无线通信未来发展的方向

　　供应商正端出各种软硬件大餐，为固定与移动设备增加通信功能。

　　要点

- 我们正在增加新的通信标准与协议，但老一套标准不会消失得没有那么快。
- 不仅仅是制造芯片问题；还关系到用软件将所有东西集成到一起。
- 支持多种通信协议的一个有效方式是采用一个技术平台或参考设计。
- 人们低估了在产品中增加无线连网能力的成本。
- 以往用FPGA或ASIC实现的基带功能，现在可以用软件完成。

　　随着无线技术日益普及，各家供应商正在提供一系列软硬件技术，协助在产品中增加通信功能。这些技术支持的通信标准包括蓝牙、Wi-Fi、GPS（全球定位系统）、LTE（长期演进）以及WiMax（全球微波接入互操作）。然而，在增加无线连网功能时，芯片及相关软件的选择（假设所选择的实现能正常工作，并满足相关的论证要求）可能极具挑战性。即使做出了一个可行的设计，但如果未优化性能、功耗、成本和规模，则可能不会取得市场上的成功。今天最热门的东西未必是最好的通信标准和客户需要的东西，因此选择的软硬件实现方案应有这样的特点：每个新一代产品都不需要彻底从头开始适应（见附文《无线技术一览》）。

　　每个后续一代产品都可能要与前代保持兼容。咨询公司OctoScope的创始人兼总裁Fanny Mlinarsky用移动业举例说：“行业内一般的趋势是，我们在增加新的标准和协议，但旧的不会很快淘汰。它们还存在着，所以我们必须向后兼容。因此当整个移动业自身经历着宽带无线3G和4G的重新改造，它还要背负欧洲的GSM与美国的CDMA包袱。即使身为3G的WCDMA现在正在迈入市场，也很快要被LTE所取代。”

　　对于某些应用，可以选择一种单芯片来实现无线链接。在上个月的CES（消费电子展）上，Marvell公司展示了自己的Avastar系列无线连接器件，用于永远开机型的消费电子设备，如手机、便携媒体播放器、电子阅读机、打印机、数码相机、上网本、数字电视、机顶盒、DVD播放机、游戏机，甚至恒温器。该公司可以将自己的IP（知识产权）核心整合起来，针对目标市场来创建器件。现在它提供用于Wi-Fi，Wi-Fi与蓝牙，蓝牙与FM，以及Wi-Fi、蓝牙与FM的器件样品。Marvell公司预计将在今年上半年推出该系列的四款以上器件。

　　对于需要在微控制器设计中增加无线功能的嵌入系统开发者，Microchip Technology公司提供一站式购买方案。上个月，该微控制器制造商用其收购的ZeroG Wireless增加了对嵌入无线应用的支持，这是一家私营无晶圆半导体开发商，主要产品是经Wi-Fi认证的收发器和经FCC认证的模块。嵌入系统设计者可以用ZeroG器件，通过SPI（串行外设接口）为Microchip的任何8、16或32位PIC微控制器增加无处不在的Wi-Fi连网协议。

Microchip公司的PIC微控制器包含了来自ZeroG公司的Wi-Fi模块，后者最近刚被Microchip公司收购，该微控制器用于嵌入系统应用。ZeroG器件包括了内存、介质访问控制数字基带功能、一个加密引擎、电源管理、低压差稳压功能，以及功率放大器和其它RF功能。Wi-Fi设备通过一个SPI链路连接到微控制器。

　　Microchip公司还支持其它无线标准，包括ZigBee。该公司在12月宣布，它已经收到了对自己新的ZigBee-RF4CE平台的认证，这是一个用于ZigBee的开发套件，包括XLP PIC控制器、一个针对802.15.4 ZigBee网络的MRF24J40收发器，以及一个FCC认证模块。这个套件带有ZigBee应用的认证协议栈。

　　XLP PIC处于平台的中心，它集成了用于电容触摸检测、USB接口以及模拟I/O等的多种外设。Microchip公司在套件中包含了软件，如使用外设的mTouch检测软件。套件的其它工具包括MPLab集成开发环境、MPLab Real ICE系统、MPLab ICD 3、Pickit 3调试器/编程器，以及C编译器。

