劉新浩，許巧春，李曉帆, ，王小波

（1.國家無線電監(jiān)測中心檢測中心，北京 100041；2.深圳無線電檢測技術(shù)研究院，深圳 518048）

1 引言

近年來，我國自然災(zāi)害頻發(fā)給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成了很大損失，反恐、維穩(wěn)等突發(fā)事件也不斷地考驗(yàn)著政府及其相應(yīng)的職能機(jī)構(gòu)的工作能力和辦事效率。提高政府及其主要職能機(jī)關(guān)的應(yīng)變能力、反應(yīng)速度越來越成為一個(gè)焦點(diǎn)的話題。

在遇到地震、山洪等建筑物被毀嚴(yán)重的緊急情況時(shí)，公眾通信設(shè)施也將處于區(qū)域性癱瘓狀態(tài)，無法滿足指揮調(diào)度的需求，不能及時(shí)為受災(zāi)群眾傳遞災(zāi)情、救援信息，為災(zāi)后工作造成了很大障礙。依靠傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)，要保證突發(fā)情況下現(xiàn)場信息都能實(shí)時(shí)采集、發(fā)送、反饋，很難達(dá)到要求。在這些情況下，只有通過專業(yè)的應(yīng)急通信系統(tǒng)才能及時(shí)、準(zhǔn)確、暢通地傳遞第一手信息。

世界上許多國家高度重視應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)工作。美國從20世紀(jì)70年代就開始建設(shè)最低限度應(yīng)急通信網(wǎng)，用于確保美國應(yīng)對緊急事件的指揮調(diào)度。9.11事件之后，美國投入巨資建設(shè)與因特網(wǎng)物理隔離的政府專網(wǎng)，推行通信優(yōu)先服務(wù)計(jì)劃并利用自由空間光通信、微波接入全球互操作和無線保真等通信新技術(shù)來提高應(yīng)急通信保障能力。深受震災(zāi)之苦的日本目前已建立起較為完善的防災(zāi)通信網(wǎng)絡(luò)體系，如中央防災(zāi)無線網(wǎng)、防災(zāi)互連通信網(wǎng)等。中央防災(zāi)無線網(wǎng)是日本防災(zāi)通信網(wǎng)的骨架網(wǎng)絡(luò)，由固定通信線路、衛(wèi)星通信線路和移動(dòng)通信線路構(gòu)成。防災(zāi)互連通信網(wǎng)可以在現(xiàn)場迅速連通多個(gè)防災(zāi)救援機(jī)構(gòu)以交換各種現(xiàn)場救災(zāi)信息，從而有效進(jìn)行指揮調(diào)度和搶險(xiǎn)救災(zāi)。

從2004年開始，我國正式啟動(dòng)應(yīng)急通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究，內(nèi)容涉及應(yīng)急通信綜合體系和標(biāo)準(zhǔn)、公眾通信網(wǎng)支持應(yīng)急通信的要求、緊急特種業(yè)務(wù)呼叫等。

有關(guān)應(yīng)急通信保障的研究工作大多是借用集群通信、無線電短波通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)，沒有關(guān)注和利用已在通信領(lǐng)域十分成熟的無線尋呼系統(tǒng)，也沒有考慮融合多種通信技術(shù)手段提供多重備份、可靠性高的應(yīng)急通信保障體系。本文以研究公眾移動(dòng)通信終端中嵌入無線電尋呼接收模塊為突破口，旨在推動(dòng)我國的公共應(yīng)急通信體系建設(shè)，完善我國的公共應(yīng)急通信的基礎(chǔ)體系。

2 無線尋呼技術(shù)優(yōu)勢

利用無線尋呼技術(shù)進(jìn)行公共應(yīng)急通信技術(shù)研究，是因?yàn)闊o線尋呼技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）設(shè)備簡單：尋呼機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，早期的硬件結(jié)構(gòu)上由無線尋呼射頻、尋呼機(jī)中央處理單元和外設(shè)顯示三部分組成。

（2）技術(shù)成熟：相對于其他通信技術(shù)，尋呼技術(shù)在市場上經(jīng)歷了十余年的考驗(yàn)，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。再加上電子行業(yè)集成設(shè)計(jì)十分先進(jìn)，所以尋呼模塊從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的成本將會十分低廉，便于集成。

