中国无线移动终端的现状发展及其标准化(1)

I2中国无线移动终端的现状发展及其标准化前言2004年全球手机销售量约7亿部，估计2005年将达到8亿部，目前全球3G也在回暖，中国3G启动在即，中国国内早在2003年移动电话用户数已经超过固定电话用户数，移动通信无疑已经成为通信行业的最大亮点。无线移动终端作为移动通信系统的重要组成部分，由于其多方面的特性，如直接面向消费者，个性化的需求，垂直封闭的生产方式等，导致其成为消费者和生产者共同的焦点，此外，终端产品相比3G系统设备相对落后，在正值3G发展的今天，它已经成为3G发展的一大障碍。因此，无线移动终端发展的好坏对于移动通信的发展举足轻重。无线移动终端在其发展过程中经历着巨大的变革。传统手机主要作为语音通讯工具，功能比较单一，硬件结构相对简单，其硬件和软件之间存在着很强的相关性和依赖性。移动通信高速发展到今天，手机已成为基于语音、数据、图像等多种应用和业务的承载平台，因此对其硬件性能要求不断提高，此外市场上新产品的生命周期越来越短，产品更新速度与日俱增，这些都导致终端生产产业链社会分工的日益细化，因此相似功能的技术和产品也越来越多。技术和产品的标准化将简化手机集成的技术难度，芯片、协议栈、操作系统等核心技术将可能作为标准的软硬件模块简单移植集成到各种终端产品中，而这些核心技术产品目前种类较多，竞争也比较激烈，规模效应势必导致成本降低。国内厂商通过近几年的积累也在这些技术上有了一定成果，通过国内巨大的市场潜力，按照标准与技术和市场之间的关系，以标准带动新技术的应用，进而推动国产技术和产品的发展。无线移动终端的标准化研究旨在通过对无线移动终端相关技术和市场情况的深入研究，寻求无线移动终端健康有序发展的方向，为中国乃至全球3G及后3G的发展提供一点思路。本报告中所涉及技术是当前无线移动终端的重点和热点技术，报告根据终端逻辑结构分为总体构架、支撑平台技术和业务与应用三大部分，每部分涉及4～5个主要技术点，报告通过对这些技术的实现原理、市场、运营模式、发展趋势、国内外标准化等情况进行详细的分析，并提出未来一段时间内无线移动终端标准化工作的一些建议。31.无线移动终端的总体构架无线移动终端的总体结构随着ASIC芯片、嵌入式操作系统等技术的进步，随着移动通信系统的演进，随着用户对移动通信需求的不断增加等等因素而不断更新演进，正是由于移动通信标准的多样性，移动终端生产研发的长期封闭性，致使现有移动终端各式各样，但纵观各种终端产品，无线移动终端的基本结构包括ASIC芯片、嵌入式操作系统和移动通信协议栈等基本部分。而多模终端以及分布式语音等技术也将导致终端结构的变革。1.1.移动终端结构1.1.1.概述传统手机主要作为语音通讯工具，功能比较单一，硬件结构相对简单，且其硬件和软件之间存在着很强的相关性和依赖性。移动通信高速发展到今天，手机已成为各种应用和业务的承载平台，因此对其硬件性能要求不断增高，此外市场对新产品的需求越来越快，产品更新速度与日俱增，这些都导致终端生产产业链分工的日益细化，因此相似功能的技术和产品也越来越多。此外，手机使用的芯片等硬件不断趋于模块化和同一化，功能模块的替代也更方便，手机也有了独立的可移植的操作系统，目前基于Symbian、SmartPhone和Palm等操作系统的智能手机正迅速扩大市场。由于通讯产业标准化的推进，手机这一大众消费品从硬件到软件都必然走向标准化和模块生产化，使得硬件和软件环境都更为开放。4到目前为止，大致可将移动终端分为三类：－是以语音为主的手机也即低端市场，芯片组都是围绕一个单一的基带处理器搭建的，该处理器执行通信、人机界面和其它简单应用任务，且集成度会进一步提高，作为完成简单的话音、短消息通信和人机界面的单芯片手机方案也已有多个厂商提供。另一个是增值服务手机，也叫多功能手机（FeaturePhone），是目前需求量最大的手机。这些系统是围绕一个功能强大的基带处理器芯片搭建起来的，这个基带处理器芯片有一个与之配套的应用协处理器。