（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统终端省电技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 t d s c d m a 由我国首次提出，被国际电信联盟i t u 正式批准接纳并成为3 g 三 大主流标准之一。目前t d s c d m a 已经实现商用，但是随着用户终端处理能力的 增强和提供功能的增多，用户关心的终端功耗问题已经成为t d s c d m a 发展的“瓶 颈”，这就严重影响了t d s c d m a 的商用化进程，也因此得到了业界的广泛关注。 所以，t d s c d m a 系统终端省电技术的研究，有着重大的技术意义和现实意义。 本文在分析移动终端功耗的基础上，分别从芯片级、模块级和系统级三个层 次对移动终端的省电机制进行了研究。结合t d s c d m a 系统本身的特点，对其在 功耗上的优势和现有的终端省电技术进行了深入的研究。基于上述分析研究找到 了两种适用于t d s c d m a 终端的省电方案，并对其进行了仿真验证。 第一种方案是基于非连续接收机制的省电设计。研究了非连续接收技术及其 在t d s c d m a 系统中的应用。分析了3 g p p 标准中的非连续接收方案，指出了方案 中的缺陷，并给出了改进方案。与3 g p p 标准中的非连续接收方案相比，该方案不 仅有效地改善了连接模式下终端的耗电量问题，而且能够根据实时状况对非连续 接收的周期进行动态配置。仿真表明，改进方案有效降低了耗电量，延长了待机 时间。 第二种方案是基于动态电压与频率调节的省电设计。对动态电压与频率调节 技术进行了深入的分析，针对t d s c d m a 系统的特点，给出了一种基于动态电压 与频率调节的t d s c d m a 终端省电方案。该方案在满足业务性能的前提下，降低 基带处理器的工作电压与时钟频率，从而大幅度地降低功耗。从理论上论述了该 方案的优越性。仿真结果表明，该方案在保证用户满意度的前提下，有效降低了 终端的耗电量，延长了待机时间。 最后，总结了全文，归纳了全文的重要创新点，并对未来的工作方向提出了 进一步的分析与展望。 关键词：t d s c d m a ，用户终端，省电，非连续接收，动态电压与频率调节 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) w a s f i r s tp r o p o s e db yc h i n a i th a sb e e na c c e p t e dt ob e c o m eo n eo ft h et h r e em a i n s t r e a m3 g s t a n d a r d sb yt h ei t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) t d - s c d m ai sn o w c o m m e r c i a l l ya v a i l a b l e h o w e v e r , 、衍t ht h ee n h a n c e dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t y o fu s e r e q u i p m e n ta n di t si n c r e a s i n gf u n c t i o n s ，t h ep o w e r - s a v i n gi s s u ec o n c e r n e db yu s e r sh a s b e c o m et h e ”b o t t l e n e c k ”o ft h ed e v e l o p m e n to ft d s c d m aa n dc a l ld i r e c t l ya f f e c tt h e c o m m e r c i a l i z a t i o np r o g r e s so ft d - s c d m a t h e r e f o r e ，t h ep o w e r s a v i n gi s s u ei s g e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nt h ei n d u s t r y t h er e s e a r c ho nt h ep o w e rs a v i n gf o r t d - s c d m at e r m i n a lh a sb o t hg r e a tt e c h n i c a la n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo nt h e d e v e l o p m e n to ft d - s c d m ai n d u s t r y b a s e do nt h er e s e a r c ho fp o w e rc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fu e ( u s e r e q u