在以下幾項原因的催生之下，讓允許手機在行動網路與無線區域網路(WiFi)或藍牙(Bluetooth)等非授權無線系統之間，實現無縫切換固網與行動網路整合(FMC)更加勢在必行。首先，消費者透過使用網路語音通訊協定(VoIP)或固網電話來降低通話成本的需求確實存在；其次，實行三合一匯流(Triple-play)的電信系統商數量不斷增加，對他們來說，固網與行動整合不但是一個賣點，也是利潤的來源，無論採用何種撥打模式，他們都能賺錢。因此，電信服務供應商與設備製造商已開始密切合作，致力於開發網路完全整合的標準。
早期因行動電信系統商無法從中獲利，且WiFi與行動網路完全獨立，因而將WiFi看成一種威脅，結果導致了雙輸的局面。由於WiFi無法無縫整合到用戶的日常生活中，用戶須要另外啟用WiFi網路；同時，由於缺乏無縫整合WiFi與行動網路的技術，用戶常須同時開啟GSM和WiFi，即使在用戶使用WiFi時，行動電信系統商仍持續透過GSM提供服務，從而導致額外的功耗，此外，WiFi的用戶體驗也不令人滿意。
不過，近期行動電信系統商與供應商，開發了透過WiFi和IP提供行動語音、數據和IP多媒體子系統(IMS)服務的技術，增強WiFi對行動電信系統商的友善性。如今的雙模手機可以不用開啟GSM使用WiFi，讓所有語音與數據服務也可以透過IP提供，而毋須使用GSM網路。
相關技術最終導致了通用接取網路(Generic Access Network, GAN)規範，即過去的非授權行動接取(Unlicensed Mobile Access, UMA)的發布，這一規範現已成為第三代夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)認可的標準(圖1)。
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資料來源：Kineto Wireless Inc.
圖1 UMA系統 |
功耗成FMC關鍵
儘管有消費者需求的推動，要將FMC推向大眾市場仍面臨相當大的挑戰，主要挑戰來自於電池技術。
過去10年，人們並未在研發比鋰離子電池更高密度的電池方面有重大發展。然而，消費者對超薄手機的需求，促使電池尺寸進一步縮小；同時，目前手機可用的功率值650毫安培實際上遠小於上一代手機的1000毫安培。那麼，如何在不影響待機與通話時間的前提下，將手機功耗降低30%，更成為晶片製造商面臨的重大挑戰。而FMC手機或雙模手機必須同時支持兩種或三種無線介面，其功耗更大。然而，UMA由於得以改進雙模手機的電池性能、增強消費者的用戶體驗，並使行動服務供應商獲利，因而成為三贏方案。
早期WiFi手機面臨的另一個重大問題是，WLAN模組用於個人電腦(PC)和其他交流電供電的電腦周邊設備時，功耗問題並不明顯；但當其用於手機時，功耗卻隨之激增。在某些情況下，這導致相關手機的待機時間只有半天，也讓不少分析師認為FMC市場前途未卜。
值得慶幸的是，不少手機製造業者針對UMA推出進階技術，如三星(Samsung)的UMA雙模手機就有效提升待機和通話時間，促使分析師們開始重新考慮這個市場。如Signals Research Group認為，由於手機進展至今，在WiFi模式下待機時間較長，跨越功耗門檻後，使得業界準備重新考慮雙模WiFi/行動電話。
整合平台不斷演進
UMA手機上市一年多以後，不管是相關業者或是使用者都對其特性、功耗以及發展性產生一定的初步體驗。而從歷史的演進亦可看出相關產品的進展。
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這些手機通常是在行動平台中整合一個WLAN子系統，兩個系統完全獨立存在，且大多數時間都處於省電模式，尤其是在閒置模式下。
在這一代產品中，不管是UMA或是GAN，一次只有一個FMC系統在運作，其明顯特性是呼叫將被重新安排，並且傳遞給目前活動的系統，因此可以關閉其他系統。
不過，如果FMC方案在通常以多媒體通訊初始協定(SIP)為基礎的WLAN上整合VoIP，並與行動通路如GSM/UMTS並行，由人機介面(MMI)或用戶決定呼叫路線和接聽模式，則不具備上述優勢。整合式第一代平台如圖2。