基带处理器芯片承担MMS和相关较复杂应用，协处理器则执行视频处理等需要大量运算的功能。未来的发展趋势是，当协处理器支持的功能变得普及，这个协处理器将会成为标准配置集成到所有基带处理器芯片中。这类手机没有高度复杂的操作系统，一般采用实时嵌入式操作系统，如Nucleus、OSE等。目前这类手机的功能差别很大，实现方案也很不一样。可将前两类归结为普通终端，对应于以下介绍的智能终端。第三类是智能手机，即高端手机，曾被定义为“拥有操作系统并支持第三方应用的手机”。这类手机中应用处理器成为系统的主机，而GSM/GPRS等通信MODEM则成为实现无线连接功能的外设之一，此外还有其它通信外设比如WLAN，蓝牙，USB等。智能手机通常要采用复杂的嵌入式操作系统如PocketPC、Smartphone、Symbian以及Linux等，这是“移动办公”的典型理想工具。并且，智能手机多备有较大显示屏（2-2.8英寸），具有文字处理方面的功能。1.1.2.移动终端硬件结构1.1.2.1.普通终端结构——单处理器双内核架构普通终端的业务主要为话音，其硬件结构主要由射频模块（RF）和基带处理模块两部分组成，其中基带部分又分为模拟基带（ABB）和数字基带（DBB）两部分。射频模块（RF）主要负责射频信号的滤波、放大、调制解调等功能。这种终端的硬件结构框图如图1所示。ABB部分主要完成诸如模拟话音数字化、数字话音模拟化，以及将数字控制信号转变为模拟控制信号（如功率放大器的控制电压形成）等等工作。DBB部分包括数字信号处理器（DSP）、微控制器（MCU）、存储器（MEM）和硬件逻辑（Logic）等。其中MCU一般采用ARM7处理器，负责完成应用层（如人机界面MMI）、网络层和数据链路层的处理，控制移动终端的外围电路（键盘、显示屏等）连接，以及整个通信协议栈的实现，倾向于系统控制；DSP数据运算功能强大，主要用于完成物理层、数据链路层的处理，负责话音信号的处理（编/解码），倾向于数字基带信号的处理；MEM包括ROM和RAM，存储器的大小对终端性能影响很大；Logic部分主要指外围的一些电路，包括键盘控制电路、显示电路、各种外部接口电路等等。这种基带芯片上集成ARM7+DSP的结构最早是由TI提出的，称为双内核结构，可以避免传统的单内核设计功耗太大的缺点，对于一些运算量大的实时处理，例如图象、视频、音频数据，可以采用DSP进行，实现低功耗；对于通信、外设控制等功能，则使用MCU实现，从而在功耗和应用的复杂度之间建立了良好的平衡，整体的构架可以保5证低功耗。RFTRXSWControlI/OADC/DACAudioI/OABBLogicDSPMCUDBBMEMAntennaPAAudioTestDebugData图1普通终端硬件结构——数字基带双内核架构图2给出的是目前使用最普遍的GSM手机的硬件结构图，从图上可看出最基本的三个模块：模拟基带芯片、数字基带芯片、射频模块。而基带芯片在整个框架中占据主体地位。其中数字基带芯片为双内核结构，芯片上除了MCU和DSP，还包括外围接口，用以连接外部设备，如语音设备、电池SIM卡、存储器、显示器、键盘等等。天线语音编解码信道编辑码交织/解交加密/解密数据成帧均衡解调数字基带芯片DSP部分层1协议2/3层协议栈人机界面与应用软件MCU外围接口模拟基带芯片话音AD/DA无线信号AD/DAGMSK射频收发模块键盘EEPROMFLASHSRAM蜂鸣背光数据接口SIM卡时钟电源管理模块液晶显示屏图1GSM手机结构框图图中存储器用来存储程序代码（如通信协议栈、基本人机界面）和数据（如个人信息和程序变量）。不同的存储器有不同的用途：EEPROM：主要存储用户数据和射频参数。如手机识别码、语言选择、键盘锁、双音多频的开关和射频的校准参数等。FLASHROM：用来长久保留信息，通常存储通信协议栈软件和应用层的程序。SRAM：用作操作系统或其他正在运行的程序的临时存储介质（可称作系统内存）。