（3）系統(tǒng)建設(shè)周期短：尋呼系統(tǒng)僅僅需要通過尋呼臺發(fā)送對應(yīng)的地址碼到發(fā)射機(jī)，通過不同區(qū)域?qū)ず襞_的轉(zhuǎn)接，最終到達(dá)用戶的尋呼機(jī)上。這就使得尋呼機(jī)很容易滿足應(yīng)急通信需求，其構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)和基站的時(shí)間將大大縮短，成本也會大大降低。

（4）廣播方式：相對于其他無線通信系統(tǒng)，尋呼系統(tǒng)最大的特征是單向通信，即只有從無線尋呼發(fā)射臺發(fā)送給尋呼機(jī)的信號，而尋呼機(jī)不能發(fā)送信號給發(fā)射臺。盡管在日常通信中，這種單向通信方式可能會給人們帶來不便，但在緊急情況下，這種通信方式將會大大節(jié)約信道的利用率，使信息能夠更有效地發(fā)布和利用。另外，廣播方式和單向傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)易于搭建，利用無線尋呼進(jìn)行應(yīng)急通信廣播已有先例。

3 手機(jī)嵌入無線尋呼模塊方案分析

3.1 手機(jī)嵌入無線尋呼模塊方案

基于無線尋呼和移動(dòng)通信技術(shù)的成熟技術(shù)，結(jié)合二者的工作原理，根據(jù)目前相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，可以考慮的方案為：

方案一：在手機(jī)中直接嵌入無線電尋呼模塊，這個(gè)模塊包含無線尋呼的射頻電路和邏輯電路，是一個(gè)完整的、成熟的、已在市場上流通的無線尋呼芯片，實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

方案二：將無線尋呼芯片與現(xiàn)有手機(jī)通信芯片結(jié)合，使用手機(jī)的微處理器或軟件功能實(shí)現(xiàn)邏輯解碼功能。

兩種方案的工作原理均是：尋呼基站在對信息編碼、調(diào)制后，通過空間鏈路傳遞到尋呼模塊。尋呼射頻射頻電路對信息進(jìn)行簡單的接收和降噪，接收芯片的符號同步和濾波后，得到待處理的數(shù)據(jù)，待處理的數(shù)據(jù)經(jīng)接口電路傳遞給給手機(jī)微處理器。解碼器根據(jù)編碼規(guī)范對待處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，分離出里面的地址碼并和本地地址進(jìn)行匹配，一致則將信息傳遞給顯示模塊。[1,2]

圖1 尋呼系統(tǒng)工作流程圖

3.2 手機(jī)嵌入無線尋呼模塊方案可行性分析

通信終端也向著集成化、智能化和多樣化發(fā)展。而當(dāng)新功能被應(yīng)用于移動(dòng)終端時(shí)，設(shè)計(jì)研發(fā)和生產(chǎn)制造的廠商們都要面臨一個(gè)問題：新功能所帶來成本的增加是多少？成本多少直接關(guān)系著新型終端的實(shí)用性和普及程度。如果成本過高的話，不僅消費(fèi)者不會買賬，連生產(chǎn)者也會望而卻步。所以，在手機(jī)中嵌入無線尋呼模塊，需對嵌入方案、成本和進(jìn)行綜合分析。

3.2.1 直接嵌入無線尋呼模塊

3.2.1.1 可行性分析

使用現(xiàn)有的無線尋呼芯片，通過嵌入式系統(tǒng)，整合入手機(jī)中，實(shí)現(xiàn)最為簡單，工作量最少。這種設(shè)計(jì)不需更改手機(jī)芯片設(shè)計(jì)，且手機(jī)電路均是基于多層PCB技術(shù)設(shè)計(jì)，常見的手機(jī)電路板有4～8層電路，供電電路、天線射頻電路和數(shù)據(jù)控制電路及數(shù)據(jù)接口均在其中。直接在手機(jī)電路中嵌入無線尋呼芯片，實(shí)現(xiàn)手機(jī)嵌入無線尋呼功能，僅需為芯片刻畫專門的天線射頻電路。

尋呼芯片的采用協(xié)議十分簡單，且現(xiàn)代的無線尋呼芯片中已集成編解碼電路和相應(yīng)的DSP模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，只需將其處理完成的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)绞謾C(jī)基帶，通過顯示設(shè)備輸出即可。