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資料來源：恩智浦
圖2 整合式手機第一代平台 |
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這類手機通常具備三個射頻系統，並在它們之間進行協調，其特色包括採用共存濾波器(Co-existence Filters)，GSM與藍牙(BT)以及GSM與WLAN可以一起運作；而因BT與WLAN使用同一頻段，彼此之間干擾嚴重，因此需要複雜的射頻存取協調，特別在BT和WLAN晶片之間；除此之外，第三個系統--即BT，在閒置、掃描和通話時也需要額外功耗，因此BT子系統本身與所在的整個系統架構都需要具備很好的效能。圖3為第二代整合式手機平台。
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資料來源：恩智浦
圖3 整合式手機第二代平台 |
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在第三代手機中，由於採用WLAN專用電源管理單元(PMU)，因此得以進一步改善系統效能。一般來說，採用專用於WLAN和BT平台的PMU，可以避免線性穩壓器(LDO)造成的損耗，而達到進一步改善效能的目標(圖4)。
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資料來源：恩智浦
圖4 整合式手機第三代平台 |
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功耗需求持續上揚
在過去兩年裡，功耗需求發生極大的變化。儘管用戶剛開始還能接受包括手機內建WLAN，所帶來的耗電上升，因此待機時間只有GSM的一半等理由，不過，很快用戶就失去耐性，要求WLAN待機時間必須達到數天。
但這依然沒有滿足消費者的期望，電池除了增加待機時間外，還增加通話時間，且最少都希望達三個小時。矛盾的是，由於首批消費者反應，整合式手機必須具備與普通GSM手機相同的功能，消費者不希望因採用FMC技術而帶來任何明顯的差異，因此，在技術不夠成熟以前，電信系統商不但不會宣傳，甚至會對用戶進行隱藏該項技術。
圖5是功耗要求的典型演進圖，要實現此一目標，或許從關鍵系統設計下手最為適切。
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資料來源：恩智
圖5 UMA手機功耗的演變 |
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從整體設計來看，作為獨立的子系統，WLAN子系統須要擁有自己的時鐘、電壓控制、省電模式管理，以及必要時啟動主機的能力。此外，也必須避免在空閒時間內兩個系統並行工作︰如果使用優先系統如WLAN，則另一個系統如GSM，也就須要進入休眠狀態。不過，為了得到良好的關鍵性能和用戶體驗，通話期間內的某些偏差也可以接受。
為了使處理器之間的通訊最小化，WLAN只有在收到相關資料時才啟動主機。而接收訊號強度指示(RSSI)測量應在WLAN子系統內局部進行，並在測量值超出給定極限才啟動主機。 |
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嵌入軟體通常按照OSI模型進行分層，如實體層在專門的硬體，數位訊號處理器(DSP)/中央處理器(CPU)上運作BT、WLAN、GSM、UMTS等。且低功耗在硬體和軟體中都採用內建設計，即透過時鐘/電壓縮放、省電模式等。而較高層將在功耗更高的中央處理器或應用處理器上運作，並可能涉及到不同組織、路線圖、團隊、軟體語言、作業系統(OS)、工具和限制等。
作為通用規則系統架構，則應按照時間域分布軟體層，如在GSM中，每一格的活動應在DSP上完成，而不是在主CPU上，不過協議工作應在主CPU上完成。
下列情況若能實現，將可大幅降低空閒功耗︰
首先，在GSM中，原先每0.5秒檢查用戶收到的訊息是否為呼叫，這項工作可以轉交DSP，讓主CPU有更長的休眠時間。或是在WLAN中，每0.1～0.5秒進行一次RSSI和其他測量，但只有當動態下載極限超出上、下值並將產生巨大影響時，才啟動主處理器。 |