61.1.2.2.智能终端结构——双处理器架构从最初的第一代模拟手机到第二代的GSM数字手机，再到目前的GPRS和CDMA手机，整个过程仅仅用了20年的时间。近两年来，单纯具有通话功能的手机已逐渐退出主流市场，取而代之的则是具有彩屏、MP3、摄像头、多媒体短信等功能的智能手机。实现这些功能，不仅需要嵌入式操作系统和丰富软件的支持，而且需要强大的处理器和特殊的硬件系统结构的支撑。整个手机的硬件组成部分中，已往基带部分的重要地位被应用处理器模块所代替，并趋于采用双CPU的架构。这种架构中双CPU形成移动智能终端中的两个子系统：通信子系统和应用子系统，如图3所示。其中通信子系统适应不同技术的无线接口协议标准，选择适当的移动通信网络，建立和维持网络连接，实现话音和数据通信；应用子系统负责管理存储器、外围设备、外部接口等系统资源，运行应用程序，提供用户界面，此外还包括终端的电源管理。应用子系统通过某种通信机制（目前多为AT指令）与通信子系统进行交互。RFTRXSWAntennaPA基带处理器应用处理器＋外围电路图2智能终端硬件结构——双处理器架构通信子系统处理器即C-CPU，它保留了普通手机中的数字基带部分，即MCU+DSP的结构。MCU实现高层协议，DSP完成基带功能。应用处理系统器A-CPU采用了可执行应用软件的嵌入式操作系统，并加载多种协议以提供各种业务，如视频业务使用的MPEG-4，音频业务使用的MP3，IP电话使用的VoIP，以及JPEG2000等。丰富功能的实现离不开先进的应用处理器，目前的主流应用处理器时钟超过200MHz，通常都整合了ARM核心、视讯加速器、各种接口控制器、内存以及显示驱动等电路。图4给出了基于双处理器架构的2.5GGPRS手机硬件模块结构。7应用处理器通信处理器(GSM/GPRS基带处理器)蓝牙红外SDRAMFLASHCMOS感应器MMC/SD卡USB键盘LCD显示屏摄像头SIM卡电池电压控制模拟基带模拟频率转换器音频编解码器电池管理GSM/GPRS射频模块WLAN图32.5G手机双处理器架构通过对比可以看出，智能手机和普通手机的不同点在于智能手机在基带部分添加了一颗应用处理器（ApplicationProcessor），同时将原先受基带处理器控制的液晶显示器、键盘、SIM卡等外挂到应用处理器上。不仅如此，应用处理器还可以增添蓝牙、红外、摄像头、USB和SD/MMC/CF卡等众多接口。在这种硬件体系结构下，基带处理器只处理话音信号，而其他的功能则全部交给应用处理器。智能手机的概念不仅仅是手机+PDA那样简单，目前的智能手机方案已经能实现很多通常在桌面计算机中才涉及的性能和功能，包括高传真立体声效、3D图形效果、DVD效果的视讯播放以及具有丰富体验的多媒体游戏等。目前的主流智能手机定位在“手机+个人娱乐中心+个人信息中心”。实现这些丰富功能的核心组件是具有强大处理能力和高度整合的应用处理器。1000MIPS以上的处理能力是必要的。同时，应用业务处理系统的CPU需要专门的高性能操作系统，该操作系统必须同时适应实时业务和非实时业务的要求。目前的主流应用处理器大多数采用了ARM系列处理器核心，但都根据自有技术进行了最佳化和整合，并推出独特的处理器架构，如Intel的XScale和TI的OMAP2，开发商基于相同处理器架构能很容易地实现产品换代开发，能很方便地应用原有的开发成果。方案供货商在推出应用处理器的同时还提供完整的参考设计和设计平台，如TI的TCS和Freescale（其前身是Motorola半导体部）的InnovativeConvergence系列平台。此外，为加速开发商产品开发并提高其方案的竞争力，每个方案都有大量的第三方厂商提供完善的技术支持，可以提供从硬件系统设计到软件整合的完整方案。1.1.3.移动终端逻辑结构正如前面所述，智能终端大都采用双CPU结构，围绕这两个CPU形成移动智能终8端中的两个子系统：通信子系统和应用子系统。其中通信子系统适应各种无线接口协议