i p m e n t ) ，t h ep a p e rd e e p l ys t u d i e st h ep o w e rs a v i n gm e c h a n i s mf o rm o b i l et e r m i n a l s i nt h et h r e ea s p e c t so fc h i p - l e v e l ，m o d u l e l e v e la n ds y s t e m l e v e l c o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft d s c d m as y s t e m ，t h ep a p e rd e e p l ys t u d i e st h es t r e n g t h si np o w e r s a v i n ga n di t sk e yt e c h n o l o g i e s b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t w op o w e rs a v i n g p r o g r a m ss u i t e df o rt d - s c d m a t e r m i n a la r ep r o p o s e d , a n ds i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u t t h ef i r s t d e s i g no fp o w e rs a v i n gi s b a s e do nt h ed i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o n m e c h a n i s m t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o nt e c h n o l o g ya n di t s a p p l i c a t i o ni nt d - s c d m as y s t e m ，a n a l y z e st h ed i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o np r o g r a m i nt h e 3 g p ps t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n , p o i n t so u ti t sf l a w sa n dp r o p o s e sa l li m p r o v e dp r o g r a m r e l a t i v e l y ，t h ei m p r o v e dp r o g r a mn o to n l yi m p r o v e t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni n c o n n e c t e dm o d e ，b u ta l s od y n a m i c a l l yc o n f i g u r et h ec y c l eo fd i s c o n t i n u o u sr e c e p t i o n a c c o r d i n gt ot h er e a l - t i m es t a t u s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h ei m p r o v e dp r o g r a m c a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o na n de x t e n dt h es t a n d b yt i m e t h es e c o n dd e s i g no fp o w e rs a v i n gi sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fd y n a m i cv o l t a g e a n df r e q u e n c ys c a l i n g t h ep a p e rd e e p l ys t u d i e st h et e c h n o l o g yo fd y n a m i cv o l t a g ea n d f r e q u e n c ys c a l i n g c o m b i n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so ft d - s c d m as y s t e m , t h ep a p e r p r e s e n t sap o w e rs a v i n gp r o g r a mb a s e do nt h ed y n a m i cv o l t a g ea n df r e q u e n c ys c a l i n g t e c h n o l o g