Ue低功耗设计

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                                    Ue低功耗设计

低功耗技术是LTE（Long Term Evolution）系统设计的一项关键技术，其终端的待机时间与空闲状态的低功耗技术密切相关。文章结合LTE系统的技术特点，深入研究LTE终端在空闲状态下的低功耗技术，并提出了一种合理有效的方案，这对于推动LTE产业的发展有着重大的技术意义和现实意义

二．终端硬件架构  

本文所涉及的LTE终端的总体结构如图1所示，其中的基带处理芯片为一款单模基带处理芯片，由一个ARM核、两个DSP核、一个LTE专用加速器、一个音频CODEC（编解码器）及其他电源域与模块组成。射频芯片采用RDA公司专门为LTE系统设计的RF（射频）套片。基带芯片的ARM处理器实现MMI（人机接口）、协议栈等功能；DSP处理器完成通信信号的调制解调和语音信号的编解码；ARM和DSP通过MailBox机制（即一块双方都能访问的共享内存来实现，无论是ARM还是DSP都可以通过总线来对这块共享内存进行读、写）实现信息交互；CODEC负责语音信息的输入和输出；Modem IC 负责LTE物理层的相关处理；ABB是模拟基带与数字基带的接口，实现信号的模数转换和数模转换功能；存储器（Flash+SRAM）用于存放程序及系统数据；键盘、LCD等实现MMI功能的输入和输出。系统时钟有两个，一个26MHz高速时钟，一个32kHz低速时钟。

2.1 一种LTE终端空闲状态的低功耗技术及其缺陷

UE处于空闲模式时，当收到睡眠指示后，便可进入睡眠状态。在每一个DRX开始时UE都必须监控PDCCH，而ARM的控制能力更强，初步认为由ARM来负责主控寻呼响应任务似乎更为合理。但是这就意味着ARM在每一个DRX开始时首先被唤醒，然后再由ARM唤醒DSP来做PDCCH接收、解析等工作，从而完成寻呼响应的一系列 工作，之后UE再次进入空闲模式。基于所涉及的LTE终端系统，UE空闲模式中由ARM主控寻呼响应任务的低功耗技术流程如图3：  (1) UE小区选择成功，ARM本地保存UE_ID（终端设备号），并计算出下个DRX周期PDCCH出现的位置信息，将其送到DSP； (2) UE进入空闲模式，ARM控制DSP以及自身进入睡眠状态，硬件电路开始硬件定时； (3) 每一个DRX开始的时候，硬件电路退出定时，发送硬件中断首先唤醒ARM，然后ARM唤醒DSP，DSP在指定的位置接收PDCCH，并将PDCCH解析的结果向ARM上报；

(4) 当ARM接收到PDCCH解析结果的指示时，将根据指示的内容决定是否需要接收PCH。如果需要接收，则ARM指示DSP在指定的位置接收PCH；否则执行步骤7；

(5) DSP在指定位置接收到PCH，则将其上报给ARM。ARM对其携带的寻呼消息进行解码，并将解码后的UE_ID进行匹配（判断该寻呼携带的UE_ID是否和终端本身的UE_ID一样）。如果匹配成功，则执行下一步骤；否则，执行步骤7；

(6) UE发起接入过程，建立无线资源控制连接，跳出空闲模式向连接模式转换，空闲模式下的任务结束；

(7) 本DRX任务执行完毕，ARM向DSP配置下一个DRX周期PDCCH的位置信息，然后ARM控制DSP以及自身再次进入睡眠状态，等待下个DRX的到来。

        LTE终端空闲状态的低功耗技术

如果按照此方案来执行，在每一个DRX开始时，ARM和DSP都会退出睡眠状态，进入唤醒状态，并正常工作，而且ARM与DSP之间的交互频繁，会造成共享内存的读写频繁以及总线繁忙，这样会增加UE的耗电量。而如果PDCCH指示PCH块不存在，或者PCH块虽然存在但UE_ID不匹配，则该次ARM进入唤醒状态就是无意义的能源耗费。由此可知，该技术存在缺陷，不能达到最大程度的低功耗。

2.2 一种改进的LTE终端空闲状态的低功耗技术及其优点

若由DSP来负责主控寻呼响应任务，那么DSP在每一个DRX开始时被唤醒，然后做PDCCH解析等工作，除非DSP需要在指定位置接收PCH，进行UE_ID匹配，并且匹配结果为UE寻呼时，才去唤醒ARM，否则ARM将一直处于睡眠状态。针对空闲模式下寻呼的接收，将ARM与DSP的功能进行重新分配，由DSP来负责主控寻呼响应任务，提出一种改进的LTE终端空闲状态的低功耗技术，其方案为（总体技术流程图见图4、图5）： （1）UE小区选择成功后，ARM将寻呼监测的相关参数发送给DSP； （2）UE进入空闲模式，DSP控制自己和ARM进入睡眠状态。如果ARM进入睡眠状态时有外部设备在使用，则ARM进入浅睡眠状态；否则ARM进入深睡眠状态； （3）每一个DRX开始的时候，硬件电路退出定时，发送硬件中断唤醒DSP， DSP在指定位置接收PDCCH，根据PDCCH指示确定是否需要接收PCH及计算PCH位置； （4）当前时刻距离PCH的位置是否大于预设门限（LTE帧长为1ms，预设门限单位为LTE子帧数，取值范围为大于10的整数）。如果是，DSP根据PCH位置设定睡眠时间，进入睡眠状态；否则DSP直接等待接收PCH；（这样可以避免DSP不必要的睡眠和唤醒，导致系统开销增大） （5）DSP在指定位置接收PCH，进行UE_ID匹配，如匹配结果为UE寻呼，则唤醒ARM处理，否则DSP计算下一个PDCCH位置（下一个PDCCH位置=当前PDCCH位置+DRX周期长度），再次进入睡眠状态，等待下一个PDCCH到来。

         改进的LTE系统空闲状态的低功耗技术

改进的LTE终端空闲状态DSP控制进入睡眠状态流程

改进的低功耗技术具有以下优点：第一、整个寻呼的检测过程都由DSP来完成，减少了ARM与DSP之间的交互，从而避免了共享内存的频繁操作以及避免了总线资源的紧张；第二、因为终端本身的UE_ID保持相对固定，所以下送到DSP后，除非检测到UE本身的寻呼，通常ARM就不必因为寻呼的相关检测而被唤醒，同时，也不会造成ARM对内存的无意义操作，降低了UE的耗电量。所以，按照该空闲状态下的低功耗技术的做法，在每个DRX周期，都由DSP来独立完成寻呼的检测。只有在接收到本UE的寻呼的时候，ARM才会被唤醒过来，退出睡眠状态（特别地，若无寻呼指示，且测量状况不好，则唤醒ARM，并恢复ARM数据，上报测量值，由协议栈处理接下来的流程）；否则ARM可以一直保持在睡眠状态，从而节约了能源。该技术弥补了第一种方案的不足，能够达到空闲状态下更大程度的降低功耗，说明在空闲模式下由DSP主控寻呼响应任务的低功耗技术比由ARM主控寻呼响应任务的低功耗技术更加合理有效。