　　你也可以找到手机的单芯片实现方案。例如，英飞凌公司提供的单芯片X-Gold 116 GSM/GPRS（通用无线分组业务）实现，它采用65 nm CMOS工艺，用于短信手机。该芯片在一个8mm×8mm封装内集成了GSM基带、RF收发器、电源管理功能、SRAM，以及FM收音功能。英飞凌作为其XMM 1160短信手机平台的一部分提供该器件，此平台在一个四层印刷电路板上包含了50只元器件，有用户界面、多媒体框架、介质层，以及Java软件。该公司还提供XMM 6130平台，面向入门级的互联网浏览手机市场，支持3G HSDPA（高速下行链路分组接入）。该平台集成了一个基于ARM11的微控制器、基带数字与模拟功能，以及电源管理功能，它还提供用于相机、显示屏、USB端口，以及内存卡的专用接口。

XMM6130平台面向入门级互联网浏览手机市场，支持3G HSDPA。它集成了一个基于ARM11的微控制器、基带数字与模拟功能，以及电源管理功能（英飞凌公司提供）。

　　另外用单片GPS实现也已出现。Atheros通信公司上个月发布了其GPS产品系列的最后一个成员，第三代的单片AR1520 GPS接收器，以及与之一起使用的Atheros FYX 1.0软件组件。Atheros在新的Atheros FYX单元核心中采用了AR1520。与该公司前代产品相比，它提供了更高的导航精度、更快的位置修正、改进的接收灵敏度，以及更低的功耗。这些特性使AR1520适合用于移动消费产品，如PND（个人导航设备）、上网本、智能本、便携游戏设备、媒体播放器，以及智能手机等。

　　同时，ST-Ericsson正在采用一种技术平台方案来满足消费者对随处上网的需求。该公司副总裁兼2G、EDGE、TD-SCDMA与连网产品总经理Thierry Tingaud表示，移动设备已经成为多种无线技术对消费者的融合点，包括GPS与Wi-Fi，以及移动操作。ST-Ericsson提供用于智能手机、特色手机，以及入门级手机的平台，还提供连网设备的平台，如笔记本电脑中的无线modem。

　　该公司在12月宣布，它正在与诺基亚合作开发TD-SCDMA技术，这是ST-Ericsson与诺基亚在中国开展的一项长期合作。作为合作内容之一，诺基亚将把ST-Ericsson作为自己基于Symbian的TD-SCDMA设备组合的芯片组平台主要供应商。该公司称合作将增强两家公司在中国移动系统市场上的领先地位。诺基亚公司于10月份推出了第一款基于Symbian的TD-SCDMA手机6788，并且宣布在北京建立一个专门的TD-SCDMA研发团队。ST-Ericsson通过其在中国的子公司T3G Technology公司，已开发TD-SCDMA技术与设备长达6年以上。

　　无缝连接

　　BroADCom公司无线连网业务副总裁兼无线个人局域网总经理Craig Ochikubo称，该公司正在做很有意思的工作，即将多种集成技术整合为从PC到手机以及其它消费电子设备的各种平台，他亦负责蓝牙设备。Ochikubo说，关键的着眼点在于提供无缝连接所需要的软件驱动和应用。他补充说：“这不再只是制造芯片的问题，而是要把一切用软件集成在一起，并且以非常互补的方式包含硬件部分。”

　　Ochikubo详述了软件的挑战。“我们能够将一个蓝牙芯片装入一台PC，或将类似的芯片做到手机里，但这些应用相关的软件是完全不同的。”即使在PC市场上，Broadcom公司也要为微软Windows 7和过去的XP与Vista系统提供不同的软件包。为手机市场服务则需要针对手机操作系统的更多软件包，公司要为一些功能提供软件支持，如音频流与遥控等，一般手机操作系统都不支持这些功能。Ochikubo说：“我们希望做一种采用新兴Android操作系统的手机，但我们希望能实现市场上现有的最先进功能。这促使我们不断扩充自己提供的产品范围。”