若使用無編解碼電路的無線尋呼射頻芯片，也可將無線尋呼芯片做完射頻信號數(shù)模轉(zhuǎn)化后的碼流，傳遞到手機(jī)基帶，通過手機(jī)的微處理器來進(jìn)行解碼，手機(jī)基帶也無需進(jìn)行更改，僅是通過軟件編程即可實(shí)現(xiàn)。

手機(jī)基帶作為手機(jī)信息綜合處理模塊，主要為射頻芯片提供時(shí)鐘同步、I/O輸入和輸出的接口、功能的控制接口，直接在手機(jī)中嵌入無線尋呼芯片，也可在使用基帶的時(shí)鐘為無線尋呼芯片提供時(shí)鐘同步，這樣僅需在手機(jī)中嵌入更小的無線尋呼射頻接收芯片即可。無論采用哪種方式，均是通過手機(jī)的基帶實(shí)現(xiàn)信息的顯示和功能的控制。

3.2.1.2 直接嵌入無線尋呼模塊對手機(jī)的影響

（1）對手機(jī)尺寸的影響

包含射頻電路、編譯編碼電路和本振晶振的無線尋呼芯片大小約為4mm×4mm，并且芯片的外圍電路也比較簡單。

在手機(jī)中增加無線電尋呼功能，除了嵌入尋呼芯片外，我們還需要為其提供時(shí)鐘同步、尋呼天線及天線相關(guān)的射頻器件。如果尋呼天線采用pifa天線的話，我們可以把尋呼天線安置在手機(jī)后殼或者手機(jī)的長軸的兩端，基本不會增加手機(jī)的尺寸。尋呼芯片功能簡單，天線相關(guān)的外圍電路相對手機(jī)天線的外圍電路也簡單很多，在現(xiàn)有電路板上有足夠的空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，不會影響手機(jī)尺寸。另外，尋呼的時(shí)鐘同步則由手機(jī)的基帶提供，在信息處理方面也可與手機(jī)很好的結(jié)合。

因此，當(dāng)手機(jī)嵌入無線電尋呼芯片后，手機(jī)尺寸最多增加無線尋呼芯片大小的尺寸；與目前市面上藍(lán)牙和Wi-Fi芯片的尺寸相比，對于手機(jī)尺寸影響不大。

（2）手機(jī)功耗變化

芯片尺寸變小帶來的不僅僅是設(shè)備體積的減小，更重要的是功耗的降低。由于現(xiàn)代電子制作工藝不斷改進(jìn)，從微米級發(fā)展到現(xiàn)在的納米級，單位元器件消耗的電量也在降低。

目前，電子器件均采用28nm工藝進(jìn)行激光刻蝕，典型的GSM/TD-SCDMA雙模射頻芯片的待機(jī)功耗約在2mA～3mA，而尋呼芯片的尺寸與GSM/TD-SCDMA雙模射頻芯片的尺寸相比不足十分之一，通過對典型例子所提供的數(shù)據(jù)，其待機(jī)功耗甚至在nA級，因此將其嵌入在手機(jī)電路中，對整機(jī)的待機(jī)功耗影響很小。

（3）手機(jī)成本變化

通過對手機(jī)直接嵌入無線電尋呼模塊方案的研究，我們知道手機(jī)要實(shí)現(xiàn)增加尋呼接收功能，需要增加的無線尋呼芯片及其外圍電路、尋呼天線等。其中，費(fèi)用最高的是尋呼芯片，其成本在10元左右，天線及其外圍電路在1元以內(nèi)。因此，手機(jī)增加無線電尋呼接收功能后，手機(jī)的成本需增加約11元左右。

通過對藍(lán)牙芯片價(jià)格的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙芯片在設(shè)計(jì)完成之初價(jià)格較高，每片價(jià)格在1美元左右。受制造技術(shù)發(fā)展、市場競爭等因素的影響，藍(lán)牙芯片價(jià)格逐漸開始下滑，直至現(xiàn)在，藍(lán)牙芯片的價(jià)格已在0.3美元左右。

因此，一個(gè)芯片從其開始出現(xiàn)到推廣應(yīng)用，其成本不是一成不變的，而是會逐漸下降的。相信無線尋呼芯片也是如此，隨著公共應(yīng)急通信需求的擴(kuò)大，單片無線尋呼芯片的成本將會呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.2.2 與手機(jī)通信芯片結(jié)合實(shí)現(xiàn)無線尋呼功能