y o nt h ep r e m i s eo fm e e t i n gt h es e r v i c ep e r f o r m a n c e ，t h ep r o g r a mc a l lr e d u c e t h eo p e r a t i n gv o l t a g eo ft h eb a s e b a n dp r o c e s s o ra n dt h ec l o c kf r e q u e n c y ，t h u sg r e a t l y r e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n i nt h e o r y ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h es u p e r i o r i t yo ft h ep r o g r a m n 墅壑皇盔堂堡主笙奎 垒! 竺 _ - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ i - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ l - _ _ _ - _ - - i _ _ - - - _ _ _ _ l _ - _ _ _ - - _ - _ _ _ _ i _ - _ - _ l - l _ _ - i _ - _ _ - _ 。_ 。一一一 s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t , t h ei m p r o v e dp r o g r a mc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o n a n de x t e n dt h es t a n d b yt i m eo nt h e p r e m i s eo fc e 】纰a 瞰知m e r s a t i s f a e t i o n f i n a l l y ，w es u m m a r i z et h ef u l l - t e x ta n d t h ei m p o r t a n ti n n o v a t i o no ft h ep a p e r ，a n d p r o p o s e t h ef u r t h e ra n a l y s i sa n dp r o s p e c to fw o r k i n gd i r e c t i o ni nf u t u r e k e y w o r d s ：t d - s c d m a ，l i e ，p o w e rs a v i n g ，d r x ，d v f s h i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1t d s c d m a 系统的特点 2 0 0 0 年5 月，在土耳其伊斯坦布尔召开的世界无线电行政会议上，由大唐电 信( 信息产业部电信科学技术研究院) 代表中国提出的第三代移动通信标准 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 被国际电 信联盟i t u 正式批准接纳并成为3 g 三大主流标准之一。在3 g p p 内部，它也被称 为低码片速率t d di 作方式( 相对于3 8 4 m h z 的u t r a nt d d ) 。 l h 口、1 ”。， 赣鼻i赣# i + li i 子帧( 5 m s ) 1 子帻# 1子帧祀 l i 图1 1 物理信道子帧结构图 t d s c d m a 系统的物理信道采用4 层结构【1 】：系统帧号、无线帧、子帧、时 隙码，如图1 1 所示。在时域和码域上，系统使用时隙和扩频码来区分不同的用 户信号。一个无线帧长度为1 0 m s ，分为两个结构完全相同的子帧，每个子帧的长 度为5 m s ，个子帧又包括7 个常规时隙和3 个特殊时隙。7 个常规时隙用来承载 用户数据或者控制信息。其中，时隙0 总是被固定地用作下行来发送系统广播信 息，时隙l 总是被固定地用作上行，其它的常规时隙可以根据实际需要灵活地配 置成上行或者下行，以实现不对称业务的传输。3 个特殊时隙包括：下行导频时隙 ( d w p t s ，d o w n l i n kp i l o tt i m es l o t ) 、保护间隔( g p ，g u a r dp e r i d ) 、上行导频时 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 隙( u p p t s ，u p l i n kp i l o tt i m es l o t ) 。d w p t s 用来发送下行同步码，u p p t s 被u e 用来发送上行同步码，g p 用作上行同步过程中的传输时延保护。另外，每个5 m s 的子帧上有两个上下行转换点用于小区上下行时隙的配置【2 】【3 1 。 t d s c d m a 系统灵活地结合了t d m a 、f d m a 以及c d m a 三种基本的传输模 式，可以充分发挥各种模式的优越性。