主题：【原创】论山寨手机与Android联姻的技术基础 -- 邓侃
家园 【原创】【12】3G时代的SmartPhone BP部分 国内看不见照片的网友，请移步新浪博客【12】3G时代的SmartPhone BP部分软件系统
最成熟的3G网络系统，是3GPP项目组制订的WCDMA。WCDMA的网络结构，可参考Figure 12.1，其中有几个特点。
1. 反向兼容GSM/GRPS网络。
原有GSM网络的基站子系统（BSS）保持不变，并且可以通过原有A协议栈和Gb协议栈，与改造后的核心网（Core Network）互联互通。
2. 核心网保持了原有GSM/GRPS/EDGE网络的HLR，AUC，EIR，VLR，MSC，SGSN，GGSN等等网络结构。
主要变化是把原有的MSC，分拆为MSC（Mobile Switching Center）和MGW（Media Gateway）。分拆后的MSC，仍然负责建立通话双方的电路连接，并且在通话双方在移动过程中，不断切换基站时，维持语音的连续。但是把WCDMA网络把电路切换的任务，交给MGW专司负责，既提高了系统运行效率，又便于系统的维护[1, pp134]。
3. 增设小区服务广播功能。
小区服务广播中心（Cell Broadcast Center）负责对小区内手机广播各种消息，例如天气，股票，实时交通信息等等。
4. GSM网络原有的基站子系统（BSS）在UMTS/WCDMA系统中，不再被沿用，取而代之的是UMTS陆基无线接入网（UTRAN，UMTS Terrestrial Radio Access Network）。
UTRAN中，基站Node B负责与手机的无线联系，职能类似于GSM BSS子系统中的BTS。而UTRAN中的RNC（Radio Network Controller）的职能，与GSM网络中基站子系统（BSS）中的基站控制器（BSC）的职能很相似。但是由于GSM的多址接入方式是时分多址（TDMA），而UMTS/WCDMA的多址接入方式是码分多址（CDMA），导致基站与基站监管所使用的技术也极为不同。因此，原有GSM的BTS和BSC，很难在WCDMA中沿用，只好另起炉灶，用Node B和RNC来替换它们[1, pp198]。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Figure 12.1 3G/UMTS/WCDMA Release 4 Network Architecture [1].
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2708/4403166623_f6c7790b77_b.jpg
在UMTS/WCDMA网络规范中，不仅有Node B，RNC，MSC，MGW，SGSN，GGSN，和CBC等等网络构件，而且还有Uu，Iub，Iur，Iu-CS，Iu-PS，和Iu-BC等等协议栈。所谓协议栈，是网络构件之间传输信息时，使用的一系列协议，它们层层叠叠，堆砌成一个栈结构，所以叫协议栈（Protocol Stack），如Figure 12.2所示。
1. Uu协议栈负责在手机与基站Node B之间，通过无线方式传输信息。所以，Uu无线协议栈直接关系到智能手机BP部分的技术实现。
2. UTRAN中基站Node B，与无线网络控制器（RNC），合称为无线网络系统（RNS）。它们之间的协议栈分别是Iub和Iur，在Figure 12.2中，没有详细列出Iub和Iur，而是把Node B与RNC合并成RNS，重点描述RNS与外界，也就是手机与核心网之间的协议栈。
3. RNC在处理语音业务时，使用Iu-CS协议栈。但是Iu-CS的用法，有控制层面（Control Plane）与用户层面（User Plane）之分。
在建立联系通话双方的电路时，RNC使用Iu-CS的控制层面（Iu-CS Control），与MSC联系。电路接通以后，在传输通话双方的语音信号的过程中，RNC使用Iu-CS的用户层面（Iu-CS Bearer），与MGW联系，参见Figure 12.1。
4. RNC在处理数据业务时，使用Iu-PS协议栈，并且永远只与SGSN联系。但是联系方式也分控制层面与用户层面。Figure 12.2描述了在处理数据业务的过程中，传输信令和数据实体的各个协议栈。
虽然同属于Iu-PS协议栈，但是对于控制层面和用户层面，不同的层面使用的具体协议并不相同。Figure 12.2上半部分描述了控制层面的协议栈，负责建立数据通道，而Figure 12.2下半部分描述了用户层面协议栈，负责传输数据实体。
5. 智能手机的BP部分，需要实现Uu协议栈的左侧框图中，所包含的所有协议。
以数据业务为例，智能手机BP部分，既要实现Figure 12.2中上半部分的最左侧的框图中，所描绘的与手机（UE）相关的种种协议，也就是RF-MAC-RLC-RRC-GMM/SM/SMS各个模块所涉及的种种协议，以便完成建立数据通道的任务，这是控制层面的工作。同时也要实现Figure 12.2中下半部分的最左侧的框图中，所描绘的与手机（UE）相关的种种协议，也就是RF-MAC-RLC-PDCP-IP/PPP所涉及的种种协议，以及相关应用程序（Applications），以便传输数据实体，这是用户层面的工作。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Figure 12.2 UMTS/WCDMA GRPS Protocol Stacks, Release 99.
