TD-SCDMA终端的低功耗研究及设计

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移动终端的待机时间一直是业界关注的焦点问题之一。相对于2G系统，TD-SCDMA系统在提供更高的频谱利用率、更高的数据速率、更丰富多彩的多媒体业务的同时[1]，其终端的功耗问题也更为严峻：复杂的基带数据处理、功放线性引入的低电源效率、多媒体应用所引入的音视频处理等，都使TD-SCDMA终端功耗问题变得更加棘手。TD-SCDMA终端的功耗受到无线环境、网络配置、协议栈控制以及终端软硬件方案、电源管理、芯片本身的低功耗设计及其工艺特性等诸多因素的影响，其中起决定性作用的则是终端本身的省电技术。正是基于这种现实，本文结合TD-SCDMA系统及终端的技术特性，深入研究并实现了TD-SCDMlA终端在待机模式下的低功耗关键技术，这对于推动TD-SCDMA产业的发展有着重大的技术意义和现实意义。
1 TD-SCDMA系统中的协议栈状态及省电设计方案
1.1 RRC子层的状态及转换
TD-SCDMA系统中的RRC子层位于协议栈的第三层，属于接入层，主要完成无线资源的控制和管理等功能。终端侧的RRC层主要完成的功能有小区选择、小区重选、接收广播系统信息、寻呼指示、建立，维护和释放RRC连接、无线接入承载的建立、重配置和释放UE测量等。RRC有两个基本模式：空闲模式和连接模式。连接模式又可进一步分为CELL_DCH、CELL_FACH、CELL_PCH和URA_PCH几种状态[2]。
RRC的连接模式和空闲模式间的状态转移如图1。
                    连接模式下，当RRC状态为CELL_PCH和URA_PCH时，终端仍可支持类似于空闲模式下的较低功耗。如果终端开机后驻留在UTRAN小区上，则终端在空闲模式下建立RRC连接，从而进入连接状态(CELL_DCH或者CELL_FACH)，进入连接模式的终端可以在不同的连接状态之间迁移。处于连接模式的终端可以通过释放RRC连接回到空闲模式。
当已经注册上某个小区且终端处于空闲模式下，终端可以使用非连续接收DRX(Discontinuous Reception) 操作，这意味着在每个DRX周期终端只需要监听与寻呼相关的信息块，其他时间段不需要监听寻呼，从而达到省电的目的。RRC需要从系统信息中获得DRX的相关参数，并计算DRX周期，将其通知L1C。
RRC协议层在实现中主要从以下两个方面降低终端的功耗：
(1) 计算寻呼消息的非连续性接收相关参数并将参数提供给物理层。
(2) 优化空闲模式下的过程，减少不必要的过程以降低功耗。
1.2 非连续接收(DRX)及相关参数的计算
TD-SCDMA空闲模式下的DRX周期取决于参数PBP，其值可以为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周期可以为0.64s、1.28s、2.56s或5.12s。在PS应用中，DRX周期可以由网络和终端共同商议决定[2][3]。
DRX相关参数(如DRX周期、寻呼时段、寻呼消息位置等)的计算可参考文献[3]。图2表明了在一个DRX周期内，终端在仅需要监听寻呼唤醒并处于工作状态，而其他大部分时间里都可以关闭系统参考时钟进入深度睡眠状态。
                    由于TD-SCDMA是一个同步系统，所以终端醒来后必须再次与基站同步并且准确确定终端与基站之间的时间相对关系。当终端睡眠时，系统由低频的32kHz时钟来产生各种需要的时序和定时，设睡眠前计数器值为N10，睡眠后计数器值为N2，则醒来后的真正相对时间点应当为N1+(N2-N1)×312.5。由于32kHz晶体本身的精度有误差(通常为±20ppm／+50ppm)，且其频率随温度变化而变化(约-0.044ppm／°C2)，因此必须通过时间校准来补偿因低频时钟代替高频时钟产生的定时误差。
1.3 TD-SCDMA终端进入睡眠过程的软件设计
TD-SCDMA终端的整个睡眠进入和睡眠唤醒的过程及系统时钟的开关都是在ARM控制下进行，终端进入睡眠的基本流程可以概括为：
(1) 判断L1C是否为空闲状态。
(2) L1C调度空闲状态下的任务(包括接收BCH、PICH／PCH和测量)。如果所有这些任务在下一DRX周期前都已完成，则L1C计算出睡眠时间并同时通知Modem IC进入睡眠。同时，L1C把计算出的睡眠时间告知ARM中的DPWS。当ARM中无任何任务需要处理时(如UART、键盘操作等)，ARM中操作系统RTK的后台任务使ARM准备进入睡眠状态。