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一般情況下，所有設計都考慮最差狀態下的最佳性能。雖然如果有足夠的可用電源，上述方法不會產生任何問題，但通常此一要求會過高，而須要根據實際情況進行調整。
舉例來說，每0.5秒查看鄰近單元可以產生良好的切換性能，然在空閒狀態下則可能導致性能下降。使用外部電源如充電器、USB電纜工作時，可以選擇最高性能的算法，不過在使用電池時則行不通。因此，只要用戶進行按鍵等操作，就應啟動高性能算法，但在一段時間內沒有任何操作，則應使用電池優化算法。
在限制功耗狀態下，軟體只應做必需的事情，只在必要時更新，而不是採用自動定時更新的模式。也因此，手機要考慮到環境的變化，如檢測「全天同一位置」與「不斷移動」的情況，以釋出網路掃描等請求。
高階節能措施，還須要考慮電池狀態的變化，如果電池電量下降，則移動切換速度、TX功率、螢幕刷新等性能也需要進一步降低。
至於系統模式，則需要全局介面(Global Interface)以及應用於整個系統的單一設計，如使用電池與使用電源狀態或活動指示等。所有算法都須要具備這一訊息。 |
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嵌入軟體一般具有很多使用並行邏輯運作的RTK任務。多數情況下，軟體須要等待某個條件為真，如「AP已關聯」、「IP位址已分發」和「呼叫已建立」等。
最初採用一種簡單的方案，經常用於C語言，即在一個任務中使用「Do … while」命令，並用循環輪詢來獲得較低優先級任務的結果，如IP Stack。此時，CPU保持運作，直至在一段時間內得到導致高功耗的條件。實例之一是等待顯示器完成刷新。
較好的方案是啟動RTK定時器，然後進入一段休眠時間，之後再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種「輪詢」，但減少了對功耗的影響，並可以採用不同的休眠間隔度，動態地適應不同的性能需求。
而更好的方案是當最終達到條件時，採用RTK訊息與中斷，進而啟動主機。這樣能夠最大程度地降低功耗，不過中斷是一種稀有資源，而系統架構必須在設計時就考慮最高效功耗。不幸的是，功耗問題一般在產品生產後期才被發現，因此需要進行重新設計，但很少有人會重新設計。 |
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嵌入軟體經常須要從幾毫秒到數天的定時範圍，特別是硬體處理、軟體輪詢，或IP、電信標準制定等。定時器到時須要啟動CPU並運作RTK/OS程式。退出省電模式後需要一段時間來達到系統穩定，而返回省電模式也需要一些時間來準備下一次的正確啟動。CPU啟動一般非常快，多在微秒範圍，但主時鐘仍須營運，因此這樣只節省少量功耗。
包括主時鐘的全系統休眠，可能需要5～20毫秒的啟動時間，但只有這種方法才能提供最大的節能效果。因此，應儘可能避免出現定時器頻繁過期情況。給定900毫秒的定時器可以透過900×1毫秒、90×10毫秒、9×100毫秒的時鐘計時單元Tick來實現，這樣做對功耗有著全然不同的影響。
附帶一提的是，作業系統應使用最大Tick長度。這意味著為獲得最大節能效果，必須儘可能放鬆對定時器精度的要求，例如在作業系統Tick的時間間隔為100毫秒時，不採用900毫秒，實際應用中1秒可能已經足夠。
由於手機擁有與實際空中介面物理層相關的系統Tick，使用這些Tick而不是人工的毫秒/秒單位，就可以減少啟動的次數。GSM每格4.615毫秒，一個Tick成為自然的選擇。語音採用多個20毫秒，需要不同的Tick。WLAN信標則以100毫秒的自然Tick間隔為基礎。 |
功耗問題將永遠存在
手機產業屬於快速變化的產業，每年都會在新款手機上增添新功能，而用戶期望的使用時間卻與上一代手機一致，甚至更長。
即使在各種應用持續問世，更大螢幕、更多音樂，以及更多網路接取模式的情況下，用戶對電池使用時間的預期依然不變。有鑑於提升電池容量的工作沒有實質性進展，以及超薄手機流行的趨勢，現有功能的實際可用電量正在逐年大幅下滑。因此，在新手機中維持原有的良好功能就需要每年都產生創新的想法，要添加新功能無疑更是如此。
(本文作者任職於恩智浦)