[1, Figure 6.24, pp 237, and Figure 6.25, pp238]
Courtesy http://farm3.static.flickr.com/2731/4396349395_039ccddf6e_o.png
接下来，我们剖析智能手机的BP部分，在建立数据传输通道时，控制层面需要处理的工作，以及传输数据实体时，用户层面需要处理的工作。也就是Figure 12.2图中，上半部分最左边的框图中，与手机（UE）相关的协议，也就是RF-MAC-RLC-RRC-GMM/SM/SMS这五个模块所涉及的协议和彼此互动。此外还包括，下半部分最左边的框图中，与手机（UE）相关的协议，也就是RF-MAC-RLC-PDCP-IP/PPP- Application，这六个模块所涉及的协议和彼此互动。
Figure 12.3描绘了这些模块中包含的部分协议，以及相互关系[2,3]。
1. 各个模块可以被垂直地划分为若干层（Layer），每个模块只与上下层的对应模块发生联系，但是不与同层的其它模块联系。
自下而上，分别是物理层RF/PHY（Layer 1），链路层（Layer 2），包括MAC/RLC/PDCP/BMC各模块，和网络层（Layer 3），包括RRC及Network Control/AMR Voice/CS Data/PS Data各模块。
同时，自下而上整个系统又被分为接入层（Access Stratum，AS）与非接入层（Non-Access Stratum，NAS）。非接入层的模块负责与核心网联系，例如网络控制模块（Network Control），它负责电话呼叫和来电接通（Call Control，CC），在手机切换基站时，保持通话连续（Mobility Management，MM），和保证数据包的正常传输（GPRS Mobility Management，GMM）等等。
接入层的模块负责无线网络系统（RNS）内部的局部联系，包括手机（UE）与基站（Node B），基站与基站之间，基站与基站控制器（RNC）的局部联系。此外，也包括基站控制器（RNC）与核心网之间Iu-CS/Iu-PS/Iu-BC协议栈所涉及的联系。接入层为非接入层提供基础服务[4]。
2. 协议栈分成控制层面（Control Plane）与用户层面（User Plane）。
Figure 12.2分成上下两部分，上半部分描述控制层面，下半部分描述用户层面。而Figure 12.3把控制层面摆放在图左侧，把用户层面放在图右侧。
以非接入层为例，控制层面包括网络控制（Network Control），负责通话控制（CC），移动通话管理（MM），和数据包管理（GMM）。而用户层面负责语音和数据包实体的传输，相应地有三个功能模块，分别是负责电路交换数据传输的模块（Circuit Switched Data，CS Data），包交换数据传输模块（Packet Switched Data，PS Data），和负责语音传递的自适应多速语音编码器（AMR Voice）。
3. 无线接口与通道（Channel）
对于手机（UE）来说，物理层（Layer 1）和链路层（Layer 2）负责如何使用无线频段来传输数据，这两层协议的数据编码方式被称为通道[5]，包括以下三类，
1. Physical Channel（RF），DPCH,P-CCPCH,PRACH, S-CCPCH,AICH, PICH。
2. Transport Channel（PHY-MAC，定义数据的传输方式）, DCH, PCH, BCH,RACH,FACH。
3. Logical Channel（MAC-RLC，定义传输数据的类型）, DCCH,CCCH,BCCCH,DTCH。
网络层（Layer 3）的内容，主要是无线资源控制（RRC）协议，负责对无线资源的分配进行控制，并发送有关控制信令。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Figure 12.3 UMTS/WCDMA Uu Protocol Stacks and its internal interaction [2].