相比于其他主流的第三代移动通信系统标 准w c d m a 和c d m a2 0 0 0 ，t d s c d m a 使用了智能天线、联合检测、同步c d m a 和软件无线电等先进技术，所以在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力等方面具 有明显的优势，尤其适用于在大、中城市的人口密集区提供高密度大容量的话音、 数据和多媒体业务。 t d s c d m a 系统的特点主要表现如下【1 】【4 】： t d d 方式 t d 。s c d m a 系统工作在t d d 方式下。t d d 方式的优势在于可以根据业务的不 同类型来灵活地调整上、下行转换点。在进行话音和交互式实时数据业务等对称 业务时，可以选用对称的转换点位置；在进行互联网等非对称业务时，可以根据 业务量大小来自动调整上、下行转换点的位置，从而提高频谱利用率和业务容量。 另外，工作在t d d 方式下，系统可以使用各种零散的频率资源，无需使用成对的 频率，从而较好地解决了当前频率资源紧张的状况。相对于f d d 方式，t d d 设备 的成本较低。 智能天线技术 智能天线由一组天线阵和高速数字信号处理技术结合。在n o d e b ，运用波束赋 形技术为每一个码道提供一个波束，动态地跟踪用户终端并确定其位置，从而减 少了同信道干扰，提高了下行容量。同时，在接收端，智能天线通过空间选择性 分集，不仅大大提高了接收灵敏度，还将来自不同位置用户的同信道干扰降至最 低，提高了上行容量。 联合检测技术 t d s c d m a 系统是干扰受限系统。联合检测是一种“多用户干扰抑制技术， 它充分利用所有用户的信息，将一个时隙中传输的本小区和邻近小区的多个用户 的信息与多径信息一同来处理，精确地估计信道并将所有用户的信号都分离开来， 从而有效地降低了多址干扰。同时，t d s c d m a 系统采用低码片速率，有利于实 现同步及各种联合检测算法。 同步c d m a 技术 同步c d m a 是通过软件和物理层设计来使上行链接各个用户发出的信号到达 基站的时间保持同步，这样可以使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，从 而有效地降低了码间干扰，提高了系统容量。克服了异步c d m a 技术由于各个用 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 户终端发射的信号到达基站的时间不同，造成码道非正交而带来的干扰问题，从 而提高了系统容量和频谱利用率。同时也简化了硬件电路，降低了成本。 软件无线电 软件无线电是一种通过数字信号处理软件来灵活完成无线电设备中的硬件功 能的技术。软件无线电在系统升级方面有很大的便利，降低用户设备费用等。在 t d s c d m a 系统中，它可用来实现智能天线、同步检测等功能，适应性好。 1 1 2t d s c d m a 的用户终端 t d s c d m a 用户终端的硬件结构图如图1 2 所示【4 1 ，主要包括以下几个单元。 射师苗元 模拟中频单元 基带处理单元 | | 誉镰蔫季割掣，h ，竺 捌附卡癣鎏兰l i 广_ 一 图1 2 用户终端的硬件结构图 射频单元：主要包括发射机和接收机，它的典型构造是一种工作在2 g h z 频段的线性射频收发信机。其中，发射机将来自数模变换器的模拟信号进行q p s k 调制、变频至载波频率，再通过线性功率放大器放大到所需要的功率电平并发射 出去；而接收机是采用零中频或者接近零中频的技术，进行q p s k 解调，输出基 带模拟信号至模数变换器( a d c ) ；用一只温度补偿的压控振荡器作为本振参考源， 并由基带控制它的输出参考频率，实现频率跟踪。目前，射频单元已经实现了单 片集成，为一只专用芯片。 模拟中频单元：主要包括数模变换器( d a c ) 和模数变换器( a d c ) 等部 件。 基带处理单元：移动通信终端最主要的组成部分，即通常所说的专用芯片。 它的功能是完成用户终端所有的物理层处理，包括联合检测、调制解调、交织 解交织、编码译码等，还要负责高层信号处理，以及各种人机界面的接口。它主 要包括数字信号处理器( d s p ) 、存储器( m e m ) 、专用数字芯片( a s i c ) 和微处 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 理器( m c u ) 等部件。 其他电路：如电源管理单元( 特别是省电电路) 及屏幕、键盘等外围设备。 电源管理单元主要完成各个模块的电源管理。外围设备为用户和终端的接口界面。 在设计终端芯片时，要尽可能将所有的数字电路和模拟电路集成在一只芯片 中，即尽可能地增加集成度。这在理论上和工艺上都没有问题，但是实现起来比 较复杂，预计在未来几年内还将不断地进行完善和改进。 在设计终端基带芯片时还需要考虑以下几个问题： 模拟电路的集成问题 在模拟基带单元和省电电路中存在着一些模拟电路，如果将这些模拟电路都 集成到芯片内，整个终端的集成度就会高一些，有利于降低成本。但是，模拟电 路与数字电路在设计方法上不尽相同，因此必然会增加设计难度。 