雙網多模手機走紅 切換效能/功耗考驗晶片設計技術

2006-05-24
由於行動通訊和多媒體應用功能需求高漲,雙網手機能自動在2.5G與WiFi之間平順地切換,與2.5G手機較勁意味濃厚;而隨著無線技術所衍生的應用功能,在一支雙網手機裡,也可整合多種應用功能模組,更提高雙網手機的附加價值。不論對電信營運商、晶片組廠商或手機製造商而言,雙網多模手機儼然已成下一波商機。
由於行動通訊和多媒體應用功能需求高漲,雙網手機能自動在2.5G與WiFi之間平順地切換,與2.5G手機較勁意味濃厚;而隨著無線技術所衍生的應用功能,在一支雙網手機裡,也可整合多種應用功能模組,更提高雙網手機的附加價值。不論對電信營運商、晶片組廠商或手機製造商而言,雙網多模手機儼然已成下一波商機。  

無線科技歷經1G至4G的變革,無線接取技術無所不在,廣泛應用於各種電子設備、串流媒體與各類型網路中,而且將愈來愈普及。根據Informa Telecom&Media的2004年第三季至2005年第三季期間的行動用戶年成長率調查,顯示GSM與WCDMA的雙網行動用戶以及GSM行動用戶逐年攀升,其中雙網行動用戶成長比例又高於GSM用戶,以2005年第三季為例,約達33.0%;而CDMA行動用戶卻呈現大幅下降的趨勢,從將近30%的比例驟降至23%(圖1)。  

3G則是另一塊成長中的行動通訊市場,德州儀器亞洲區無線終端事業部總經理Frederic M. Cohen(圖2)甚至指出,該公司截至2005年累計超過10億美元的收入來自3G市場。不過傑爾系統資深業務經理鐘坤奇(圖3)表示,過去全球電信營運商建置GSM基地台過程中,並未面臨住戶抗爭,因此基地台布建速度相當快,GSM也得以迅速普及。然而進入3G時代,歐洲等國家在建置基地台時,卻遇到嚴重的住戶抗爭問題,而台灣近年來推廣3G服務期間,也因同樣問題阻礙3G基地台建置進度。  

目前市面上的雙網手機指的是GSM/GPRS結合WiFi提供的雙網服務,但也有廠商主張以GSM/GPRS結合3G的WCDMA。  

雙網趨勢銳不可擋  

不過,3G網路的基地台覆蓋率低,且多數集中於都會地區,一旦遠離都會區,用戶即無法連網;對用戶而言,這樣的網路並沒有太大的實質效益,觀察周遭手機用戶,不難發現隨身攜帶兩支手機的情形,其中一支為GSM手機,另一支可能就是3G手機。由於3G基地台布建速度緩慢,網路覆蓋率低,所以當用戶遠離3G基地台覆蓋範圍時,其使用的手機必須有能力連接2.5G的網路,而不致造成通話中斷或斷訊的情形。  

再者,礙於頻譜執照的規範,3G電信營運商不一定持有2.5G的執照,2.5G電信營運商也不見得有3G執照。雙方為了維持商業永續經營,往往採取合作的方式,使彼此的用戶可互連網路。根據全球行動商供應聯盟(Global Mobile Suppliers Association, GSA)的報告,目前全球105家WCDMA電信營運商中,已有67家業者投入EDGE的雙網布建,雙網結合儼然是行動通訊發展中必經的階段。  

既然已建置雙網基地台,基於市場的雙網需求,除了電信營運商必須能提供服務,上游的晶片廠與手機製造商也須能提供晶片組與終端設備。  

UMA為雙網切換技術主流  

雙網手機的用戶絕大部分是為了下載資料功能,既然是下載資料用,更須使用雙網服務,尤其當用戶行車或行進中,為了維持下載作業的連續性,必須能輕易在兩個網路間切換。然而雙網有其先天缺陷,由於2.5G的傳輸速率只有62.4kbps,而3G的WCDMA可高達384kbps,兩者差距懸殊,在切換網路之間容易發生資料流傳輸不順暢的情況,造成用戶誤解訊號中斷而停止下載行為,電信營運商因而難以從內容服務獲利。有鑑於此,傑爾系統主張以2.75G的EDGE結合WCDMA的雙網模式,鐘坤奇解釋,因為EDGE最高下載速率可達236.8kbps,與3G的差距不大,較之2.5G更適合與3G搭配使用。目前市面上的PHS雙網手機屬於手動式切換,用戶在切換網路期間,通話必須中斷;而雙網手機的價值則在於能自動切換網路,又毋須中斷通話。  

