Integration ist eineFrage der Architektur

Autor / Redakteur: Leo Ivrissimtzis* / Jan Vollmuth

So genannte Multimode-Endgeräte mit Zugang zu Mobilfunknetzen und Wireless LANs würden dem Anwender höhere Datenraten an die Hand geben und flexibleres mobiles Arbeiten ermöglichen.Die benötigte Netzwerkinfrastruktur sowie Hard- und Softwareblöcke stehen bereits zur Verfügung – erforderlich ist jedoch eine sorgfältige Analyse der Nutzungsszenarien.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Multimode-Endgeräte, die den Zugang zu heterogenen Funknetzwerken wie etwa UMTS/EDGE/GPRS und gleichzeitig zu WLANs nach dem Standard IEEE 802.11 ermöglichen, sind der Traum so manchen Anwenders: Damit könnten sie via Access Point ein WLAN für Datenübertragungen oder VOIP nutzen und gleichzeitig über ein vorhandenes Mobilfunknetz telefonieren oder auf Medien zugreifen. Auf diese Weise würden sie von den hohen Datenraten des WLANs und zugleich der Mobilität und nahezu lückenlosen Netzabdeckung von Mobilfunknetzen profitieren. Ausgefeiltes Session Mobility Management und Einsatz der UMA-Technologie (Unlicensed Mobile Access) ermöglichen zudem Roaming und Handover, also das Weiterreichen von Daten und Sprachverbindungen zwischen WLANs und UTMS/EDGE/GPRS-Netzen.

Die dazu erforderliche Integration heterogener UMTS-Netze und WLANs birgt große Herausforderungen: Während UMTS QoS (Quality of Service) für genau definierte Dienstklassen bietet, werden derzeit bei WLANs die ersten Lösungen mit QoS-Fähigkeit gemäß IEEE 802.11e und Priorisierung von Sprechverbindungen eingerichtet. Zudem muss die Mobilität zwischen verschiedenen heterogenen Netzwerken noch durch Spezifikationen wie UMA oder 3GPP Release 6 GAN (Generic Access Network) geregelt werden. Nutzungsszenarien und Handover-Methoden erfordern zusätzliche Überlegungen.

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Die typische Hardwarearchitektur von Multimode-Endgeräten (Bild 1) enthält einen L1-Prozessor für jedes MAC-Interface und ein mit zwei Mikroprozessoren bestücktes System für Kommunikation und Applikationen.

Mit vorhandenen Schaltungen schon heute umsetzbar

Die L1-Prozessor/DSP-Subsysteme, werden – ergänzt durch Frame Scheduler und Viterbi-Coprozessor (EDGE/GPRS/GSM) oder Rake-Receiver (WCDMA) – für Steuerungs- und DSP-Funktionen auf der Bit-Übertragungsschicht (Physical Layer) genutzt: für Akquisition, Tracking, Demodulation und Decodierung im Empfangspfad sowie Formatieren und Codieren im Sendepfad. Der Kommunikations-Prozessor ist ein spezieller Host für den UMTS-EDGE/GPRS/GSM-Protokollstapel, der die L2/3-Protokolle verarbeitet und Systemsteuerungsfunktionen wie Power-Management, Taktung und Speicherung übernimmt. Der Applikations-Prozessor unterstützt als separate Instanz die Anwenderapplikationen. Das Frontend besteht aus dem HF-Subsystem mit A/D- und D/A-Umwandlung der analogen Basisband-Signale. Diese Architektur lässt sich mit vorhandenen Schaltungsteilen kommerzieller Endgeräte realisieren.

Das Implementieren des Protokollstapels (OSI-Modell) unterstützt sowohl die WLAN- als auch die komprimierte GSM/WCDMA-Funkschnittstelle (Bild 2). IEEE 802.11 L2 umfasst die Instanzen MAC und 802.2 LLC, die gemeinsam mit dem Physical Layer den Terminal Driver ergeben.

Der UMTS und der EDGE/GPRS/GSM-Protokollstapel bis L1/L2 der Zugangsschicht sind separat implementiert. Der EDGE/GPRS/GSM-Teil des Gerätetreibers enthält neben den PHY/MAC-Schichten auch Protokolle unterhalb der IP-Schicht (z. B. LLC in L2). Diese dienen als Bindeglied zwischen dem Endgerät und dem SGSN sowie dem SNDCP in L3, über die die Anbindung höherer Datenprotokolle an den LLC erfolgt. Zur Steuerungsebene gehören Protokolle wie RRC/RR/GRR auf L3 für die Steuerung der Funkressourcen und GMM/SM für das Mobility und Session-Management.

