不连续接收与电压岛结合的省电方法＊

沈爱国，李方伟，朱江

（重庆邮电大学移动通信安全研究所, 重庆 400065）

LTE系统采用了高阶调制方式，先进的编码技术和多天线技术（MIMO）以及空分多址等技术[1]。这些技术提供的上下行传输速率很高，但是也增加了移动终端复杂的电路，能量消耗必然加快，限制了用户的移动性。LTE系统引入DRX方案，其基本思想是终端没有数据传输时，进入睡眠状态，关闭收发单元以达到降低终端功耗。LTE系统中DRX模式分IDLE DRX（空闲状态下DRX）和RRC-CONNECTED DRX(无线资源连接下的DRX)两种[2]。根据不同的业务，对DRX的参数进行灵活的配置，可以有效的达到省电的效果，同时兼顾传输的时延。

LTE系统中的终端不仅仅用作话音通信，E-mail和网页浏览，还有更多先进的功能，如在线视频、3D在线游戏等。为了满足这些要求，把高性能的应用处理器、多媒体处理器和基带处理器集成在单一的芯片上已经成为不可阻挡的趋势[3]。LTE终端单芯片的集成化过程中，还要需要灵活有效的电源管理，基带处理器还要兼容CDMA的服务。本文提出了DRX机制与分层多级电压岛（HMVIP）相结合的设计方案。根据DRX的状态，合理地划分电压岛。

1 DRX机制

LTE系统中终端的上下行资源的调度与网络侧的调度算法密切相关。在特定的时间间隔，跨层网络调度算法允许终端不连续地监听PDCCH（物理专用控制信道），在这基础上引出DRX机制。IDLE DRX没有无线资源连接，只是监听呼叫信道和广播信道,只要配置好固定睡眠周期就达到非连续接收。如果要监听用户数据信道，就必须转入无线资源连接状态下的DRX。RRCCONNECTED DRX，可以优化资源配置，节约终端功率，终端从空闲转到激活状态速度快，本文就是研究无线资源连接下的DRX。结合图1来理解DRX，必须搞清楚下面要描述的几个定时器与概念。

图1 DRX模型

On duration timer（τ）：UE每次从DRX睡眠周期醒来后监听PDCCH（物理专用控制信道）的时间。

Inactivity timer（ti）：UE在醒着时每次成功解码HARQ（混合自动重传请求）初始发送的PDCCH后保持激活的时间。

DRX retransmission timer：UE预期接收DL retransmission（下行重传）的时间[4]。

一个DRX周期包括两个时间段。第一个是On duration time，在该时间段UE醒来监听PDCCH,等待或接收eNB（演进型基站）下行数据发送；第二个是睡眠时间段，在该时间段UE关闭收发单元，不监听PDCCH。长短DRX周期和连续接受之间的转换由eNB中的定时器（周期配置方法）或命令来控制。如果DRX-Inactivity timer超时或者收到eNB控制信息单元，就会停止监听，但是并不停止与重传相关的定时器。此时立即启动DRX short cycle timer(ts)，使用DRX短周期;如果DRX short cycle timer超时，那么启动DRX long cycle timer(tL)，使用DRX长周期。

2 分层多级电压岛

随着深亚微米技术的出现，将成百上千的IP核（Intellectual Property core）集成到一个系统芯片(SoC)上设计已经成为可能。芯片功耗也是设计考虑的一个重要问题。高功耗不仅使得手持终端的电池寿命减短，也可能导致芯片过热而引起的不稳定问题。手持终端的总功耗包括两部分：动态和静态功耗。它可以表示方程如下：

考虑到DRX机制，我们认为静态功耗是指IDLE DRX状态下，终端不发送和接收数据所消耗的能量；以及RRC-CONNECTED DRX状态下，终端待机状态下等待接收MAC层控制信息时所消耗的能量。与此同时，我们需要一个最小时钟开关电路来保持与eNode B同步，这里的功耗确定为动态功耗；RRC-CONNECTED DRX状态下，只有On duration Time消耗的能量确定为动态功耗。因此在DRX过程中，终端必须同时降低静态和动态功耗，特别是静态功耗。

单芯片集成可以有效地降低成本，硬件时延和动态功耗，但漏电流也会增加。静态功耗现在是许多集成系统设计所考虑的问题。文献[5]分层级联功率门控和分层多级时钟门控。本文采用DRX和分层多级电压岛相结合的设计方案，最大限度地减小动态和静态功耗。

2.1 电压岛划分

电压岛设计的关键步骤之一是把供电电压相仿的IP核进行分组，集成多个电压岛。每个电压岛有一个以上的IP核组成，并且没有功能上的冲突。一般来说，设计越多的电压岛，减低功率的效果越明显，但也会增加软件和硬件控制的复杂性。本文的方案是按功能来组合IP核，在DRX过程中尽可能降低电压岛激活个数，工艺上尽可能减小总是激活状态电压岛的面积。电压岛之间是基于GALS[6]（全局同步，本地异步）的时钟准则。每个电压岛的划分如下：

* 电压岛1(VI1)：这个电压岛包含了采样速率处理IP核和部分符号速率处理IP核。这些IP核主要用来接收物理下行控制信道和物理下行共享行道信息。此外，还包括为终端接收机前端和外部射频设备工作的IP核。在DRX周期中，如果没有数据接收，该电压岛不工作。