m c u 的处理能力 通常，终端中的m c u 是采用3 2 位的a r m 9 系列，工作在1 5 0 m h z 左右的主 频上。而3 g p p 标准对高层信令的复杂性和处理的实时性要求很高，这样一来， m c u 的处理能力在完成高层信令之后，再要求它去完成比较复杂的应用就很困难。 因此，在芯片中增加一个m c u 来处理各种应用是很有必要的，即采用两个a r m 9 系列的m c u 。 d s p 的处理能力 d s p 是通过软件编程的方式来实现物理层数字信号处理，即软件无线电。其 中，对接收信号的数字信号处理尤为复杂。通常，我们将它分为符号( s y m b 0 1 ) 级的处理算法和码片( c h i p ) 级的处理算法。符号级的处理算法主要是联合检测， 每子帧接收的数字取样必须在下一个子帧内恢复为接收数据；码片级的处理算法 主要是完成纠错、解交织等，在每个交织周期内完成，交织周期为l o 、2 0 、4 0 或 者8 0 m s 。般情况下，采用两个d s p 分别进行符号级和码片级的处理。 a s i c t d s c d m a 的终端芯片会使用多个a s i c ，用来完成各项固定而复杂的任务， 如矩阵运算、自适应均衡运算、维特比译码和t u r b o 译码等。这些a s i c 的嵌入不 仅加快了处理速度，还降低了对d s p 处理能力的要求。 芯片尺寸 芯片尺寸主要取决于制造工艺和内置存储器的尺寸。制造工艺主要就是集成 度的问题，很显然集成度越高，就越具有市场竞争力。内置存储器主要用来存储 程序，存储运算中的数据和处理结果，对输入数据进行缓存等。这些存储器约占 芯片总面积的一半以上。 综上所述，现有t d s c d m a 用户终端的专用芯片都包括两个a r m 9 系列的 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 m c u 、两个d s p 、多个a s i c 。此外，支持t d s c d m a 和g s m 双模工作的终端 需要具备两套独立的模拟基带a b b 电路来支持两套不同的工作频率、双工方式。 1 2 研究意义 用户终端是移动通信系统的重要组成部分，它是移动通信系统与用户之间的 “接口，用户对移动通信系统的感受是通过终端来体验的。我们在综合评价终 端的整体性能时，不仅要考虑业务功能的支持能力，还要关注终端的总体性能。 其中，终端的耗电性能是评价其总体性能的一项重要指标，也是业界非常关注的 问题。相对2 g 终端，t d s c d m a 终端除了支持传统的语音通话、短信业务以外， 还支持高速率的数据下载和视频电话等丰富的多媒体业务，为此增加了物理层数 字信号和高层协议栈软件的处理难度，也大大增加了终端省电的处理难度。 随着手机性能的不断提升及小型轻量化的发展趋势，目前t d s c d m a 终端配 备的电池以锂离子电池为主，因为它的能量密度比较高并且可以充电。大部分的 尺寸为5 0 x 4 0 5 r a m ，容量为9 0 0 1 2 0 0 m a h 。电池的能量密度即单位重量的电池 所含的能量( 瓦时千克) ，它是手机电池的关键指标之一。目前的锂电池能量密 度约为1 2 0 1 4 0 瓦时千克。一方面，随着电池技术的不断发展，电池的能量密度 也不断提高，但其增长的速度比较缓慢，预计每年的增长速度都小于1 0 。另一 方面，随着用户终端处理能力的增强和提供功能的增多，手机的耗电量以每年3 0 的速度增加，但电池技术的发展速度远远落后于终端的通信技术，并且两者之间 的差距将以每年2 0 3 0 的速度进一步拉大。因此，深入开展终端的省电技术 具有很大的现实意义。 随着t d s c d m a 终端处理能力的迅速增强和提供功能的迅速增多，用户关心 的终端功耗问题已经成为t d s c d m a 发展的“瓶颈”，这就严重影响了t d s c d m a 的商用化进程，也因此得到了业界的广泛关注1 5 j 。所以，t d s c d m a 系统终端省 电技术的研究，有着重大的技术意义和现实意义。 1 3 本文的主要工作及论文结构 1 3 1 本文的主要工作 本课题来源于重庆市发改委高技术产业技术开发的项目：t d 为主的大3 g 产 业链关键环节技术研发项目。作者在项目组里主要负责t d s c d m a 终端省电技术 的研究。基于项目支持，本人对t d s c d m a 系统终端的省电技术进行了两年的研 究，公开发表论文三篇，另有一篇论文录用待发。本文所做的工作主要包括： 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 在分析移动终端功耗的基础上，从芯片级、模块级和系统级三个方面对移 动终端的省电机制进行了研究。结合t d s c d m a 系统本身的特点，对其在功耗上 的优势和现有的终端省电技术进行了深入的研究。 给出了一种基于非连续接收机制的t d s c d m a 终端省电设计。研究了非 连续接收技术及其在t d s c d m a 系统中的应用。分析了3 g p p 标准中的非连续接 收方案，指出了方案中的缺陷，并提出了改进方案。该方案不仅有效改善了连接 模式下终端的耗电量问题，而且可以根据实时状况对非连续接收的周期进行动态 配置。 给出了种基于动态电压与频率调节的t d s c d m a 终端省电设计。