不過主張以2.5G結合WiFi的廠商,即以技術克服訊息中斷問題。飛利浦行銷業務經理韓德明(圖4)表示,該公司的Nexperia平台,其所採用的非授權行動接取(Unlicensed Mobile Access, UMA)技術,亦即現在所稱的3GPP原生接取網路(Generic Access Network, GAN),可以維持GSM與WiFi切換過程通話不中斷,達到無縫隙切換(Seamless Hand-over),且避免延遲,以維持通話品質。因此,以往必須先中斷通話才能進行雙網之間的切換,UMA則可實現雙網的自動切換與通話零中斷。從用戶角度而言,只要一張SIM卡就可以連接不同網路,使用較方便。  

CSR亞太區副總裁許俊豐(圖5)認為,利用行動電話進行雙網無線語音通訊(Voice over WiFi, VoWiFi),其最大效益在於提供一個無線網路和行動電話網路重疊的通訊環境。典型WiFi網路的涵蓋範圍是室內環境,行動電話網路經常受到環境的限制,原因在於行動電話基地台無法傳送足夠的功率穿透建築物外牆。而由於WiFi接取點(AP)基地台部署於建築物內部,因此雙網手機可同時享有行動電話的廣域通訊以及WiFi所提供的室內射頻覆蓋率。CSR也透過UMA技術維持雙網切換的平順。許俊豐表示,雙網的切換仰賴手機在主動(Active)模式通話時進行的被動(Inactive)模式頻道品質評測(Channel Quality Measurements),以便順利進行切換程序。  

Atheros行動與嵌入式產品行銷總監Joseph Bousaba(圖6)指出,該公司為了確保行動通訊切換達到高品質通訊,除了持續參與IEEE的運作,協助發展802.11e服務品質(QoS)以及802.11i安全標準。該公司所有解決方案都具備以下功能:為了增強分散式協調功能(EDCF),在不同網路間建立優先佇列;而為了確保安全連線的完整性,則採用加密演算法,包括AES、WPA與WPA2;另外也實作思科相容延伸(CCX)規格以提供企業級的連線安全。  

降低功耗由晶片技術見真章  

由於未來手機將整合多種應用功能至一支手機中,如藍芽、WiFi、行動電視等。當手機整合更多功能時,耗電量將是晶片商面臨的一大考驗。德州儀器台灣區半導體行銷無線通訊業務協理林維偉(圖7)表示,該公司OMAP 3平台將各種多媒體應用科技整合至行動電話的單一晶片中,因其採用65奈米製程的數位射頻處理器(Digital Radio Processor, DRP)技術,能展現低電源、降低成本的優勢,而結合手持式行動設備,還可進行簡單的文書處理、簡報等商務功能。  

至於飛利浦的Nexperia平台不僅支援GSM/GPRS+WiFi的雙網,也整合進NFC、藍芽及WiFi功能,針對耗功率問題,韓德明表示,該公司提供超低功耗的WiFi晶片,可以延長待機時間,更適合多功能手機使用。  

許俊豐也提到,雙網的切換,最大挑戰在於如何確保在不耗盡電源的前提下,進行主動模式通道品質評測。測試結果發現,以行動電話主動模式進行WiFi通道評測是最差的方法,主要的原因在於,WiFi原先是針對個人電腦市場開發的,因此電力消耗並未受到特別的重視。  

他提出兩種可以降低進行WiFi通道評測所需功耗的方法,首先是採取絕對性的作法,將WiFi射頻和基頻晶片的功率消耗降到最小值,例如將射頻和基頻整合到同一顆晶片、建立最佳化的射頻效率、並盡量把基頻置入硬體內等。另一則是採用整合式系統平台解決方案,以軟體控制行動電話和WiFi的子系統。  

其可帶來的效益是,如果雙網手機僅限於特定接取點基地台才能啟動的話,則手機內的軟體將建立一個參照表,把鄰近接取點的行動電話天線地理位置記錄下來。日後,唯有當電話連接到參照表所列舉的行動電話天線時,WiFi子系統才會執行通道品質評測,避免浪費系統電力於其他無用的通道進行品質評測。  

為了善盡雙網多模手機的耗電量管理,Bousaba表示,Atheros所有元件都經過最佳化以達到最低耗電量。例如,在WLAN解決方案中,許多設計改良是在晶片層級的實作,讓效能與耗電量能同時最佳化。  