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理解了Uu协议栈包含的各个协议，如Figure 12.2所示，以及它们之间的相互作用，如Figure 12.3所示，就不难理解智能手机BP部分的系统架构。Figure 12.4是一款智能手机的BP部分的系统架构图，这款手机应用于4G LTE网络，由英国4M Wireless Ltd公司出品。但是这个BP部分的系统架构，与3G手机的BP部分，在结构上基本相似。
虽然结构相似，但是对应于不同的移动网络，例如WCDMA和TD-SCDMA，每个模块的实现细节不完全相同，导致相应的硬件也可能不能通用。这就是所谓“双模双待”手机存在的意义。
具体来说，由于3G数据传输速度达到2M到7.5Mb/s（HSPA），实时性要求远远高于2G，所以3G的BP 部分通常使用多个DSP硬件等等专用处理器，来处理协议数据的编码解码，而不采用软件的办法。使用硬件固然保证了速度，但是对于不同的通信协议，例如2G 的GSM/GRPS，与3G的WCDMA/HSPA，需要有不同的硬件配合。
不同国家和地区也使用不同的频段，RF部分也就不同。2G手机只要支持GSM /GPRS/EDGE 850/1900 和900/1800就可以号称世界手机（除日本和韩国外）。而3G的世界手机，一般需要支持2G所有的协议和频段，外加3G的2100/850 /1900（覆盖日本和韩国）。对比MTK功能手机，这些前辈手机大部分是只支持2个频段的GSM/GPRS，3G手机的BP部分要复杂得多。如果把MTK的BP复杂度类比成8086，3G手机BP的复杂度也许就相当于Core2 Duo。
所有这一切都导致3G智能手机的BP部分的开发难度很大。在2G时代，TI+Nokia的无敌组合，一度占据了大部分市场份额，成为市场霸主。但是由于MTK的崛起，以及3G芯片出货的延迟，使得TI逐渐失去基带芯片的市场优势。至于其它2G时代的基带芯片制造商，NXP被收购后苟延残喘，Broadcomm试图用低价来争夺市场，但几乎无功而返。Marvell的Tavor虽然赢得RIM的订单，但是后继乏力。现在只有Qualcomm纵横捭阖，用AP+BP的SoC芯片，牢牢占据了3G单芯片市场。同时，Qualcomm用低端3G BP芯片，与英飞凌争夺BP专用芯片市场。
由于BP部分负责处理通话，实时性要求很高，所以BP部分使用的操作系统必须是实时操作系统（RTOS），例如VxWorks，Nucleus，和 ThreadX等等。实时操作系统负责各个Layer的所有功能模块的任务调度，如Figure 12.4中最右侧垂直黄色方框所示。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Figure 12.4 3G SmartPhone BP architecture [6].
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总结一下，智能手机的BP部分实际上就是一个Modem。它与功能手机的区别仅仅在于，除了SIM/USIM这个外设被保留以外，其它的外设和人机接口统统被去掉，取而代之以AP端的控制接口，类似于MTK系统中的RMI，参考本系列第7章，MTK手机软件系统。
智能手机BP部分，分为垂直分布的多个Layers，对应不同的网络传输协议。同时又被水平分割为控制和用户两个planes，分别负责管理信息通道，以及负责传递信息实体。
智能手机BP部分拥有独立的实时操作系统，为各个Layer各个Plane所包含的所有功能模块，提供任务调度，CPU和内存管理等等最基本的操作系统内核服务。
智能手机的BP部分结构相当复杂，对应于不同类型的网络，不同地域的频段分割，软件和硬件都难以通用。
Reference,
[1] 3G Wireless Network, 2'nd Edition. ISBN-13: 978-0-07-226344-2.
