移動(dòng)通信移動(dòng)通信的省電設(shè)計(jì)

移動(dòng)通信移動(dòng)通信的省電設(shè)計(jì)

1連續(xù)工作時(shí)間移動(dòng)通信設(shè)備主要用于野外環(huán)境。一般來說，能源和其他基礎(chǔ)設(shè)施是不足的。當(dāng)電池時(shí)間發(fā)生時(shí)，由于一定的連續(xù)工作時(shí)間，它主要是由于傳輸、接收和備份狀態(tài)下的負(fù)荷。手持設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間一般定義為Tx:Tr:Ts=1:1:8(Tx、Tr、Ts分別為發(fā)射、接收和待機(jī)時(shí)間)情況下單個(gè)電池供電的工作時(shí)間,除了降低接收發(fā)射工作狀態(tài)下的功耗,更重要的是降低時(shí)間占比為80%的待機(jī)狀態(tài)下的功耗。本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度降低收發(fā)工作狀態(tài)下的功耗,從軟硬件優(yōu)化的方向降低設(shè)備的待機(jī)功耗。2系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型本文研究的手持設(shè)備工作在超短波頻段,采用有中心的入網(wǎng)方式工作,雙工方式為TDD,多址方式為TDMA。其協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)議主要包含L1(物理層)、L2(鏈路層)和L3(網(wǎng)絡(luò)層),由于帶寬較窄,其主要業(yè)務(wù)為話音和電路數(shù)據(jù),均為電路域業(yè)務(wù)。MAC之上分為用戶面和業(yè)務(wù)面,便于將業(yè)務(wù)實(shí)體和控制實(shí)體分開實(shí)現(xiàn)、分別控制,更好地利用各種無線信道。同時(shí)針對不同的控制需求,可以采用不同的控制策略,更好地實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)功能。其中控制面采用了無線資源管理和邏輯鏈路控制兩個(gè)功能實(shí)體,提供對無線信道的實(shí)時(shí)管理和多種鏈路控制策略,適應(yīng)傳輸實(shí)時(shí)性要求的同時(shí),保證控制信令的QoS;而用戶面則直接和MAC層連接,提供電路域業(yè)務(wù),減少內(nèi)部控制流程,控制業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延,降低處理功耗。3手臺(tái)省電設(shè)計(jì)3.1協(xié)議體系的優(yōu)化分別在發(fā)射、接收和待機(jī)三種狀態(tài)下對協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化,如表1所示。3.2芯片等設(shè)計(jì)材料設(shè)備的硬件框圖如圖2所示,主要包括CPU、DSP、FPGA等3個(gè)部分,負(fù)責(zé)處理算法、協(xié)議和應(yīng)用。PM為整機(jī)提供電源管理,HMI包括鍵盤和顯示等人機(jī)接口部件,EXT則預(yù)留給SIM卡等擴(kuò)展接口。主要硬件均支持動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)技術(shù)的應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理提供了保證。(1)CPU的選擇PXA320是一款用于高性能、低功耗便攜手持設(shè)備的CPU微處理器。它將XSCALE架構(gòu)、工作電壓和主頻動(dòng)態(tài)調(diào)整、復(fù)雜的功率管理等一體化設(shè)計(jì),可在寬工作頻率范圍內(nèi)提供領(lǐng)先的mW/MIPS性能,其待機(jī)功耗控制在5mA以下。(2)DSP的選擇TI公司高性能、低功耗的定點(diǎn)DSP芯片TMS320C5510是TI低功耗典型產(chǎn)品,其芯片內(nèi)核的功耗只有0.05mW/MIPS。(3)FPGA的選擇選擇XILINX公司的高性能、低功耗的XC3SD1800A作為基帶處理單元的FPGA芯片。(4)音頻功放的選擇采用高效率D類音頻功放,效率可達(dá)80%~90%,比AB類音頻功放效率提高10%~20%。(5)存儲(chǔ)器的選擇選擇功耗更低、速度更快的MCP存儲(chǔ)器。(6)電源管理主控芯片的電源管理,選用具有高效率DC/DC,并支持動(dòng)態(tài)電壓控制、具有多路高性能可控LDO輸出的高度集成、功能豐富的集成電路。