Diskrete Architekturen mit separaten Transceivern

Beim Design von Multimode-Endgeräten gibt es einige Punkte zu beachten. So hängt der Integrationsgrad vor allem von den unterstützten Nutzungs-Szenarien sowie der Verfügbarkeit integrierter WLAN/Mobilfunk-Transceiver ab. Bei der Ersteinführung dürften diskrete Architekturen mit separaten Transceivern für jede Betriebsart zum Einsatz kommen. Stand der Technik sind Single-Chip-Transceiver, eine Multi-Prozessorlösung ineinem oder zwei Gehäusen, eine Mobilfunk-Basisband- und Power-Management-Einheit, ein WLAN-DSP/MAC-Baustein mit Hostinterface-Steuerung, Peripheriefunktionen für Leistungsverstärker und Filter sowie Module zur Unterstützung unterschiedlicher Multimedia-Features.

Das Host-Interface muss als Schnittstelle zwischen WLAN-DSP/MAC-Controller und Host-Applikationsprozessor entsprechende Bandbreiten bereitstellen, um etablierte Datenraten zu unterstützen und Kompatibilität sicherzustellen (z.B. mit einem Standard-Interface wie USB oder SPI). Das Endgerät hat den 3GPP-Spezifikationen für Mobilfunk (3GPP TS 51.010/34.121) und den WLAN-Standards (IEEE 802.11 mitsamt den einschlägigen Ergänzungen) zu entsprechen. Darüber hinaus sollte es etwa den gleichzeitigen Betrieb im WLAN und Mobilfunk-Modus unterstützen.

Die Aspekte Verlustleistung und Batterielebensdauer sorgen in tragbaren Applikationen für gravierende Einschränkungen des Designs. Im Mobilfunkmodus und speziell während der Sleep- und Stand-by-Phasen oder während einer Sprechverbindung wird die maximale und die durchschnittliche Verlustleistung von den Performance-Spezifikationen des ICs sowie den Systemparametern bestimmt. Die Leistungsaufnahme beim Senden und Empfangen von Datenpaketen hängt in erster Linie von den Datenraten, der Multislot-Konfiguration und den vom System unterstützten Codierungs-Schemata ab.

Die Verlustleistung des WLAN-Submoduls wird von der jeweiligen Betriebsart (Sleep, Listen, Receive, Transmit) bestimmt. Im Sleep-Modus ist der Großteil der Systemblöcke abgeschaltet, während das Endgerät im Listen-Zustand zwar auf ankommenden Traffic achtet, aber keinerlei Daten an den Host-Prozessor weiterreicht. In den Betriebsarten Receive und Transmit dagegen werden Datenpakete aktiv empfangen bzw. gesendet und mit dem Host-Prozessor ausgetauscht. Die Verlustleistung lässt sich anhand des jeweiligen Nutzungsszenarios (suchend, eingebucht, Leerlauf) und des TCP-Uplinks/Downlinks durch einen gewichteten Mittelwert der verschiedenen Betriebszustände ermitteln.

WLAN-Funktionen lassen sich schon heute integrieren

Aus der Verlustleistungsanalyse für Mobilfunkendgeräte (siehe Tabelle) resultieren die folgenden Hauptfaktoren für die Integration von WLAN-Funktionen in ein Endgerät:

  • Die Stromaufnahme im WLAN-Such und Leerlaufmodus (Idle) hat entscheidenden Einfluss auf die zu erwartende Stand-by-Zeit eines Mobiltelefons, sodass erhebliche Anstrengungen vonnöten sind, um die Stromspar-Betriebsarten des WLAN-Subsystems zu verbessern.
  • Die maximale Stromaufnahme muss über die Hauptsteuerung des Kommunikations-Prozessors überwacht und moderiert werden, speziell wenn das Mobilfunk-Subsystem Sprechverbindungen mit hoher Leistung unterstützt.

WLAN-Funktionalität lässt sich schon heute in Dual-Mode-Mobiltelefone integrieren: Sowohl die Netzwerkinfrastruktur als auch die Hard- und Softwareblöcke sind verfügbar. Wichtig ist vor allem eine sorgfältige Analyse der Nutzungsszenarien. Nur so lassen sich die Anforderungen bezüglich Handover und Verlustleistung verstehen und bewältigen.

Agere Systems

Tel. +49(0)33439 41507

*Leo Ivrissimtzis ist Senior Systems Engineer bei Agere Systems in Ascot, UK.

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