　　他指出，Broadcom公司提供的软件随着操作系统或最终用户而有很大变化。在PC市场，Broadcom公司提供直到用户界面的所有软件，例如，蓝牙体验超出了Windows可以提供的程度。同样，Broadcom公司为Windows Mobile操作系统提供的用户界面与微软截然不同。不过，对于特色手机，三星、LG和其它供应商希望保持自己用户界面的外观和感觉。对于这些客户，Broadcom公司提供了一组API（应用编程接口），使客户可以快速实现诸如立体声流和数据同步等功能。

　　Broadcom公司还专注于蓝牙 3.0，它可以使蓝牙设计者采用802.11的物理层，在一个蓝牙环境中提供Wi-Fi速度的数据传输。蓝牙3.0支持PC与音乐播放器或手机之间的整批音乐库同步，支持照片到打印机的无线传送，以及从相机或手机向计算机或电视机发送视频文件。Ochikubo称，Wi-Fi设计者的另一个标准是Wi-Fi Direct，它能实现Wi-Fi设备之间的连接与数据分享，而无需加入一个在家庭、办公室里传统的网络或热点网络。他说，无论客户选择什么，他认为Broadcom公司新近推出的InConcert Maestro软件平台都能使最终用户实现简单而透明的运行。

　　除了注重于蓝牙3.0 Wi-Fi物理层提供的更高速度以外，蓝牙特殊兴趣小组还把注意力放在 “蓝牙低功耗”或蓝牙4.0规范的低功耗应用上。蓝牙低功耗将面向保健、运动与健身、安保和家庭娱乐等市场。

　　ST-Ericsson在去年12月发布了其CG2900器件，它整合了蓝牙低功耗技术。采用了CG2900以后，消费者可以用自己的手机收集并显示来自蓝牙低功耗传感器的信息，并将这些设备接入互联网，使用诸如远程保健和健身监控等应用。该公司报告说，使用了CG2900后，手机可以成为一系列由钮扣电池供电设备的一个可变化的生态中心，这些设备包括手表、医疗与运动监控器、家居与接近传感器、电池电量监控器，以及温度与压力指示器等。手机还可以作为游戏、小玩艺和家居设备的控制器。

　　多种标准

　　在一件产品中支持多种通信标准的有效方式是采用一个技术平台或参考设计。例如，Qualcomm.html' target='_blank'>高通公司的Snapdragon平台可支持3G移动宽带、Wi-Fi、蓝牙，以及GPS。第二代的QSD8650A采用45 nm工艺制造（前一代器件则采用65 nm），集成了一个定制设计的1.3 GHz ARM 7版的微处理器（前代是1 GHz），一个166 MHz内部总线，一个600 MHz DSP，一个独立的高能效2D图形加速器，以及一个增强的3D图形核心，所有这些都采用与第一代相同的15mm×15mm封装。二代版提供1080像素的高清晰视频录制与回放（前代是720 像素），改进的Adobe Flash性能，以及更广泛的多模式UMTS（通用移动电信系统）与CDMA 3G移动宽带连接选择，还支持Wi-Fi、蓝牙、GPS、1200万像素相机，以及手机电视。二代芯片组实现了优于2800-Dhrystone-MIPS的性能，功耗只有350 mW，而前一代的两个指标分别为2200 Dhrystone MIPS和500 mW。二代的待机功率不到10 mW。

　　据高通称，Acer、HTC、索尼爱立信以及东芝等公司均已推出了采用第一代Snapdragon的手机。该公司预计今年还会有相当多的Snapdragon手机与智能本推向市场。在上个月的CES展上，联想公司推出了Lenovo Skylight，这是使用ARM处理器的智能本设备，采用了高通的Snapdragon平台。Skylight在美国与AT&T的3G移动宽带服务相连接。另外在CES上，高通还表示它正在与惠普合作开发一种基于谷歌Android的智能本设备，其中采用了Snapdragon芯片组。