[2] WCDMA Radio Access Network Concepts.
(http://wireless.agilent.com/rfcomms/refdocs/wcdma/wcdma_gen_bse_concepts.php)
[3] Wireless Protocols.
(http://www.ccpu.com/trillium-protocol-software-products/all-protocols-list/)
[4] WCDMA Radio Access Network Architecture.
(http://www.comlab.hut.fi/opetus/238/lecture5Lansisalmi001103.pdf)
[5] WCDMA Physical, Transport and Logical Channels.
(http://www.networkdictionary.com/Wireless/UMTS-WCDMA-Logical.php)
[6] BP Architecture by 4M Wireless Ltd.
(http://www.3g.co.uk/PR/Oct2008/3G_LTE_UE_Protocol_Stack_Verification_3G.htm)
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上一章我们讨论了SmartPhone BP部分的硬件系统，接下去我们将讨论SmartPhone BP部分的软件系统。所谓BP，指的是基带处理器（Baseband Processor），又称为通讯处理器（Communication Processor，CP），顾名思义，BP部分负责SmartPhone的通信机制。
作为手机的通信机制，BP部分尤其是软件系统，与移动网络的进化密不可分。2G时代的移动网络，主要分为两个家族，GSM和CDMAOne[1]。从1985年，ITU启动了制订3G移动通信系统规范的工作，到1999年，历时14年，国际电讯联盟（International Telecommunication Union）ITU终于批准了四个3G移动网络规范，GSM/EDGE，UMTS，CDMA2000和DECT，总称IMT-2000，开启了3G时代，3G成为IMT-2000的代名词。2007年，ITU又批准了WiMAX，至此IMT-2000共有五个3G规范[2]。
之所以出现多个规范并存的局面，根本原因在于采用什么样的无线射频技术来传递信息，多种技术可以完成同一个任务，而每种技术都各有长短，没有哪一个技术能够以压倒性的优势胜出，所以出现群雄争霸的局面。
移动网络要解决的核心问题，是同时支持多个手机用户双向通信，这里的关键词有两个，1. 多个手机同时通信，即Multiple Access（MA），中文译作“多址”。2. 通信双方是双向通信，而不是广播那样我说你听，即Double Duplex，中文译作“双向双工”。
移动通信典型的多址接入方式有三种，频分多址（FDMA），时分多址（TDMA），和码分多址（CDMA）。FDMA的基本思路，是把可用频谱分割成若干频段，每个说话的人独占一个频段。当然这是个粗略的形象的说法，通信的内容不完全是语音，而且也包括数据包，例如短信彩信和互联网的接入。另外，通信的主体不是人，而是手机或者基站。
TDMA的基本思路，是把同一个频段，分成若干时段，大家轮流发言，但每个时段只允许一个人发言。FDMA和TDMA可以混合使用，例如先把整个可用频谱分成若干频段，这是FD的做法，而每个频段实行分时制，这是TD的做法。
CDMA与TDMA相似，大家共用一个频段，但是不同于TDMA的分时制，CDMA以编码（Code）来区别不同人的发言，相当于每个人在发言前，先出示自己的名牌，但是发言时间的长短不一。CDMA技术要比前两者复杂，原因有二，1. 需要把同一个频段的七嘴八舌的发言记录，按不同的发言人切割，然后把同一个人的发言碎片拼接到一起，2. 挤在同一个频段说话的人太多了，会相互干扰，所以需要扩频，也就是把说话人分散到不同的频段中去。与FD不同，每个频段不让一个人或者几个人独享，而是见缝插针，动态地分配，以便均摊在各个频段说话的人数。这个技术叫扩频（Spread Spectrum，SS），而扩频又存在多种实现方式，例如直扩扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS）等等。
