4 参考文献
[1] 古丽萍. 面对第四代移动通信的思考 [J]. 电子技术应用, 2002,28(10):6—8.
[2] Willie W L. Open Wireless Architecture—The Core to Future 4G Mobile
Communications [A]. 第37届东方科技论坛“Beyond 3G/4G移动通信技术研讨会”[C].上海, 2003.
[3] 李梅. CDMA与OFDM之技术比较 [N]. 人民邮电报, 2003-09-12.
[4] 孙小东, 于全, 袁华廷,等.!OFDM实现中的关键技术 [J]. 电声技术,2003,12(6):12—15.
[5] Tuttlebee W. 软件无线电技术与实现 [M]. 杨小牛, 邹少丞, 楼才义, 等译, 北京: 电子工业出版社, 2004.
[6] 佟学俭, 罗涛. OFDM 移动通信技术原理与应用 [M]. 北京: 人民邮电出版社,2003.

收稿日期：2005-04-08

[摘要] 文章分析了B3G技术可能的演进进程，在此基础上，对移动终端基带处理芯片进行了介绍，并探讨了多模移动终端基带处理芯片的关键技术。文章认为B3G终端技术是B3G技术研究的重点，而移动终端基带处理芯片研发是B3G终端技术研究的重点，为此提出了一种统一无线平台，利用该平台可方便地进行多模移动终端基带处理芯片的研发。

[关键词] 多模移动终端；正交频分复用；软件无线电

[Abstract] Based on the analysis of B3G evolution, base-band processing chips for mobile terminals are introduced. Key technologies for multi-mode mobile terminal base-band chips are discussed. Terminal technologies are thought to be the key of B3G, and terminal base-band chips are regarded as the core of terminal technologies. Therefore, a unified wireless development platform is required for the R of multi-mode mobile terminal base-band processing chips.

[Keywords] multi-mode mobile terminal; OFDM; software radio