TD-SCDMA終端的低功耗研究及設計-新品速遞

精品文檔-下載后可編輯TD-SCDMA終端的低功耗研究及設計-新品速遞移動終端的待機時間一直是業(yè)界關注的焦點問題之一。相對于2G系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)在提供更高的頻譜利用率、更高的數(shù)據(jù)速率、更豐富多彩的多媒體業(yè)務的同時[1]，其終端的功耗問題也更為嚴峻：復雜的基帶數(shù)據(jù)處理、功放線性引入的低電源效率、多媒體應用所引入的音視頻處理等，都使TD-SCDMA終端功耗問題變得更加棘手。TD-SCDMA終端的功耗受到無線環(huán)境、網(wǎng)絡配置、協(xié)議?？刂埔约敖K端軟硬件方案、電源管理、芯片本身的低功耗設計及其工藝特性等諸多因素的影響，其中起決定性作用的則是終端本身的省電技術(shù)。正是基于這種現(xiàn)實，本文結(jié)合TD-SCDMA系統(tǒng)及終端的技術(shù)特性，深入研究并實現(xiàn)了TD-SCDMlA終端在待機模式下的低功耗關鍵技術(shù)，這對于推動TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大的技術(shù)意義和現(xiàn)實意義。

1TD-SCDMA系統(tǒng)中的協(xié)議棧狀態(tài)及省電設計方案

1.1RRC子層的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

TD-SCDMA系統(tǒng)中的RRC子層位于協(xié)議棧的第三層，屬于接入層，主要完成無線資源的控制和管理等功能。終端側(cè)的RRC層主要完成的功能有小區(qū)選擇、小區(qū)重選、接收廣播系統(tǒng)信息、尋呼指示、建立，維護和釋放RRC連接、無線接入承載的建立、重配置和釋放UE測量等。RRC有兩個基本模式：空閑模式和連接模式。連接模式又可進一步分為CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH幾種狀態(tài)[2]。

RRC的連接模式和空閑模式間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖1。

連接模式下，當RRC狀態(tài)為CELL_PCH和URA_PCH時，終端仍可支持類似于空閑模式下的較低功耗。如果終端開機后駐留在UTRAN小區(qū)上，則終端在空閑模式下建立RRC連接，從而進入連接狀態(tài)(CELL_DCH或者CELL_FACH)，進入連接模式的終端可以在不同的連接狀態(tài)之間遷移。處于連接模式的終端可以通過釋放RRC連接回到空閑模式。

當已經(jīng)注冊上某個小區(qū)且終端處于空閑模式下，終端可以使用非連續(xù)接收DRX(DiscontinuousReception)操作，這意味著在每個DRX周期終端只需要監(jiān)聽與尋呼相關的信息塊，其他時間段不需要監(jiān)聽尋呼，從而達到省電的目的。RRC需要從系統(tǒng)信息中獲得DRX的相關參數(shù)，并計算DRX周期，將其通知L1C。

RRC協(xié)議層在實現(xiàn)中主要從以下兩個方面降低終端的功耗：

(1)計算尋呼消息的非連續(xù)性接收相關參數(shù)并將參數(shù)提供給物理層。

(2)優(yōu)化空閑模式下的過程，減少不必要的過程以降低功耗。

1.2非連續(xù)接收(DRX)及相關參數(shù)的計算

TD-SCDMA空閑模式下的DRX周期取決于參數(shù)PBP，其值可以為0.08s、0.16s、0.32s、0.64s、1.28s、2.56s或5.12s，在CELL_PCH或URA_PCH模式下，DRX周期可以為0.64s、1.28s、2.56s或5.12s。在PS應用中，DRX周期可以由網(wǎng)絡和終端共同商議決定[2][3]。

DRX相關參數(shù)(如DRX周期、尋呼時段、尋呼消息位置等)的計算可參考文獻[3]。圖2表明了在一個DRX周期內(nèi)，終端在僅需要監(jiān)聽尋呼喚醒并處于工作狀態(tài)，而其他大部分時間里都可以關閉系統(tǒng)參考時鐘進入深度睡眠狀態(tài)。

由于TD-SCDMA是一個同步系統(tǒng)，所以終端醒來后必須再次與基站同步并且準確確定終端與基站之間的時間相對關系。當終端睡眠時，系統(tǒng)由低頻的32kHz時鐘來產(chǎn)生各種需要的時序和定時，設睡眠前計數(shù)器值為N10，睡眠后計數(shù)器值為N2，則醒來后的真正相對時間點應當為N1+(N2-N1)×312.5。由于32kHz晶體本身的精度有誤差(通常為±20ppm／+50ppm)，且其頻率隨溫度變化而變化(約-0.044ppm／°C2)，因此必須通過時間校準來補償因低頻時鐘代替高頻時鐘產(chǎn)生的定時誤差。

1.3TD-SCDMA終端進入睡眠過程的軟件設計

TD-SCDMA終端的整個睡眠進入和睡眠喚醒的過程及系統(tǒng)時鐘的開關都是在ARM控制下進行，終端進入睡眠的基本流程可以概括為：

(1)判斷L1C是否為空閑狀態(tài)。

(2)L1C調(diào)度空閑狀態(tài)下的任務(包括接收BCH、PICH／PCH和測量)。如果所有這些任務在下一DRX周期前都已完成，則L1C計算出睡眠時間并同時通知ModemIC進入睡眠。同時，L1C把計算出的睡眠時間告知ARM中的DPWS。當ARM中無任何任務需要處理時(如UART、鍵盤操作等)，ARM中操作系統(tǒng)RTK的后臺任務使ARM準備進入睡眠狀態(tài)。

