基于FMC手机的低功耗设计方案

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 固网与移动融合(FMC)势在必行,即手机能够在移动网络与非授权无线系统(如Wi-Fi网或蓝牙连接)之间实现无缝切换。首先,消费者通过使用VoIP或固网电话来降低通话成本的需求存在。其次,实现三网合一(triple-play)的运营商的数量在不断增加,对他们来说,固网与移动融合既是一个卖点,也是利润的来源-无论采用何种呼叫方式,他们都能赚钱。服务提供商与设备制造商已经开始密切合作,致力于开发网络完全融合的标准。

  早期,Wi-Fi手机的主要问题在于Wi-Fi与移动网完全独立。移动运营商最初因无法从中获利而把Wi-Fi看成一种威胁,结果导致了双输的局面。由于Wi-Fi无法无缝地整合到用户体验中,用户需要“激活”Wi-Fi网络。同时,由于缺乏将Wi-Fi与移动网无缝整合的技术,用户需要同时开启GSM和Wi-Fi,即在用户使用Wi-Fi时移动运营商也需要继续通过GSM提供服务,从而导致额外的功耗,Wi-Fi的用户体验也不令人满意。

  此后,运营商与设备供应商开发了通过Wi-Fi和 IP提供移动语音、数据和IMS服务的技术,增强了Wi-Fi对移动运营商的“友好”性。如今的双模手机可以不用开启GSM就使用Wi-Fi,所有语音与数据服务也可以通过IP提供,而无需使用GSM网络。这一技术最终导致了通用接入网(GAN)规范,即过去的非授权移动接入(UMA)的发布,这一规范现已成为3GPP的标准。

  功耗是实现FMC的关键

  尽管有消费者需求的推动,要将FMC推向大众市场仍面临相当大的挑战,该挑战主要来自于电池技术。过去十年,人们并未在研发具有比锂离子电池更高量密度的电池方面取得重大进展。消费者对超薄手机的需求引发电池尺寸的进一步缩小,同时,目前手机标准的电池电量值实际上远远小于上一代手机,一般为 650mAh,而不是1000mAh。那么,如何在不影响待机与通话时间的前提下,将手机功耗降低30%已经成为芯片制造商面临的重大挑战。而FMC手机(一般称为双模手机)必须同时支持两种或三种无线装置,其功耗更大。因此,第一部FMC手机的待机时间和通话时间指标都不高也在意料之中。UMA能够显著改进双模手机的电池性能,改善消费者的用户体验,并使移动服务提供商获利,从而成为三赢方案。

  早期Wi-Fi手机面临的第二个重大问题是,无线(WLAN)模块用于PC和其它交流电供电的计算机外围设备时,功耗并不是被关注的问题,但当将其用于手机时,功耗问题凸现出来。这意味着,在某些情况下,这种手机的待机时间只有半天,这也是很多分析师认为FMC市场前途未卜的原因之一。

  可喜的是,最新的三星UMA双模手机(基于恩智浦半导体的手机平台)改变了这一局面,它有效地提升了待机和通话时间,促使分析师们开始重新考虑这个市场。“鉴于三星手机(基于恩智浦平台)在Wi-Fi模式下的待机时长,业内一些公司(包括我们)准备重新考虑双模Wi-Fi/蜂窝手机。”2007年7月SignalsResearchGroup,LLC公司 CEOMichaelW.Thelander在其报告中指出。

  

  图1:UMA 系统

  融合手机平台的发展

  UMA手机上市以来,关于其特性、功耗以及发展方面已经有了一些初步体验。

  第一代FMC手机

  这些手机通常是在移动平台中集成一个WLAN子系统。两个系统完全独立存在,大多数时间内都处于省电模式,尤其是在空闲模式下。FMC系统中一次只有一个系统在运作(如UMA/GAN)的明显好处是呼叫将被重新路由并交给当前活动的系统,从而可以关闭另外一个系统。如果FMC方案在WLAN上集成 VoIP(通常基于SIP)并与蜂窝系统(GSM/UMTS)并行使用,由MMI(人机接口)/用户决定呼叫路由和接听方式,则不具备上述优势。