DA9034是針對PXA3XX系列高性能處理器開發(fā)配套電源管理芯片,提供一路具有輸出電壓可編程和動(dòng)態(tài)電壓控制(DVC)的核電壓DC/DC高效率電源轉(zhuǎn)換器(1MHz開關(guān)速率,最高效率可達(dá)95%),一路具有固定輸出電壓(1.8V或1.9V,700mA)和DVC功能用于存儲(chǔ)器的DC/DC高效率電源轉(zhuǎn)換器(2MHz開關(guān)速率,最高效率可達(dá)95%),多達(dá)15路采用SmartMirrorTM專利技術(shù)——具有極低靜態(tài)電流消耗低噪的高性能LDO可控可編程電壓輸出;提供預(yù)充、恒流、恒壓、充電電流電壓可編程設(shè)置等充電控制電路;具有過壓、低壓、過流、過熱保護(hù)等功能。3.3芯片的選擇功能針對功能需求和協(xié)議體系,軟件部署采用的原則主要有:(1)運(yùn)行越頻繁的功能部署在功耗越低的芯片;(2)芯片級的高內(nèi)聚、低耦合性,同一功能采用盡可能少的芯片參與工作;(3)待機(jī)狀態(tài)下啟動(dòng)的芯片最少,功耗最低。根據(jù)以上原則對手持電臺(tái)的軟件進(jìn)行部署,如圖3所示:按圖3所示的軟件部署,手持電臺(tái)發(fā)射、接收和待機(jī)狀態(tài)下各處理芯片的工作情況如表2所示:3.4接收通道設(shè)置在TDMA體制下,采用有中心組網(wǎng)方式,作為終端設(shè)備的手持電臺(tái)時(shí)序上同步在基站上,接收通道無需常開。采用0.5ppm的TCXO作本地時(shí)鐘,對應(yīng)于42.667kbps的空中速率,產(chǎn)生一個(gè)1bit偏移所需時(shí)間為:Td(1)=(1/42667)/(0.5×10-6)=46.9s。本文研究的手持電臺(tái)TDMA周期為50ms,遠(yuǎn)小于46.9s的1bit抖動(dòng)時(shí)間,完全可以只在收時(shí)隙打開接收通道,其工作時(shí)間占空比降低為1/N(N為TDMA時(shí)隙數(shù))。更進(jìn)一步的改進(jìn)可利用上層協(xié)議的優(yōu)化,調(diào)整空閑時(shí)下行消息的發(fā)送周期和方式,終端接收通道可以工作在更低的占空比下,盡可能降低接收通道及整機(jī)功耗。以間歇守候?yàn)橐罁?jù),在需要接收的前一突發(fā)位置打開DDS接收通道,接收完畢后關(guān)掉DDS接收通道。只有需要的DDS功能模塊打開,其他的處于休眠狀態(tài),空閑時(shí)隙DDS所有模塊處于休眠狀態(tài);需要接收時(shí),打開接收解調(diào)模塊;接收完畢后,關(guān)閉接收解調(diào)模塊的主要耗電模塊,使其進(jìn)入休眠狀態(tài);在需要接收的前一跳位置打開DDS接收通道的同時(shí)打開射頻放大通道,接收完畢后關(guān)掉射頻放大通道。使得射頻放大通道只在接收時(shí)隙處于工作狀態(tài),其他時(shí)間處于休眠狀態(tài),達(dá)到間歇守候省電目的。3.5發(fā)射功率的動(dòng)態(tài)調(diào)整傳統(tǒng)電臺(tái)功率分為大中小3檔,一般還需要手動(dòng)調(diào)整,這不僅會(huì)影響系統(tǒng)容量,還造成了設(shè)備功耗的浪費(fèi),所以對發(fā)射功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整是必要的。本文所涉移動(dòng)通信系統(tǒng)中基站可計(jì)算當(dāng)前上行誤碼率,測量手持電臺(tái)到基站之間的距離和信號場強(qiáng),并通過信令把上行誤碼率、距離和信號場強(qiáng)發(fā)送給終端手持電臺(tái),使其根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整自身發(fā)射功率,控制過程如圖4所示:3.6信號模式的浪費(fèi)統(tǒng)計(jì)顯示,人在半雙工/單工講話時(shí)有用信號占空比約50%,雙工通話時(shí)更低至35%,對于電路模式話音通信設(shè)備而言,這意味著終端發(fā)射功耗存在很大的浪費(fèi)。利用話音激活檢測(VAD)技術(shù),把需要發(fā)射的話音輸入提取出來,用于控制手持電臺(tái)發(fā)射通道的開啟和關(guān)閉,可有效節(jié)省發(fā)射狀態(tài)下的功耗。3.7顯示界面的設(shè)計(jì)本文研究的手持電臺(tái)功能上集移動(dòng)終端和終端設(shè)備為一體,具有2.8寸的顯示屏幕。由于采用了OLED屏幕,從顯示界面的設(shè)計(jì)上充分利用其主動(dòng)發(fā)光特性,盡量采用暗色作為背景,減少發(fā)光量,從而降低其功耗。同時(shí)采用屏幕保護(hù)和喚醒控制,無界面操作時(shí)關(guān)閉屏幕,節(jié)約了空閑狀態(tài)下用于屏幕顯示的功耗。4帶負(fù)荷的節(jié)能效果通過各種省電技術(shù)的結(jié)合,與未采用省電設(shè)計(jì)的同頻段類似手持設(shè)備相