对动 态电压与频率调节技术进行了深入的分析，针对t d s c d m a 系统的特点，提出了 一种基于动态电压与频率调节的t d s c d m a 终端省电方案。该方案在满足业务性 能的前提下，降低基带处理器的工作电压与时钟频率，从而大幅度地降低功耗。 对给出的两种省电方案进行了仿真分析。仿真表明，两种方案在满足用户 满意度的前提下，有效降低了终端的功耗，延长了待机时间。 1 3 2 论文结构 本文采用理论分析与仿真相结合的方法对上述问题进行了研究。全文共分6 章，其中第3 章、第4 章和第5 章是本文的重点章节，是作者在硕士研究生阶段所做 工作的总结。 第1 章，介绍了本文的研究背景，概述了t d s c d m a 系统的特点和用户终端的 结构，阐述了本文的研究意义。 第2 章，分析了c m o s 电路的功耗，分别从芯片级、模块级、系统级三个方面 对移动终端的省电技术进行了研究。 第3 章，分析了3 g 终端的功耗，结合t d s c d m a 系统本身的特点，对 t d s c d m a 系统终端在功耗上的优势及其关键技术进行了深入的研究。 第4 章，给出了一种基于非连续接收机制的t d s c d m a 终端省电设计。研究了 非连续接收技术及其在t d s c d m a 系统中的应用。分析t 3 g p p 标准中的非连续接 收方案，指出了方案中的缺陷，并提出了改进方案。仿真结果表明，与3 g p p 标准 中的非连续接收方案相比，该方案不仅改善了连接模式下终端的耗电量问题，而 且能够根据实时状况对非连续接收的周期进行动态配置，有效降低了耗电量，延 长了待机时间。 第5 章，给出了一种基于动态电压与频率调节的t d s c d m a 终端省电设计。对 动态电压与频率调节技术进行了深入的分析，针对t d s c d m a 系统的特点，提出 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 了一种基于动态电压与频率调节的t d s c d m a 终端省电方案。该方案在满足业务 性能的前提下，降低基带处理器的工作电压与时钟频率，从而大幅度地降低功耗。 仿真结果表明，该方案在保证用户满意度的前提下，有效降低了终端的耗电量， 延长了待机时间。 第6 章，总结了全文，归纳了全文的重要创新点，并对未来的工作方向提出了 进一步的分析与展望。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章移动终端的省电技术 第二章移动终端的省电技术 本章首先分析了c m o s 电路的功耗，然后分别从芯片级、模块级和系统级三 个层次对移动终端的省电机制进行了研究。 2 1c m o s 电路的功耗 由于c m o s 电路本身低功耗、低成本及工艺简单的特点，目前绝大部分的超 大规模和大规模的集成电路都是用c m o s 工艺生产的。c m o s 芯片的功耗可以分 为动态功率消耗和静态功率消耗。 动态功率消耗：包括c m o s 电路本身的功耗和c m o s 电路驱动负载时的功耗。 其中，c m o s 电路本身的功耗是构成c m o s 电路的元器件的功耗，c m o s 电路驱 动负载时的功耗是驱动外面的负载时产生的功耗。 v o 图2 1c m o s 电路本身的功耗 在电路翻转期间，当输入电压巧满足( 曲) c 1l - i - j ( b ) 时钟门控 出 图2 3 时钟门控技术 由前面的分析可知，c m o s 电路的动态功率消耗与时钟频率成正比。因此， 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端的省电技术 运用时钟门控技术关闭不必要的模块和外部时钟，不仅省去了该模块的功耗，还 省去了时钟信号线上电路翻转引起的功耗。如图2 3 所示，当使能信号有效时，时 钟才能到达电路内部。 状态机优化 在状态机满足功能的前提下，可以通过合理划分和高效重组的方法来优化状 态机，可以大大地降低功耗。其基本思想是尽可能地降低不同子状态之间信号线 的翻转率。 逻辑编码 设计者对编码方式有很大的自由度，因此可以通过优化编码的方式来减少电 路翻转率，从而降低功耗。 2 2 3 系统级的省电技术 系统划分 在系统设计中，将整个系统按照具体的功能和运用划分成几个专用模块，这 样既可以保证复杂的运算都集中在某个模块内部，而内部负载电容要远小于外部 负载电容，又可以减少不必要的数据复制、搬移，从而达到降低功耗的目的。 处理器的选择 通用处理器的灵活性高，一般通过编程可以实现所有类型的应用。但是它需 要在通用链路上执行指令、编码和不断的存取数据，这些都导致处理时间的增长 和功耗的增加；而专用处理器是通过专用的集成电路来处理复杂的运算，它是以 优化系统的性价比为目标。一般情况下，经过优化的通用处理器的功耗为 1 一i o m w m i p ，而经过优化的专用处理器的功耗都小于o 1 r o w m e y o 相对来说， 专用处理器的灵活性不够好，一旦设计好就没法改变。 存储器管理 存储器的管理对系统的整体功耗也有很大的影响【8 】。一方面，减少存储器的读 取次数，可以降低功耗。另一方面，存储器的划分也可以降低功耗。比如，通过 关闭不必要的子存储器，既满足系统要求，又大大降低了功耗。 