其中一項重要的改良即為先進省電模式(APSD)功能,同時,由晶片本身進行耗電量管理將可減少元件數量。WiFi、藍芽和其他無線通訊技術的共存實作,也採取同樣作法。除此之外,該公司也將軟體架構最佳化,希望盡可能有效率地實現最佳效能。有趣的是,由於軟體架構能影響效能最佳化及電路方塊閉合的控制,結果證實是相當重要的因素。  

藍芽與WiFi仍能和諧共存  

業界存疑,將不同微波技術整合至同一支手機裡,容易產生訊號干擾的問題,韓德明認為,由於GSM頻段為900/1800MHz或850/1900MHz,而WiFi頻段則為2.4GHz,兩者干擾性並不大。倒是因為藍芽技術也採用2.4GHz的頻段,可能與WiFi產生干擾。許俊豐也認為,不同微波技術整合的例子,較具挑戰性的還是如何確保在相同頻寬作業的WiFi和藍芽技術之間的共存性,使得用戶在進行雙網手機通話時,同時也能使用藍芽耳機。  

為了克服這項挑戰,飛利浦採用共存(Co-existence)技術,利用跳頻方式避掉中間的訊號干擾,將藍芽與WiFi整合在一起,仍能共存而不互相干擾。CSR則運用標準規範內的技術,降低干擾以解決這項問題,亦即採用可調性跳頻技術(Adaptive Frequency Hopping)。許俊豐進一步表示,該公司更採取整合式系統平台解決方案維持藍芽與WiFi的共存性,在標準規範所允許的範圍內修改軟體,以建置一個避免碰撞(Collision Avoidance)系統,確保在兩個系統上傳輸語音資料時,不會同時進行資料傳輸。他指出,由於WiFi和藍芽在相同頻寬內作業,並無法完美地分隔頻率,但是藉由排列二者的傳輸時程,允許藍芽與WiFi分別在不同的時間傳輸資料。  

Bousaba表示,為了避免WiFi與藍芽之間的干擾,該公司採取實作特殊軟體解決方案,在WiFi與藍芽之間提供切換功能,因為結構化頻率規畫,可讓行動裝置適切地切換不同網路技術的頻率。針對特定的頻率,須在電路板加裝過濾功能,以確定頻率規畫及考量所有可能需要的過濾功能,使藍芽與WiFi之間有足夠的隔離效應,因而能有效共存。  

在傳輸端,共存規畫允許裝置隔離不同訊號,並減弱在天線處可能發生的突波。該公司測試過所有不同的行動通訊頻率,特別是各個技術之間出現重疊的部份,例如GSM系統技術的824 MHz。  

至於接收端,尚可確保在天線、低雜訊放大器(LNA)及濾波器之間,有足夠的電路板層級過濾功能,以阻擋不必要的頻率。  

就系統層級而言,Atheros則與系統設計公司合作設計IC,以減少可能發生的干擾;此外也與協力廠商合作以期達到最佳效能。例如,Atheros與高通(Qualcomm)一直有相當密切的系統層級合作關係,確保能做到行動通訊與WiFi之間所需要的切換功能。  

整合式平台縮短產品開發時程  

由於手機銷售的生命週期約莫只有1~1年半,因此手機製造廠商的研發時間必須更短,而為了協助手機製造廠商的產品能即時上市,並節省其開發時間和成本,飛利浦提供一套完整的系統解決方案平台Nexperia,內容包含硬體元件、軟體及整合系統測試,組合成一個最佳設計平台給手機製造廠商。  

韓德明表示,完整系統式解決方案好處在於,讓手機製造廠商能即時推出產品。尤其廠商毋須再花費時間進行系統整合、測試、認證作業,相對也能降低其開發成本。由於該平台所有硬體元件皆源自飛利浦,系統整合將更容易,且能避免相容性問題。  

德州儀器也主打完整的行動無線解決方案,Cohen表示,該公司行動無線解決方案涵蓋範圍包括應用處理器、數位基頻處理器、基頻、類比基頻與電源管理、通訊協定堆疊軟體、WLAN、藍芽、GPS及行動電視。而其無線科技則包括將藍芽、WiFi、行動電視及GPS整合至行動電話的單一晶片中。  