联想公司在CES展会上推出了Sky-light智能本，采用高通公司的Snapdragon芯片组平台。

　　选择芯片

　　英飞凌技术公司RF业务高级营销经理Clay Melugin说，自己采购芯片和设计有很多方法。他解释说：“很多人低估了在产品中增加无线功能的成本。他们问的是一个芯片组多少钱。”然而Melugin强调说，芯片组的初期成本只是一款无线产品进入市场成本的一部分。如果你选定了一个芯片组，就必须为参考设计支付许可费用，然后花时间和精力作产品开发与认证。Melugin说：“如果你希望把产品快速推向市场，避免在产品中嵌入无线（尤其是蜂窝无线）的高成本，模块化可能是一种很现实的方案。如果你某款产品每年产量在2万台以上，则可以考虑嵌入式Wi-Fi和蓝牙，但蜂窝功能则需要每年20万台以上，才值得去做。”他补充说，无论你的批量如何，都需要在选择芯片或模块时，对成本、大小、功耗和性能等基本参数作比较。

　　如果你的批量足够，并且希望嵌入一个芯片组，Melugin建议去寻找那些包含了基带、RF、协议栈和参考设计的平台，它已经通过了测试和认证，直接可进入运营商网络的测试。采用这种方式后，就避免了一款嵌入设计推向市场的诸多麻烦。他说：“我们发现很多公司都希望在自己产品中嵌入蜂窝移动功能。但一般来说，他们都低估了一款嵌入产品通过认证过程的费用。”如果你在芯片选择过程中拥有批量和资源投资，应看看该芯片供应商的未来路线图，包括他们对未来新标准的发布情况。Melugin表示：“你不希望做一锤子买卖吧。”另外你也会期待自己的供应商能支持从一代平台到下一代平台的软件重用。他警告说：“可能情况下，你肯定不愿意在芯片组跨代升级时重新编写代码。要找一家能稳定这个过程的供应商，它应保持芯片组的通用接口，这样当发布新的芯片组和平台时，你就能方便地移植过去。”

　　软件定义无线电

　　英飞凌公司正在开发一种用于卫星与地面通信的SDR（软件定义无线电）架构。Melugin称：“这里的市场需要SDR”，并且它将成为有意思的新兴角色。“SDR基本上使得更改所运行的射频成为可能。从软件方面这很容易，但在RF方面则是一个非常大的挑战。”SDR的灵活性与尺英寸将促使设计者采用这种技术，但他们要面对成本与功耗之间的权衡。Melugin认为SDR方案是服务于目标市场的需求，而不是从技术演化改变的角度，为一个产品设计的“未来验证”提供一个普遍的方案。他补充说，较小尺英寸设计的功耗较低，因此SDR在未来更有吸引力。

　　Sigmatix公司是一家只有18个月的新兴公司，专注于LTE与WiMax 4G技术，它正在积极从事于一种蜂窝应用的SDR方案。据该公司总裁兼首席执行官Dave Kelf称，SDR概念已有大约20年之久，已在一些应用中寻找到位置，不过尚未达到蜂窝移动业主流公司所需要的性能水平。Kelf预计，随着SDR设计者开始充分利用现代处理器的全部并行与并发性能，这种情况将会改变。Sigmatix公司计划用一种多模式矢量射频来利用现代处理器的性能，这种射频使用了具有宽SIMD（单指令/多数据）和VLIW（超长指令字）架构处理器的矢量处理性能。他说：“我们可以从这些处理器获得更高的性能。”Sigmatix可以在这些处理器上编写4G基带功能，性能提高30%，或者相同性能下功耗降低。该公司预计在下个季度正式地宣布这个产品。

　　Kelf认为这种方案在兼有LTE、GSM、CDMA和Wi-Fi标准的手机中有着应用机会。他说：“如果你看一款典型的手机，就会发现需要五至六个基带芯片，分别用于LTE、WiMax、GSM、CDMA和Wi-Fi。每只芯片的价格可能要4美元~5美元，而HSDPA则要高达15美元~16美元。而第一款WiMax芯片上市的价格高达68美元，这太高了。”他补充说，所有这些标准都有类似的处理需求，而手机供应商正在寻找软件使用的方式，用一个芯片处理所有标准。