(3) Modem IC调用自己的睡眠过程进入睡眠，并设置其睡眠指示信号。
(4) 当ARM检测到Modem IC已经睡眠后，ARM进入睡眠状态。
至此，整个系统进入睡眠状态，系统以32kHz的低频时钟工作，对ARM和Modem IC内部的睡眠定时器计数，直至系统被唤醒。
1.4 TD-SCDMA终端唤醒过程的软件设计
终端的唤醒过程由ARM控制。当ARM睡眠定时器到时(正常唤醒)或ARM检测到来自外部的中断(提前唤醒)时，ARM首先自动唤醒，然后通过中断方式去唤醒Modem IC。考虑到外部参考时钟VCXO及ARM和Mo-dem IC内部PLL的稳定时间，在系统真正唤醒前应提前打开相关电路，以保证系统唤醒时有稳定的可用时钟。相关的唤醒时序可以通过ARM和Modem IC的睡眠唤醒定时器通过可编程方式产生。
系统唤醒后，Modem IC根据TBU中的值计算实际睡眠时间，并将实际睡眠时间上报给L1C，L1C据此重新调整帧号。同时终端需要重新与基站同步，根据同步偏差值决定是否需要重新进行时间校准(若时间漂移大于同步窗口则需要重新校准)。
当终端检测到外部中断时(如按键)，ARM将发起提起唤醒过程：ARM首先醒来，然后通过ARMIF中断方式唤醒Modem IC，其流程与正常唤醒类似，只不过此时计数器未记到0，唤醒后ARM将读取实际睡眠时间。
1.5 空闲模式下的过程优化算法
RRC在空闲模式下完成的主要功能包括小区选择、小区重选、PLMN搜索、HPLMN选择以及寻呼接收等。在小区选择和小区重选的过程中，终端可能进入失去覆盖的区域，此时终端无法驻留在一个合适小区或者可接受小区上，按照协议的要求应该继续搜索直到找到一个可以驻留的小区为止。但是从电源消耗的角度看，在没有网络的情况下，这种连续搜索的做法不仅耗电而且没有必要。所以应该有一种机制来避免这种情况的发生。
当小区选择／重选的过程不能找到任何可驻留的小区时，终端应该间歇地进行小区搜索，即每间隔一段时间搜索一次，而非连续地搜索，并且遵循以下原则：失去覆盖的时间越长，则认为下次搜索成功的几率越小，接下来的搜索间隔应该更大。
以上算法在RRC模块实现。RRC需要为此定义一套计算时间间隔的算法并设置一个定时器，以对搜索间隔时间进行记录。
计算搜索时间间隔的算法简单描述如下：
以a、b、c代表小区选择次数的门限值；
以A、B、C、D代表下次小区选择开始前需要等待的时间，其中D>C>B>A>0；
以X表示小区选择的次数，X的初始值为0。以T表示每次小区选择前需要等待的时间。每次小区搜索后，X的值增加l，即X=X+1；
若X的取值在0到a之间，则每次小区选择之前需要等待的时间长度为A，即T=A；
若X的取值在a到b之间，则每次小区选择之前需要等待的时间长度为B，即T=B；
若X的取值在b到c之间，则每次小区选择之前需要等待的时间长度为C，即T=C；
若X的取值大于c，则每次小区选择之前需要等待的时间长度为D，即T=D；
其中a、b、c，以及A、B、C、D的取值根据实际仿真结果设定。
2 TD-SCDMA终端待机时的功耗实测结果及分析
终端的待机时长可以直接测量，即直接记录终端维持在空闲状态或通话状态的持续时间。直接测量方法简单，对测试仪表要求较低，测试结果直观，能够反映终端整机(包括电池)的耗电性能；缺点是对不同终端的耗电性能差异不便深入分析，而且比较费时费力。
更为有效的方法是通过测量终端待机时的耗电电流，并根据终端电池的标称容量折算出待机时长，即间接测量。测试耗电电流的优点在于，可以排除终端电池性能本身的影响，能够从耗电电流大小和电流变化来反映终端的耗电性能；更有利于深入分析不同终端耗电性能产生差异的原因。
由第三代移动通信技术试验专家组制定的TD-SCDMA终端规范中，对终端耗电性能的测试标准采用间接测量法[4]。
用Agilent 66319B高精度快速响应直流电源测得的平均待机电流如图3所示。
                    当DRX=5.12s时，TD-SCDMA终端的平均待机电流为2.762mA，睡眠电流为0.767mA。若电池容量以1000mAh计算，则该终端的理论待机时间为1000／2.762=362.3小时，即在全天开机的情况下可待机15天。
上面的测试结果也表明，终端的唤醒持续时间非常短，仅占DRX周期的很小一部分。若改变网络的DRX参数，则待机时间将受到显著影响。
本文针对TD-SCDMA系统所做的低功耗研究及完整设计方案已经在TD-SCDMA终端中实现，实测结果表明采用该方案终端可待机360个小时，优于目前的GSM终端的平均水平，较好地解决了终端的功耗难题，为推动TD-SCDMA产业的发展尽一份微薄之力。