软件代码和算法的优化 从存储器读取指令和存取数据将消耗大部分功耗，通过优化软件代码可以改 变机器指令的顺序，从而降低总线的翻转率以达到降低功耗的目的。同时，软件 代码的密度越高，完成同一功能所需要的时间就会越短，这对性能和功耗都有很 大的改善。研究表明，通过优化软件代码和算法的方法不仅可以降低总线上的翻 转率，还可以有效降低对存储器的访问量。 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动终端的省电技术 2 3 本章小结 首先分析了c m o s 电路的功耗，然后分别从芯片级、模块级、系统级三个层次 对移动终端的省电技术进行了研究。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章t d s c d m a 终端省电技术的研究 第三章t d s c d m a 终端省电技术的研究 本章首先分析了3 g 终端的功耗及其在功耗上的优势，然后对现有的 t d s c d m a 终端省电的关键技术进行了深入的研究。 3 13 g 终端的功耗 3 1 13 g 终端耗电性能 与2 g 终端相比，3 g 终端的耗电性能主要有以下三个特点： 3 g 终端耗电量普遍高于2 g 终端 一方面，3 g 的c d m a 技术比较复杂、基带数据处理量大、射频功率放大器的 线性度要求高，这些特点都导致3 g 终端的耗电量相对增加。 另一方面，3 g 终端为了提供更好的多媒体业务和通信服务质量，终端一般都 是具备尺寸较大的彩色显示屏、高位和弦乐的扬声器、高分辨率摄像头、高质量 图像，这些高品质的器件在提升通信服务质量的同时也大大增加了用户终端能耗。 3 g 终端的耗电水平提升空间大 在相同的网络环境下，不同的3 g 终端耗电水平不同。松下公司在2 0 0 1 年1 0 月 推出的第一款商用w c d m a 终端的电池容量为1 0 0 0 m a h ，通话时间不足2 d , 时静态 待机时间只有5 5 d , 时。该公司在2 0 0 4 年下半年以后推出的3 g 手机的待机时间和通 话时间都达到了现阶段2 g 手机的水平。这些充分表明3 g 终端的耗电水平还有很大 的提升空间。 不同业务的耗电量不同 3 g 终端除了支持传统的语音业务外，还支持视频电话、无线高速下载( 包括 6 4 k b i t s 和3 8 4 k b i t s 的数据业务) 等多媒体业务。由于终端在处理速度和工作单 元上的差异，不同业务的耗电量不同。业务越复杂，运行时间越长，耗电量也就 越大。 3 1 2 影响3 g 终端耗电水平的主要因素 3 g 终端的耗电水平首先取决于终端本身的内在因素。同时，还跟网络环境等 相关的外在因素有关，这也是为什么标称的待机时间和通话时间后面要标注“取 决于实际网络环境 【9 】。 重庆邮电大学硕士论文第三章t d s c d m a 终端省电技术的研究 a ) 终端内在因素 影响3 g 终端耗电水平的内在因素包括以下几个方面： 基带处理芯片的耗电量 基带处理芯片是用户终端主要的耗电单元之一。在相同的半导体制造工艺水 平下，基带数据处理量越大，芯片结构越复杂，基带处理芯片耗电量就越大。 射频芯片的耗电量 射频芯片是用户终端另一个主要耗电单元。终端的发射功率越大，终端的耗 电量就越大。不同的调制解调方式需要不同的射频功率放大器，而射频功率放大 器的功放效率很大程度上影响着终端的耗电量。 外围器件的耗电量 终端显示屏的尺寸、背光灯亮度、扬声器类型、摄像头分辨率、键盘灯强度 等因素也影响着终端的耗电量。 电源管理方案和省电优化措施 终端的电源管理功能和省电优化措施对终端的耗电性能有很大的影响。高效 的电源管理方案不仅能够保证终端正常工作，又能有效降低终端各耗电单元的能 耗，如关闭不必要的耗电单元和器件。 电池性能 很明显，电池的能量密度越高，电池容量越大，待机时间和通话时间也就会 越长。但是，受电池制造工艺的影响，电池容量与电池尺寸之间相互制约，因此 终端的电池容量总是控制在一定范围之内。 b ) 和网络环境相关的外在因素 无线网络质量 无线网络质量是指信号强度、网络覆盖情况、基站交叠覆盖区域的信号稳定 性等因素。这些因素的不稳定，就会造成终端频繁地进行网络系统捕获，则必然 会增加终端的耗电量。 终端的移动情况 终端的频繁的移动可能会造成终端需要频繁地进行小区重选、位置更新、切 换等操作，所以终端移动的越频繁就越容易耗电。当然，如果终端是在一个小区 覆盖的区域内移动，则不会影响功耗。 网络参数值的设置 如各种登记计时器、d r x 参数( w c d m a 和t d s c d m a 系统) 等。d r x 参数 决定了终端在空闲模式下醒来监听寻呼信道消息的时间间隔。时间间隔越大，那 么终端醒来的次数就越少，则终端的待机时间就会越长。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章t d s c d m a 终端省电技术的研究 3 2t d s c d m a 终端在功耗上的优势 3 2 1 相对比2 g 终端在功耗上的优势 下面以g s m 终端为例，来比较说明t d s c d m a 终端在功耗上的优势。 首先，在t d s c d m a 标准中，终端的最大发射功率为2 4 d b m ，即0 2 5 w ；在 g s m 标准中，终端的最大发射功率为3 3 d b m ，即2 w 。