双向双工的实现方式，与多址接入相似，也是在频段和时段上想办法。通常把从手机到基站的通信通道称为上行（Uplink），基站到手机的通信通道叫下行（Downlink）。对于语音通信来说，上行和下行的流量基本持平。但是对于数据通信来说，下行流量远远大于上行流量，这是因为看贴的人次远远超过发贴的人次。对于3G来说，数据通信的份量很重，所以要保证下行的带宽大于上行的带宽。
频分双工（FDD）把整个可用频谱分成若干频段。对于数据通信，FDD把多数频段分配给下行，少数留给上行。对于语音通话业务，FDD给每部手机都分配两个频段，一个给上行，另一个给下行。时分双工（TDD）实施分时制，根据上行和下行的流量，按需分配时段。在3G时代，不对称的数据通信业务造成不对称的时段分配，更多时段分配给了下行，而只有少数时段留给了上行。码分双工（CDD）理论上是可能的，但是或许是因为技术太复杂，所以至今没有成为现实。
FDD擅长连续控制，适应于大区制的国家内部通信，和国际间漫游，适合于对称业务如话音通话等等，适应于手机快速移动的场景。根据ITU对3G的要求，使用FDD的手机的最高移动速度可达500KM/h，而采用TDD的手机的最高移动速度只有120KM/h。两者相比，TDD系统明显稍逊一筹。TDD的优势在于，适应于在人口高密度地区支持更多人同时通信，适应于不对称的数据业务，例如互联网的接入[3, ch 1]。
GSM网络，多址接入方式是TDMA，双向双工方式是FDD。最初的GSM网络，基本上是一个电路交换网络（Circuit Switched），只能提供语音和短信（SMS）服务。GSM的数据率只有9.6kb/s。为了满足互联网接入和电子邮件之类的数据业务的需求，在GSM网络基础上增添了分组交换（Packet Switched）子网，这个子网被称为GPRS网络。GPRS是GSM Phase2.1制订的规范，被称为2.5G，数据率可以达到171.2kb/s。以往短信是通过GSM核心网的SS7信令系统来传输，有了GPRS网络以后，短信（SMS）业务也可以经GPRS网络传输。2.5G的GSM/GPRS网络，仍然采用TDMA多址接入和FDD双向双工，但是考虑到数据流可以方便地被切割成等长的包，所以对TDMA和FDD做了一些改进，提高数据包传输效率。后来对GPRS又做了进一步的改进，被称为EDGE，称为2.75G[4]。
源于GSM/GPRS的3G网络规范，统称为UMTS，意思是世界移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System）。UMTS的概念早在1987年就正式提出了。实现3G的技术方案有很多，例如W-CDMA是日本从1993年开始研究的3G方案。到了1997年，意见渐渐趋同，对于多址接入方式，大家都认同CDMA，分歧之处在于双向双工，FDD与TDD两种方案难分仲伯。赞同FDD的有欧洲的UTRA WCDMA和日本的W-CDMA。1998年，它们融合为现在的WCDMA系统，成为强势候选方案。赞同TDD的有TD-CDMA，沦为弱势[5, pp46-47]。
1998年，经ITU批准，成立了国际标准化组织3GPP（3G Partnership Project），负责把源于GSM的2G网络逐步进化成3G网络，项目组的重点任务是设计与这个进化过程相关的各种UMTS系列网络规范。3GPP项目组，由多个地区工作组组成，中国区工作组是中国通信标准化协会（CCSA）[6]。在成立3GPP项目组的同时，ITU又批准成立了3GPP2项目组，负责把源于CDMAOne的2G网络逐步进化成3G网络。
3GPP项目组制订的UMTS 3G网络规范，包括WCDMA，以及TD-CDMA和TD-SCDMA三种。如果不特别注明，UMTS规范通常指的是WCDMA，它采用FDD方式的双向双工。而TD-CDMA采用TDD方式的双向双工，现在已经逐渐淡出。WCDMA的知识产权，主要把持在美国Qualcomm公司手里。中国通过多年努力，在技术上积累了不少创新，同时也出于反垄断的需要，申报了TD-SCDMA规范，并于2001年获得3GPP以及ITU的认可，被接纳在UMTS Release 4规范中[7]。TD-SCDMA的双向双工，采用TDD方式。
