固網與移動融合（FMC）勢在必行，即手機能夠在移動網絡與非授權無線系統（如Wi-Fi網或藍牙連接）之間實現無縫切換。首先，消費者通過使用VoIP或固網電話來降低通話成本的需求存在。其次，實現三網合一（triple-play）的運營商的數量在不斷增加，對他們來說，固網與移動融合既是一個賣點，也是利潤的來源－無論采用何種呼叫方式，他們都能賺錢。服務提供商與設備制造商已經開始密切合作，致力于開發網絡完全融合的標準。

早期，Wi-Fi手機的主要問題在于Wi-Fi與移動網完全獨立。移動運營商最初因無法從中獲利而把Wi-Fi看成一種威脅，結果導致了雙輸的局面。由于Wi-Fi無法無縫地整合到用戶體驗中，用戶需要“激活”Wi-Fi網絡。同時，由于缺乏將Wi-Fi與移動網無縫整合的技術，用戶需要同時開啟GSM和Wi-Fi，即在用戶使用Wi-Fi時移動運營商也需要繼續通過GSM提供服務，從而導致額外的功耗，Wi-Fi的用戶體驗也不令人滿意。

此后，運營商與設備供應商開發了通過Wi-Fi和 IP提供移動語音、數據和IMS服務的技術，增強了Wi-Fi對移動運營商的“友好”性。如今的雙模手機可以不用開啟GSM就使用Wi-Fi，所有語音與數據服務也可以通過IP提供，而無需使用GSM網絡。這一技術最終導致了通用接入網（GAN）規范，即過去的非授權移動接入（UMA）的發布，這一規范現已成為3GPP的標準。

功耗是實現FMC的關鍵

盡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，該挑戰主要來自于電池技術。過去十年，人們并未在研發具有比鋰離子電池更高量密度的電池方面取得重大進展。消費者對超薄手機的需求引發電池尺寸的進一步縮小，同時，目前手機標準的電池電量值實際上遠遠小于上一代手機，一般為 650mAh，而不是1000mAh。那么，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%已經成為芯片制造商面臨的重大挑戰。而FMC手機（一般稱為雙模手機）必須同時支持兩種或三種無線裝置，其功耗更大。因此，第一部FMC手機的待機時間和通話時間指標都不高也在意料之中。UMA能夠顯著改進雙模手機的電池性能，改善消費者的用戶體驗，并使移動服務提供商獲利，從而成為三贏方案。

早期Wi-Fi手機面臨的第二個重大問題是，無線（WLAN）模塊用于PC和其它交流電供電的計算機外圍設備時，功耗并不是被關注的問題，但當將其用于手機時，功耗問題凸現出來。這意味著，在某些情況下，這種手機的待機時間只有半天，這也是很多分析師認為FMC市場前途未卜的原因之一。

可喜的是，最新的三星UMA雙模手機（基于恩智浦半導體的手機平臺）改變了這一局面，它有效地提升了待機和通話時間，促使分析師們開始重新考慮這個市場。“鑒于三星手機（基于恩智浦平臺）在Wi-Fi模式下的待機時長，業內一些公司（包括我們）準備重新考慮雙模Wi-Fi/蜂窩手機。”2007年7月SignalsResearchGroup，LLC公司 CEOMichaelW.Thelander在其報告中指出。

圖1：UMA 系統

融合手機平臺的發展

UMA手機上市以來，關于其特性、功耗以及發展方面已經有了一些初步體驗。

第一代FMC手機

這些手機通常是在移動平臺中集成一個WLAN子系統。兩個系統完全獨立存在，大多數時間內都處于省電模式，尤其是在空閑模式下。FMC系統中一次只有一個系統在運作（如UMA/GAN）的明顯好處是呼叫將被重新路由并交給當前活動的系統，從而可以關閉另外一個系統。如果FMC方案在WLAN上集成 VoIP（通常基于SIP）并與蜂窩系統（GSM/UMTS）并行使用，由MMI（人機接口）/用戶決定呼叫路由和接聽方式，則不具備上述優勢。

圖2：融合手機第一代平臺架構。

第二代融合手機

由于越來越多的用戶使用藍牙耳機，第二代融合手機一般都集成了藍牙（BT）功能。這類手機集成了三個射頻系統，并在它們之間進行協調：由于采用協同工作濾波器，GSM與BT以及GSM與WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一頻段，彼此之間干擾嚴重，因此需要復雜的射頻接入協調，特別是BT和WLANIC之間進行緊密協調。

圖3：融合手機第二代平臺

除此以外，第三個系統（BT）在空閑（掃描）和通話（即在使用耳機模式）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能效。

WLAN專用PMU，進一步改善系統能耗。采用專用于WLAN和/或BT平臺的PMU，可以避免因LDO（線性穩壓器）造成的損耗，從而達到進一步改善能耗的目標。

功耗需求的變化

功耗需求在過去的兩年里發生了相當大的變化。用戶剛開始還能接受一些解釋：手機內置WLAN，這會損耗一些電量，待機時間只有GSM的一半。不久以后，要求WLAN待機時間達到數天則成為主要目標。但這依然沒有滿足消費者的期望：電池即便在支持相同的待機時間基礎上還要能夠通話一段時間（如3個小時）。此目標運營商們保持了一段時間。