t d s c d m a 系统采用了 c d m a 技术，可以实现实时的( 5 m s 次) 功率控制以达到降低功耗的目的l l o j 。而 g s m 系统采用t d m a 技术，对功率控制的依赖性很低。而t d s c d m a 终端在实际 工作过程中的平均发射功率远小于最大发射功率，同样远小于g s m 终端的平均发 射功率。 其次，相对与g s m 系统来说，t d s c d m a 具备更大的系统容量和更小功率要 求，采用q p s k 的调制方式，这些特点决定了它必须采用线性功率放大器来减少对 其他用户的干扰，而线性功率放大器的效率一般都低于4 0 。g s m 系统采用g m s k 的调制方式，决定了它可以使用非线性功率放大器，非线性功率放大器的效率一 般都高于6 0 。因此，即便t d s c d m a 终端的发射功率要小于g s m 终端，但是 受功放效率的影响，它的功耗优势也没有理论分析的那么明显。 此外，与t d s c d m a 系统一样，g s m 系统也工作在t d d 模式下，其无线信号 的接收和发送是在不同的时隙里进行的，因此，g s m 系统和t d s c d m a 系统一样， 可以仅在需要接收发送有用信号的时隙打开相应的电路，在其它空闲时隙完全关 闭相应的电路，这就有效降低了射频单元的平均功耗。 3 2 2 相对比其他3 g 终端在功耗上的优势 下面以w c d m a 终端为例，来比较说明t d s c d m a 终端在功耗上的优势。 同样作为3 g 标准的w c d m a 系统和t d s c d m a 系统一样都使用了c d m a 的多址方式，因此二者在系统结构和性能上有很多的相似点，但是在终端功耗上 仍存在很大的差异。 首先，t d s c d m a 系统工作在t d d 模式下，用户终端用部分时隙来发送接收 信号。一方面，因为t d s c d m a 系统是一个干扰受限系统，它的系统容量主要取 决于系统内其他用户的多址干扰，所以在相同的干扰下，t d s c d m a 终端的发射 功率要明显小于工作在f d d 模式下的w c d m a 终端。另一方面，在理想情况下， 若t d s c d m a 用户终端仅用帧结构中七个常规时隙中的一个时隙发射信号，那么 在发射相同信号功率时t d d 的平均发射功率是f d d 的1 7 ，比f d d 模式下少8 d b 。 其次，t d s c d m a 系统运用智能天线技术，这不仅增大了基站的天线增益， 1 5 重庆邮电大学硕士论文第三章t d s c d m a 终端省电技术的研究 也提高了基站的接受灵敏度。相应地，t d s c d m a 终端的发射功率要比w c d m a 终端低9 d b ，也就是说，t d s c d m a 终端的发射功率是w c d m a 终端的1 8 。 再次，t d d 的上下行链接工作在同一频率上，无线收发特性几乎相同，而f d d 的收发频率相差4 5 m h z ，远超过信道的相干带宽，其正向无线链路和反向无线链 路的多径衰落彼此不相干，即移动台在正向信道上测得的特性不等于反向信道上 的特性，因此f d d 在计算路径损耗时，明显没有t d d 快速方便。 综上所述，工作在t d d 模式下的t d s c d m a 系统终端相比于工作在f d d 模式 下的w c d m a 系统终端，在功率消耗上有很大的优势。 3 3t d s c d m a 终端省电的关键技术 3 3 1 射频单元的动态功耗管理 t d s c d m a 系统工作在t d d 模式下，用户终端仅用部分时隙以很小的占空 比来传递信号能量。在理想情况下，用户终端仅用一个业务时隙来发射信号l l l j 。 那么发射相同功率的信号，t d d 系统的平均发射功率是f d d 系统的1 7 。 如图3 1 所示，t d s c d m a 的每一子帧长度为5 m s ，r xo n 为接收机的控 制信号，t xo n 为发射机的控制信号。t d s c d m a 系统仅在需要接收发送有用 信号的时隙打开相应的电路，在其它空闲时隙完全关闭相应的电路，这就有效降 低了射频单元的平均功耗。同时，对射频收发信机的动态功耗管理不仅有效地降 低了功耗，还对杂散度、灵敏度等射频指标有一定的改善。 1 2 8 m c p s r xo n 渊 上丁tt1lr上 1lr 1lr ttt上土 1lr土ttt上上土 重庆邮电大学硕士论文第三章t d s c d m a 终端省电技术的研究 3 3 2 动态调整功放的供电电压 功放的供电电压是由基带处理芯片通过数模转换器控制的。由于发射功率与 它要求的最低输出电压是一一对应的，因此基带处理器可以通过“查询表来快 速调整功放的供电电压【1 。如表3 1 所示，输出功率较低时，可以适当地降低供电 电压，这样不仅减小了功放的电流，而且减小了功放的平均功耗，显著提高了功 放的平均效率，延长了手机的通话时间。 表3 1 传统的直接供电方式与电压可调方式的功耗对比 传统的直接供电方式电压可调的方式对比 输入电输出电发射功电流输出电发射功电流电流节省功率节 压( 1 i )压( y )率( d b m )( m a )压( 1 i )率( d b m )( m a )( m a