  

  图2:融合手机第一代平台架构。

  第二代融合手机

  由于越来越多的用户使用蓝牙耳机,第二代融合手机一般都集成了蓝牙(BT)功能。这类手机集成了三个射频系统,并在它们之间进行协调:由于采用协同工作滤波器,GSM与BT以及GSM与WLAN可以一起工作。BT/WLAN共用同一频段,彼此之间干扰严重,因此需要复杂的射频接入协调,特别是BT和WLANIC之间进行紧密协调。

  

  图3:融合手机第二代平台

  除此以外,第三个系统(BT)在空闲(扫描)和通话(即在使用耳机模式)时也需要额外功耗。因此BT子系统本身与所在的整个系统架构都需要具备很好的能效。

  WLAN专用PMU,进一步改善系统能耗。采用专用于WLAN和/或BT平台的PMU,可以避免因LDO(线性稳压器)造成的损耗,从而达到进一步改善能耗的目标。

 功耗需求的变化

  功耗需求在过去的两年里发生了相当大的变化。用户刚开始还能接受一些解释:手机内置WLAN,这会损耗一些电量,待机时间只有GSM的一半。不久以后,要求WLAN待机时间达到数天则成为主要目标。但这依然没有满足消费者的期望:电池即便在支持相同的待机时间基础上还要能够通话一段时间(如3个小时)。此目标运营商们保持了一段时间。

  第一批消费者的反馈表明融合手机必须具备与普通GSM手机相同的性能。消费者不希望因采用FMC技术而带来任何明显的差异,因此,运营商不但不会宣传,甚至会对用户进行隐藏该项技术。“普通”GSM手机的另一个市场推动力是Razr的成功,以及随之不断增长的对超薄手机的需求。现在,相同功能和性能的GSM手机(也包括FMC手机)一般都采用650mAh电池,而不是1000mAh,因此所有手机元件(包括WLAN)需要节约30%的能耗。图5是功耗要求的典型演化图,随后将讨论实现这一目标的解决方案。

  

  图4:融合手机第三代平台。

  关键系统设计

  整体设计

  作为独立的子系统,WLAN子系统需要拥有自己的时钟、电压控制、省电模式管理,以及必要时激活主机的能力。必须避免在空闲时间内两个系统并行工作:如果可以使用首选系统(WLAN),则另一个系统(GSM)需要进入睡眠状态。为了取得良好的关键性能和用户体验,某些偏差也可以接受(例如,在通话期间)。使处理器之间的通信最小化。WLAN只有在收到相关数据时才激活主机。RSSI(电平)测量应在WLAN子系统内局部进行—只有测量值超出给定极限才激活主机。

  

  图5:UMA 手机功耗的演变过程。

  协议分层及例外

  嵌入软件通常按照OSI模型进行分层:物理层在专门的硬件/DSP/CPU上运行(尤其是BT、WLAN、GSM、UMTS);低功耗在硬件和软件中都采用“内置设计”(即通过时钟/电压等级、省电模式等);较高层将在功耗更高的主CPU(或应用CPU)上运行;通常涉及到不同组织、路线图、团队、软件语言、OS、工具和限制等。

  作为通用规则系统架构应按照时间域布置软件层:GSM中,每一帧的处理应在DSP上完成而不是主CPU(以前情况并非如此,通常项目预算也不允许完全重新设计),不过协议工作应在主CPU上完成。

  以下例外情况如果可以实现,则将大大降低待机功耗:

  GSM中:协议每0.5秒检查用户收到的信息是否为呼叫,这项工作可以转交DSP,使主CPU有更长的睡眠时间。

  WLAN中:每0.1秒—0.5秒进行一次RSSI和其它测量,但只有当动态下载极限超出上、下值并将产生动作时,才应激活主处理器。

  惰性范式

  一般情况下,所有算法设计时都考虑最差状态下的最佳性能。如果有足够的可用电源,这种方法不会产生任何问题,但通常情况下这一要求会过高,从而需要根据实际情况进行调整。

  -每0.5秒查看邻近小区可以产生良好的切换性能,而在空闲状态下此动作可以被简化。

  -使用外部电源工作时(充电器、USB电缆),可以选择最高性能的算法,而使用电池时则减少此类操作。

  -只要用户进行操作(如按键)就应激活高性能算法,但在一段时间内没有任何操作,则应使用电池优化算法。

  -软件只应做必需的事情(在限制功耗状态下),只在必要时刷新缓存,而不是采用自动定时刷新的方式。

  -手机要考虑到环境的变化,如检测“全天同一位置”与“不断移动”的情况,以释放网络扫描等请求。

  -高级节能措施还需要考虑电池状态的变化:如果电池电量下降,则移动切换速度、TX功率、屏幕刷新等性能也需要进一步降低。

  -系统范式需要全局接口以及应用于整个系统的单一设计,如“使用电池”与“使用电源”状态或活动指示等。所有算法都需要这些信息。

  关键软件设计

  替换“Do…While”循环

  嵌入软件一般具有很多以并行逻辑运行的RTK任务。多数情况下,软件需要等待某个条件为真,如“AP已关联”、“IP地址已分配”和“呼叫已建立”等。最初采用一种简单的方案(经常用于“C”语言),即在一个任务中使用“Do…while”命令,并用循环轮询来获得较低优先级任务的结果(如IP协议栈)。

  此时,CPU保持运行直至条件成立,这将导致高功耗。实际例子:等待显示器完成刷新。

  较好的方案是启动RTK定时器,然后进入一段睡眠时间,过后再次检索条件。这种方法原理上仍是一种“轮询”,但减少了对功耗的影响,并可以采用不同的睡眠间隔度,动态地适应不同的性能需求。

  更好的方案是采用RTK消息与中断,当最终达到条件时激活主机。这样能够最大程度地降低功耗,不过中断是一种稀有资源,而系统架构必须在设计时就考虑最高效功耗。不幸的是,功耗问题一般在产品生产后期才被发现,因此需要进行重新设计,但很少有人会重新设计。

  定时器管理是关键

  嵌入软件经常需要从几毫秒到数天的定时范围,特别是硬件处理、软件轮询,或由标准给定(IP、电信等)。定时器到时需要激活CPU并运行RTK/OS程序。退出省电模式后需要一段时间来达到系统稳定,而返回省电模式也需要一些时间来准备下一次的正确激活。CPU激活一般非常快(在微秒范围),但主时钟仍需运行,这样只节省了少量功耗。全系统的睡眠(包括主时钟)可能需要5至20毫秒的激活时间,但只有这种方法才能提供最大的节能效果。

  应尽可能避免出现定时器频繁过期情况。给定900毫秒的定时器可以通过900x1毫秒、90x10毫秒、9x100毫秒的tick(时钟计时单元)来实现,这样做对功耗有着全然不同的影响。操作系统应使用最大tick长度。这意味着为获得最大节能效果,必须尽可能放松对定时器精度的要求,例如不采用 900毫秒(此时操作系统tick的时间间隔为100毫秒),实际应用中“1秒”可能已经足够。手机拥有与实际空中接口物理层相关的系统tick。使用这些tick而不是人工的毫秒/秒单位,就可以减少激活的次数。GSM每帧4.615毫秒,使用这个时长为一个“tick”成为自然的选择。语音采用多个 20毫秒做为时间间隔,需要不同的tick。WLAN信标基于100毫秒的自然tick间隔。

  功耗问题将永远存在

  手机行业属于快速变化的行业,每年都会在新款手机上增添很多新功能,而用户期望的使用时间却与上一代手机一致,甚至更长。即使在更大屏幕尺寸、更大画面尺寸、更多可存储音乐,以及更多的接入网方式(用户甚至经常看不到)的情况下,用户对电池使用时间的预期依然不变。鉴于提高电池容量的工作没有实质性进展,以及超薄手机流行的趋势,现有功能的实际可用电量正在逐年大幅下滑。因此,在新手机中维持原有的良好功能就需要每年都产生创新的想法,要添加新功能无疑更是如此。

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