　　Kelf指出，蜂窝基站已经使用了大量的软件处理，但功耗很高。他认为新兴的毫微微蜂窝基站（femtocell）有低功耗SDR的机会，它可以容纳100英尺半径内的300部左右手机，而传统基站是管理数英里半径内的300部手机。他说：“femtocell是一个真正改变市场的技术。”临时接入设备也为SDR技术提供了机会。与手机或计算机不同，这类设备（包括电表和电子书）只需要间歇地接入到蜂窝网络。例如，电表可能每三个月报告一次家庭用电，而GPS导航设备可能会在每次旅行开始时下载交通信息。电子书只有当主人购买了一本新书时才需要接入蜂窝网。所有这些都有处理器，可以让它运行SDR算法。这样，设备就不需要成本10或20美元的基带芯片，总物料单可能只有40美元~50美元。

　　并行编程

　　OctoScope公司的Mlinarsky详细说明了对SDR所提供灵活性的需求。挑战是要设计出需要无处不在连接能力的设备，它可以判断出哪个频谱有空闲，在白空间的频谱中哪个可以（短期）租用（而不是购买）（参考文献1）。Mlinarsky说：“编程能力正越来越重要，这就是Sigmatix公司自身的定位。”她曾为Sigmatix以及Atheros和英特尔等公司作过咨询。英特尔过去也曾试图将模拟与RF问题转变为软件问题，用处理器来处理（参考文献2）。

　　曾经必须用FPGA或ASIC实现的基带功能现在也可以用软件实现了。随着3G、WiMax和LTE的引入，设计者很快开始明白，很多基带功能都共享着一些共同的结构，用于不同的协议、编解码、完成FFT（快速傅里叶变换）、IFFT（反向FFT），以及一系列其它功能。这些功能自身就固有并行性，可以运行在并行处理器架构上。Mlinarsky称：“问题是人类并不十分擅长并行编程，因为大脑中要保存成千上万件信息。人类不善于做，而编译器则更糟。今天，我们拥有这样一个世界，摩尔定律不再允许进一步缩放单处理引擎，使之足够获得更多计算能力，因此我们开始看到多核PC。但大多数应用并不能利用多核处理器的优势，因为没人知道怎么为它们写程序。于是它们只是在那里烘烤我们的膝盖。”

　　问题并不在于计算硬件，而在于算法。她说：“SDR的处理必须并行完成，这是因为基带算法的特性，也是因为我们正在用尽摩尔定律的能力，”进一步促使单核处理器的性能增强。Mlinarsky补充说：“我们可以廉价地放置很多核心。但如何以一种人类思维可以应付的方式，为它们编写最有效的程序？你不希望使用超人类的程序员；你也不可能找到足够多的这种人。你需要在编译器和硬件之间找到些东西，使SDR架构正常工作。”显然，Sigmatix公司和很多传统的无线芯片供应商都希望解决这个问题。

矢量的并行处理可以加快处理速度，在SDR中实现4G基带功能（Sigmatix与OctoScope公司提供）。

　　参考文献

　　1. Dipert, Brian, “White spaces: ready for development permits or off-limits?” EDN, Aug 7, 2008, pg 36.

　　2. Nelson, Rick, “Analog—that computes,” Test & Measurement World, June 11, 2008.

附文：无线技术一览

- 蓝牙：无线标准，用于替代电缆连接和个人局域网应用。
- GPS（全球定位系统）：美国政府的太空实时射频导航系统。
- LTE（长期演进）：针对3GPP蜂窝技术的3GPP（第三代合作伙伴项目）战略。
- WiMax：全球微波接入互操作，这是一种基于IEEE 802.16d和802.16e标准的技术，分别用于固定与移动通信；亦称无线MAN（城域网络）。
- Wi-Fi：无线局域网技术，建立在IEEE 802.11x系列标准上。
- ZigBee：建立在IEEE 802.15.4标准上的一种技术，支持低功耗的远程监控应用。