后3G时代，3GPP 项目组不断更新UMTS规范，称为Release 99，Release 4，5，6等等，最新的版本是2010年2月份发布的Release 10。每个版本除了改进旧版的技术以外，而且还增添了新的功能和技术，其中包括对于数据传输部分的改进，HSUPA/HSDPA，以及HSPA+，它们被称为3.5G以及3.75G。3G时代结束后，将开始普及LTE，WiMax等等网络，也就是4G网络[8]。
如前所述，2G网络中与GSM/GRPS对应的，是CDMAOne。3GPP2项目组负责设计一系列网络规范，把CDMAOne逐步进化成3G网络。其进化历程是，CDMAOne（2G），CDMA2000 1xRTT（2.75G)，和CDMA2000 1xEVDO（3G）。EVDO以后，大部分CDMA网络转向WCDMA/HSPA[8]。
2000年日本NTT DoCoMo公司率先实现了3G网络的商业化。2001年，韩国SK Telecom和KT两家公司也先后完成3G网络的商业化。但是它们使用的是不同的3G规范。日本NTT DoCoMo使用的是WCDMA，属于UMTS系列。而韩国SK和KT两家公司，使用的都是1xEVDO，属于CDMA2000系列。
2009年1月7日，中国工信部发放三张3G牌照，中国移动用TD-SCDMA，中国电信用CMDA2000，中国联通用WCDMA，其中TD-SCDMA是中国拥有自主产权的3G技术标准，见Figure 11.1。从技术上讲，WCDMA最稳健，TD-SCDMA最爱国，而CDMA2000最没前途[9]。
外链图片需谨慎，可能会被源头改Figure 11.1 中国3G格局[9]
Courtesy http://farm5.static.flickr.com/4051/4415115195_110f66d963_o.jpg
Reference,
[1] Introduction to 2G Wireless Network. (http://en.wikipedia.org/wiki/2G)
[2] Introduction to 3G Wireless Network. (http://en.wikipedia.org/wiki/3G)
[3] 3G Wireless Network, 2'nd Edition. ISBN-13: 978-0-07-226344-2.
[4] Introduction to GSM/EDGE.
(http://en.wikipedia.org/wiki/Enhanced_Data_Rates_for_GSM_Evolution)
[5] UMTS网络技术. ISBN: 7121012006.
[6] Introduction to 3GPP. (http://en.wikipedia.org/wiki/3GPP)
[7] Introduction to TD-SCDMA. (http://en.wikipedia.org/wiki/TD-SCDMA)
[8] Introduction to UMTS. (http://en.wikipedia.org/wiki/UMTS)
[9] 中国3G格局。（http://news.enorth.com.cn/system/2009/01/07/003854399.shtml）
通宝推：捷克,家园 【讨论】发现了Android和MTK偷情的第一手证据 最近忙着解bug，实在没空回复，趁download的时候跑来看一眼。今天干掉一个P0的，终于可以舒一口气了。
都过了一个年了，还没说到Android和MTK呢。我上周五出了个近差，去望京一家B公司，签访客名单时，赫然发现，上面一栏的公司名称写着M..，看来无处不泄密啊。
分析不出太多的信息了，不过M已经和O开始接触了，说明M的新产品已经进入推广阶段了，真是越来越好玩了。
家园 快了 
家园 cdma2000在中国没有前途是有原因的 cdma2000需要GPS时钟信号来做全网同步，平时不会有事儿，不过一旦有事儿的时候，美国佬把GPS信号关上两天，整个网就瘫了