(3)ModemIC調(diào)用自己的睡眠過程進入睡眠，并設置其睡眠指示信號。

(4)當ARM檢測到ModemIC已經(jīng)睡眠后，ARM進入睡眠狀態(tài)。

至此，整個系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)以32kHz的低頻時鐘工作，對ARM和ModemIC內(nèi)部的睡眠定時器計數(shù)，直至系統(tǒng)被喚醒。

1.4TD-SCDMA終端喚醒過程的軟件設計

終端的喚醒過程由ARM控制。當ARM睡眠定時器到時(正常喚醒)或ARM檢測到來自外部的中斷(提前喚醒)時，ARM首先自動喚醒，然后通過中斷方式去喚醒ModemIC?？紤]到外部參考時鐘VCXO及ARM和Mo-demIC內(nèi)部PLL的穩(wěn)定時間，在系統(tǒng)真正喚醒前應提前打開相關電路，以保證系統(tǒng)喚醒時有穩(wěn)定的可用時鐘。相關的喚醒時序可以通過ARM和ModemIC的睡眠喚醒定時器通過可編程方式產(chǎn)生。

系統(tǒng)喚醒后，ModemIC根據(jù)TBU中的值計算實際睡眠時間，并將實際睡眠時間上報給L1C，L1C據(jù)此重新調(diào)整幀號。同時終端需要重新與基站同步，根據(jù)同步偏差值決定是否需要重新進行時間校準(若時間漂移大于同步窗口則需要重新校準)。

當終端檢測到外部中斷時(如按鍵)，ARM將發(fā)起提起喚醒過程：ARM首先醒來，然后通過ARMIF中斷方式喚醒ModemIC，其流程與正常喚醒類似，只不過此時計數(shù)器未記到0，喚醒后ARM將讀取實際睡眠時間。

1.5空閑模式下的過程優(yōu)化算法

RRC在空閑模式下完成的主要功能包括小區(qū)選擇、小區(qū)重選、PLMN搜索、HPLMN選擇以及尋呼接收等。在小區(qū)選擇和小區(qū)重選的過程中，終端可能進入失去覆蓋的區(qū)域，此時終端無法駐留在一個合適小區(qū)或者可接受小區(qū)上，按照協(xié)議的要求應該繼續(xù)搜索直到找到一個可以駐留的小區(qū)為止。但是從電源消耗的角度看，在沒有網(wǎng)絡的情況下，這種連續(xù)搜索的做法不僅耗電而且沒有必要。所以應該有一種機制來避免這種情況的發(fā)生。

當小區(qū)選擇／重選的過程不能找到任何可駐留的小區(qū)時，終端應該間歇地進行小區(qū)搜索，即每間隔一段時間搜索，而非連續(xù)地搜索，并且遵循以下原則：失去覆蓋的時間越長，則認為下次搜索成功的幾率越小，接下來的搜索間隔應該更大。

以上算法在RRC模塊實現(xiàn)。RRC需要為此定義一套計算時間間隔的算法并設置一個定時器，以對搜索間隔時間進行記錄。

計算搜索時間間隔的算法簡單描述如下：

以a、b、c代表小區(qū)選擇次數(shù)的門限值；

以A、B、C、D代表下次小區(qū)選擇開始前需要等待的時間，其中DCBA0；

以X表示小區(qū)選擇的次數(shù)，X的初始值為0。以T表示每次小區(qū)選擇前需要等待的時間。每次小區(qū)搜索后，X的值增加l，即X=X+1；

若X的取值在0到a之間，則每次小區(qū)選擇之前需要等待的時間長度為A，即T=A；

若X的取值在a到b之間，則每次小區(qū)選擇之前需要等待的時間長度為B，即T=B；

若X的取值在b到c之間，則每次小區(qū)選擇之前需要等待的時間長度為C，即T=C；

若X的取值大于c，則每次小區(qū)選擇之前需要等待的時間長度為D，即T=D；

其中a、b、c，以及A、B、C、D的取值根據(jù)實際仿真結(jié)果設定。

2TD-SCDMA終端待機時的功耗實測結(jié)果及分析

終端的待機時長可以直接測量，即直接記錄終端維持在空閑狀態(tài)或通話狀態(tài)的持續(xù)時間。直接測量方法簡單，對測試儀表要求較低，測試結(jié)果直觀，能夠反映終端整機(包括電池)的耗電性能；缺點是對不同終端的耗電性能差異不便深入分析，而且比較費時費力。

更為有效的方法是通過測量終端待機時的耗電電流，并根據(jù)終端電池的標稱容量折算出待機時長，即間接測量。測試耗電電流的優(yōu)點在于，可以排除終端電池性能本身的影響，能夠從耗電電流大小和電流變化來反映終端的耗電性能；更有利于深入分析不同終端耗電性能產(chǎn)生差異的原因。

由第三代移動通信技術(shù)試驗組制定的TD-SCDMA終端規(guī)范中，對終端耗電性能的測試標準采用間接測量法[4]。

用Agilent66319B高精度快速響應直流電源測得的平均待機電流如圖3所示。

當DRX=5.12s時，TD-SCDMA終端的平均待機電流為2.762mA，睡眠電流為0.767mA。若電池容量以1000mAh計算，則該終端的理論待機時間為1000／2.762=362.3小時，即在全天開機的情況下可待機15天