第一批消費者的反饋表明融合手機必須具備與普通GSM手機相同的性能。消費者不希望因采用FMC技術而帶來任何明顯的差異，因此，運營商不但不會宣傳，甚至會對用戶進行隱藏該項技術。“普通”GSM手機的另一個市場推動力是Razr的成功，以及隨之不斷增長的對超薄手機的需求。現在，相同功能和性能的GSM手機（也包括FMC手機）一般都采用650mAh電池，而不是1000mAh，因此所有手機元件（包括WLAN）需要節約30%的能耗。圖5是功耗要求的典型演化圖，隨后將討論實現這一目標的解決方案。

圖4：融合手機第三代平臺。

關鍵系統設計

整體設計

作為獨立的子系統，WLAN子系統需要擁有自己的時鐘、電壓控制、省電模式管理，以及必要時激活主機的能力。必須避免在空閑時間內兩個系統并行工作：如果可以使用首選系統（WLAN），則另一個系統（GSM）需要進入睡眠狀態。為了取得良好的關鍵性能和用戶體驗，某些偏差也可以接受（例如，在通話期間）。使處理器之間的通信最小化。WLAN只有在收到相關數據時才激活主機。RSSI（電平）測量應在WLAN子系統內局部進行—只有測量值超出給定極限才激活主機。

圖5：UMA 手機功耗的演變過程。

協議分層及例外

嵌入軟件通常按照OSI模型進行分層：物理層在專門的硬件/DSP/CPU上運行（尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS）；低功耗在硬件和軟件中都采用“內置設計”（即通過時鐘/電壓等級、省電模式等）；較高層將在功耗更高的主CPU（或應用CPU）上運行；通常涉及到不同組織、路線圖、團隊、軟件語言、OS、工具和限制等。

作為通用規則系統架構應按照時間域布置軟件層：GSM中，每一幀的處理應在DSP上完成而不是主CPU（以前情況并非如此，通常項目預算也不允許完全重新設計），不過協議工作應在主CPU上完成。

以下例外情況如果可以實現，則將大大降低待機功耗：

GSM中：協議每0.5秒檢查用戶收到的信息是否為呼叫，這項工作可以轉交DSP，使主CPU有更長的睡眠時間。

WLAN中：每0.1秒—0.5秒進行一次RSSI和其它測量，但只有當動態下載極限超出上、下值并將產生動作時，才應激活主處理器。

惰性范式

一般情況下，所有算法設計時都考慮最差狀態下的最佳性能。如果有足夠的可用電源，這種方法不會產生任何問題，但通常情況下這一要求會過高，從而需要根據實際情況進行調整。

－每0.5秒查看鄰近小區可以產生良好的切換性能，而在空閑狀態下此動作可以被簡化。

－使用外部電源工作時（充電器、USB電纜），可以選擇最高性能的算法，而使用電池時則減少此類操作。

－只要用戶進行操作（如按鍵）就應激活高性能算法，但在一段時間內沒有任何操作，則應使用電池優化算法。

－軟件只應做必需的事情（在限制功耗狀態下），只在必要時刷新緩存，而不是采用自動定時刷新的方式。

－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，以釋放網絡掃描等請求。

-高級節能措施還需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、屏幕刷新等性能也需要進一步降低。

－系統范式需要全局接口以及應用于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。所有算法都需要這些信息。

關鍵軟件設計

替換“Do…While”循環

嵌入軟件一般具有很多以并行邏輯運行的RTK任務。多數情況下，軟件需要等待某個條件為真，如“AP已關聯”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。最初采用一種簡單的方案（經常用于“C”語言），即在一個任務中使用“Do…while”命令，并用循環輪詢來獲得較低優先級任務的結果（如IP協議棧）。

此時，CPU保持運行直至條件成立，這將導致高功耗。實際例子：等待顯示器完成刷新。

較好的方案是啟動RTK定時器，然后進入一段睡眠時間，過后再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種“輪詢”，但減少了對功耗的影響，并可以采用不同的睡眠間隔度，動態地適應不同的性能需求。

更好的方案是采用RTK消息與中斷，當最終達到條件時激活主機。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后期才被發現，因此需要進行重新設計，但很少有人會重新設計。

定時器管理是關鍵

嵌入軟件經常需要從幾毫秒到數天的定時范圍，特別是硬件處理、軟件輪詢，或由標準給定（IP、電信等）。定時器到時需要激活CPU并運行RTK/OS程序。退出省電模式后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激活。CPU激活一般非常快（在微秒范圍），但主時鐘仍需運行，這樣只節省了少量功耗。全系統的睡眠（包括主時鐘）可能需要5至20毫秒的激活時間，但只有這種方法才能提供最大的節能效果。

應盡可能避免出現定時器頻繁過期情況。給定900毫秒的定時器可以通過900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick（時鐘計時單元）來實現，這樣做對功耗有著全然不同的影響。操作系統應使用最大tick長度。這意味著為獲得最大節能效果，必須盡可能放松對定時器精度的要求，例如不采用 900毫秒（此時操作系統tick的時間間隔為100毫秒），實際應用中“1秒”可能已經足夠。手機擁有與實際空中接口物理層相關的系統tick。使用這些tick而不是人工的毫秒/秒單位，就可以減少激活的次數。GSM每幀4.615毫秒，使用這個時長為一個“tick”成為自然的選擇。語音采用多個 20毫秒做為時間間隔，需要不同的tick。WLAN信標基于100毫秒的自然tick間隔。

功耗問題將永遠存在

手機行業屬于快速變化的行業，每年都會在新款手機上增添很多新功能，而用戶期望的使用時間卻與上一代手機一致，甚至更長。即使在更大屏幕尺寸、更大畫面尺寸、更多可存儲音樂，以及更多的接入網方式（用戶甚至經常看不到）的情況下，用戶對電池使用時間的預期依然不變。鑒于提高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。