* 电压岛2(VI2)：这个电压岛包含为终端发射机工作采样速率处理IP核，部分符号速率处理IP核以及一些为射频后端接口电路的IP核。在DRX周期中，如果没有数据发送，该电压岛不工作。

* 电压岛3(VI3)：这个电压岛是由FFT/IFFT的IP核，编码/解码IP核，一些关于扬声器的IP核组成。在DRX周期中，如果没有数据发送，该电压岛不工作。

* 电压岛4(VI4)：这个电压岛为微处理器极其子系统，主要包括直接存储器控制器，外部存储器控制器，定时器等。

* 电压岛5(VI5)：这个电压岛为一个RAM。这个RAM主要用来存储省电软件代码和在空闲时刻存储数据。

* 电压岛6(VI6)：这个电压岛由主机接口IP核和总线IP核组成。这些IP核基于握手协议来控制电压岛之间的路由。在DRX周期，该电压不工作。

* 电压岛7(VI7)：这个电压岛由一些总线IP核组成。这些总线IP核是与电压岛8(VI8)相连接的。当VI8活跃时，该电压岛就应保持工作状态。

* 电压岛8(VI8)：这个电压岛要一直保持激活状态来保持与网络同步和控制电源的通断。

2.2 功率控制

如图2所示，HMVIP垂直方向上分为4层，每层之间是由电压岛VI6和VI7连接。位于最上层的电压岛VI1、VI2和VI3可以由微处理器单独或同时激活和关闭。图2的垂直方向上，在某个特殊的应用场景下，下层中的电压岛从降低功率至关闭状态，与此对应的上层电压岛也要自动随之降低功率至关闭状态。HMVIP能够顺序地按功率高低来关闭电压岛，这样在DRX周期从监督状态转换到空闲状态时可以有效地避免冲击电流。例如，在eNB换成中没有需要发送到终端的数据，此时电压岛VI1在InactivityTimer超时前就应关闭，那么电压岛VI6和VI7要减少与VI1的路由来降低功率，但不关闭。HMVIP简化了复杂的功控。

图2 HMVIP的结构

如表1所示，结合了DRX，我们定义5个省电类。即使在激活状态，我们也可以定义省电类。深睡眠状态是最优的省电类。

表1 省电类

3 仿真分析

本文电压岛划分是采用采用65nm低功耗CMOS技术的ASIC实现。电压岛的动态功率分布如表2。此表的数据测量结果来自如下条件：MIMO模式下，UE接收下行链路30～70Mbit/s带宽。显然，电压岛VI1、VI3和VI4占据绝大部分的能量消耗，而VI8能量消耗最少。按照表2能量分布，我们可以比较一下DRX结合HMVIP和DRX没有HMIVP的平均功率。这里我们假设数据到达服从泊松分布，均值为λ。DRX参数选择如下：DRX inactivity timer为10ms, On duration timer为5ms, DRX短周期为50ms, DRX长周期为 100ms,激活功率为180mW,睡眠功率50mW。不同到达率λ下的平均功率采用文献[7]中的公式（9）：

仿真结果比较，如图3所示。

从图3中，我们可以看出随着数据到达率的增加，平均功率都增加。显然，采用DRX结合HMVIP的平均功率要低于单纯采用DRX的平均功率。随着数据到达率的增加，曲线DRX with HMVIP越来越靠近曲线DRX without HMVIP。这是因为到达率的增大，UE 进入睡眠的机会和时间都减小，UE的各个电压岛保持激活的状态增多，省电类的作用在不断地减弱。无论如何，DRX结合HMVIP的方法可以达到一个比较好的省电性能，特别是在低的数据到达率情况下。

表2 能量分布

图3 仿真结果比较

4 结论

本文提出采用不连续接收机制(DRX)和LTE单芯片分层多级电压岛(HMVIP)相结合的方法。该方法在UE使用过程中有效降低手机功率。仿真数据表明数据表明，在低的数据到达率下，采用该方法UE的功率可以降低大约15%左右。

[1] WIGARD J, KOLDING T, DALSGAARD L,et al. On the user performance of LTE UE power saving schemes with discontinuous reception in LTE[J]. IEEE Communication Workshops, 2009, 18(8):1-5.

[2] 李仁波, 张春业, 宁祥峰. 基于长期演进系统非连续接收机制的改进方法[J]. 计算机应用, 2010,30(12):3188-3190.

[3] Toshihiro Hattoriet al. Hierarchical power distribution and power management scheme for a single chip mobile processor Proc Design Automation Conference[C]. 2006 43rd ACM/IEEE, 2006:292-295.

[4] 3GPP RAN. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA)Medium Access Control（MAC）Protocol Specification. 3GPP TS 36.321[S].Valbonne:3GPP Organization Partners,2010.

[5] Kim G S, Je Y H. An adjustable power management for optimal power saving in LTE terminal baseband modem[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2009,8(16):1847-1853.

[6] 董文箫, 陈华锋, 沈海斌. 一种改进的GALS异步包装电路[J].电视技术,2012,36(15):294-298.

[7] 沈爱国, 李方伟, 朱江. 一种基于LTE系统的不连续接收方法[J].浙江大学学报理学版, 2011,38(3):197-201.