基礎通訊平台提供高度開發彈性  

雙網多模手機的應用功能與網路自動切換服務自然相當吸引人,然而將諸多應用功能整合至一支手機中,雖然拉抬了手機的附加價值,不過其價格也必不便宜。鐘坤奇認為,多功能手機屬於少眾的高階市場,因為普羅大眾消費不起。再者,多模手機處於規格繁雜的階段,也容易產生相容性問題。如行動電視規格,不同地區有不同標準,手機製造廠商必須具備高度開發彈性以符合各地區的標準。  

礙於套裝式整合解決方案不具彈性,用戶反而局限於特定的手機應用領域,傑爾系統反其道而行,只提供基礎通訊核心平台,由客戶提供各種應用功能晶片,在通訊核心平台上因應不同市場規格或目標客戶群開發各種應用功能手機。鐘坤奇說,傑爾系統所提供的通訊平台,僅包括通話與傳輸資料功能,由客戶在上面進行應用功能的開發,如此的平台將協助客戶更有彈性地開發手機,無論客戶要增加行動電視、藍芽、WiFi或其他功能,只要致力於應用元件的開發,該公司將可協助客戶進行系統的整合。  

電信營運商驅動雙網手機市場  

雙網多模手機前景似乎一片大好,不論晶片廠商、手機廠商都躍躍欲試。不過鐘坤奇認為,雙網多模手機要成功,電信營運商的態度尤其關鍵,而影響電信營運商的支持度在於,雙網多模手機究竟能否使電信營運商獲利。  

目前藍芽仍屬免付費服務,不過WiFi則是一大問題,鐘坤奇指稱電信營運商背後的拆帳機制未標準化,將影響服務收費方式的合理化,而服務收費方式又將影響市場的接受度。雖然雙網多模手機能提供語音、資料傳輸及應用功能,然而礙於市場的不確定因素,真正殺手級應用尚未出現,目前電信營運商仍以提供收發話、簡訊等服務為主要收益來源,而這些服務只須透過基本的通訊平台即可辦到。他認為,雙網多模手機必須由電信營運商推動方能刺激市場需求,否則即使持有行動電視裝置,卻沒有營運商提供服務,也是枉然!  

韓德明也肯定電信營運商在雙網多模手機市場的角色,尤其是GSM電信營運商,因為VoIP市場是一塊很大的吸金石,透過網際網路撥打電話,話費成本低廉,是相當大的賣點,3G及GSM電信營運商為了踩進這塊市場,才選擇雙網整合的方案。  

林維偉相信手機最終的應用還是收發話,其他應用功能只是增加其附加價值,雖然雙網多模手機具備藍芽、WiFi、音樂、電視、VoIP等功能,但是價格是個議題,因手機業者主打市場區別而異。尤其電信營運商的服務收費方式是很重要的指標,不過他指出,電信營運商提供的雙網服務付費系統尚未健全,這將成為雙網服務推動的最大窒礙,雖然晶片廠商仍可提供相關技術,但如果電信營運商無法從中獲利,雙網手機市場要起飛仍有相當大的努力空間。  

許俊豐則認為,驅動雙網多模手機市場發展的主要動力,主要來自成本的降低和通話品質的提升,而晶片製造商正扮演關鍵的市場推手角色,因為晶片廠商能協助手機製造商降低風險,讓他們更順利地將各種技術整合至手機。  

雙網多模手機創造新通訊市場  

通訊產業鏈每一個環節都在尋求商機,雙網多模手機可能取代固網服務和減少固網業者的營收,但固網並不會因此消失,只是在原來的產業鏈裡又延伸出另一塊通訊市場。固網業者可以趁此發展行動通訊策略,以保障未來營收和享有行動通訊帶來的較高毛利。  

而雙網多模手機的未來發展也將不僅止於此,許俊豐指出,未來該公司UMA技術將能在固定IP和行動網路之上,實現電路交換式語音通訊。而且,未來結合多項技術的手機不僅能夠傳送資料,透過固網行動統合(Fixed Mobile Convergence, FMC),網路容量和資料傳輸率的大幅提升,其所創造的資料傳輸效益甚至更勝於語音通訊。  

通訊產業不斷演進,雙網多模手機將隨著電信營運商的支持度、晶片廠商、手機製造商技術的純熟而普及,不過隨著功能趨於複雜與多樣化,手機的切換效能和電源消耗問題將持續存在。另外,雖然至今尚未出現所謂的殺手級應用,不過可以推知其成功的條件必定是要能貼近使用者需求,並能為通訊產業界創造利潤。  

(詳細圖表請見新通訊64期6月號)  

 

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