3.2.2.1 電路分析

隨著科技的發(fā)展、市場的推動(dòng)，現(xiàn)有的手機(jī)已經(jīng)將Wi-Fi、藍(lán)牙、FM射頻電路集成在一個(gè)芯片上，這不但減小了附加芯片對尺寸的影響、降低了手機(jī)功耗、同時(shí)節(jié)約了芯片單獨(dú)封裝的成本。

通過手機(jī)直接嵌入無線尋呼芯片方案的分析，我們發(fā)現(xiàn)無線尋呼的很多功能都可通過手機(jī)基帶實(shí)現(xiàn)，僅需單獨(dú)為其配備一顆射頻芯片即可。而射頻芯片的電路十分簡單，若把這顆射頻芯片與手機(jī)其他通信芯片相結(jié)合，利用其他芯片的剩余空間即可將無線尋呼的射頻電路刻畫其中。這樣既節(jié)省了單獨(dú)硅片成本，又節(jié)省了芯片單獨(dú)封裝的成本，而且消除了芯片對手機(jī)尺寸的影響。

由于無線尋呼與手機(jī)FM功能相似，只需接收信號。若將無線尋呼電路集成到移動(dòng)通信或藍(lán)牙/Wi-Fi/FM模塊中，進(jìn)行封裝，把射頻處理部分進(jìn)行了整合；在基帶信息處理上，可完全省略專門的DSP處理器，通過位于手機(jī)基帶的CPU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。這種方案基于現(xiàn)有手機(jī)電路設(shè)計(jì)，對手機(jī)的改動(dòng)很小。

3.2.2.2 實(shí)現(xiàn)無線尋呼功能對手機(jī)的影響

這種方案對手機(jī)電路改動(dòng)較小，基本不會增加PCB板面積，不會影響手機(jī)尺寸。據(jù)調(diào)查，射頻芯片的成本組成大致由三部分組成，分別是電路激光刻蝕的工時(shí)成本、芯片整體封裝成本和芯片的原硅片成本。

由于無線尋呼的射頻電路十分簡單，因此，無論將其與現(xiàn)有移動(dòng)通信芯片結(jié)合還是與藍(lán)牙/Wi-Fi/FM芯片結(jié)合，對原硅片的尺寸改變很小，對比直接嵌入一整塊無線尋呼芯片，由于統(tǒng)一進(jìn)行電路激光刻蝕和封裝，本方案可以節(jié)省很大的工時(shí)成本，完全節(jié)省一塊無線尋呼芯片的原硅片成本和封裝成本。相對直接嵌入無線尋呼模塊對手機(jī)成本的影響11元，本方案可將成本控制在4元以內(nèi)。

可見，通過本方案實(shí)現(xiàn)的無線尋呼功能，對手機(jī)的成本影響不到整機(jī)的百分之一，對手機(jī)尺寸不會產(chǎn)生任何影響，功耗又微乎其微，是一種非常完美的解決方案。但由于芯片設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，無線尋呼又逐漸退出市場，尚無廠家對這種集成方式進(jìn)行研究。從頭開始研發(fā)需要一整套的研發(fā)流程，對時(shí)間和資金投入的消耗將會比較大。因此，從短期應(yīng)用角度考慮，在現(xiàn)有電路基礎(chǔ)直接嵌入無線尋呼模塊較易實(shí)現(xiàn)。但從應(yīng)用推廣的角度來看，集成芯片更利于推廣無線尋呼在應(yīng)急通信中的應(yīng)用。

4 結(jié)束語

雖然手機(jī)嵌入無線尋呼功能方案的可行性較高，但尚有很多問題亟待解決，如無線尋呼使用頻率、無線尋呼基站的架設(shè)方式、用戶編碼及保密工作和防止系統(tǒng)被惡意使用等課題都需要進(jìn)行科學(xué)的研究。

隨著公共應(yīng)急通信體系的研究與建設(shè)，以上問題都將一一解決，手機(jī)嵌入無線尋呼技術(shù)將成為抗震救災(zāi)、應(yīng)急指揮等突發(fā)工作中，更快速、更有效的信息發(fā)布手段。

[1] 夏君，秦義壽，吳金.一種尋呼機(jī)調(diào)頻中頻接收芯片設(shè)計(jì)[J].電子器件，24:2001(2):146-150

[2] 王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2010

[3] Si446x High-performance, low-current transceiver datasheet [DB]. Silicon Laboratories, 2012