基于定時器超時時刻調(diào)整的低功耗技術

楊 豐，段紅光，牟倫榮

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065;2.重郵信科有限公司，重慶 400065)

隨著通信產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，通信服務商能夠提供越來越多的服務，智能移動終端能容納的業(yè)務也越來越豐富，多媒體的業(yè)務層出不窮［1］。移動終端作為一種便攜式和移動性的設備，完全依靠電池來供電，隨著其功能越來越強大，功耗也越來越大［2－3］。因此，必須提高移動終端的待機和使用時間。對于這個問題，有兩種解決方案:一種是配備更大容量的電池;另一種是改進系統(tǒng)設計或者算法設計［4］，采用先進技術，降低其功耗［1］。然而現(xiàn)有設備為了方便攜帶而越做越小，因此電池容量也無法提高，新型的燃料電池距離投入實際使用還有一段時間，所以電源的問題將成為移動終端發(fā)展的最大瓶頸之一［5］。那么如何通過改善系統(tǒng)設計，最大限度地降低系統(tǒng)功耗，成為移動終端發(fā)展的關鍵問題。針對通信系統(tǒng)中各定時器和網(wǎng)絡端時鐘頻繁產(chǎn)生中斷使系統(tǒng)過早進入工作狀態(tài)的問題，為了解決該問題，現(xiàn)有技術從不同的角度對此進行了不同手段的研究，要么是對慢時鐘進行改進，要么是維護慢時鐘，要么是對慢時鐘和快時鐘進行對應關系的處理來達到離開睡眠模式盡快同步網(wǎng)絡［1］。然而，在沒有外部時鐘作為參考基準的前提下，以上技術都難以實施，正是基于這種情況，本文結(jié)合移動終端的技術特點，提出并驗證了一種基于定時器超時時刻調(diào)整的技術，該方法無需使用外部時鐘作為參考即可減少設備在睡眠狀態(tài)被定時器喚醒的次數(shù)，能夠有效地降低系統(tǒng)功耗，這對節(jié)能減排事業(yè)做出了一定的貢獻［6］，并且對移動通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極的理論意義和現(xiàn)實意義。

1 移動終端的工作狀態(tài)

在移動終端中，系統(tǒng)的各個功能模塊可以處于3種工作狀態(tài)，即工作模式、空閑模式和睡眠模式［7－8］。工作模式是指該模塊在進行正常的業(yè)務處理;空閑模式是指該模塊當前沒有業(yè)務處理;睡眠模式是指該模塊處于低功耗或者關閉狀態(tài)［8］。

3種工作狀態(tài)之間的切換如圖1所示。

圖1 移動終端工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在工作模式下，如果工作任務完成，則進入空閑模式。在空閑模式下，如果收到睡眠指示，則進入睡眠模式;如果有業(yè)務產(chǎn)生，則返回工作模式。在睡眠模式下，如果睡眠時間結(jié)束，自然喚醒，則進入空閑模式;如果有業(yè)務產(chǎn)生，則返回工作模式。當終端處于空閑模式和工作模式時，各模塊處于正常供電狀態(tài)，系統(tǒng)時鐘頻率較高，此時功耗較大，而當終端處于睡眠模式時，各模塊供電電壓降低甚至關閉，系統(tǒng)時鐘頻率較低，功率較小［9］，因此，要降低設備功耗，增加終端的待機和使用時間，一個很重要的方面就是讓終端盡可能多地處于睡眠狀態(tài)。

2 基于定時器超時時刻調(diào)整的低功耗技術

2.1 低功耗技術方案

在移動中，系統(tǒng)通常會通過設置定時器的方法來定時或延時執(zhí)行一些任務，定時器在被創(chuàng)建或開啟時，可以設定其預定時長T，當終端進入睡眠狀態(tài)時，這些定時器會繼續(xù)計時，當某個定時器超時，會產(chǎn)生中斷，將終端從睡眠狀態(tài)喚醒進入空閑模式或工作模式，任務完成后，終端會再次進入睡眠狀態(tài)，等待下一次喚醒。因此，要讓終端更多地處于睡眠模式，降低功耗，一個有效的方法就是減少終端在睡眠過程中被定時器喚醒的次數(shù)，使其睡眠時間更長。在實際應用中，系統(tǒng)設定的定時器一般都存在一定的時間偏差容忍度Δt，即定時器可在其預定超時時刻Tp前后Δt范圍內(nèi)的任意時刻超時，而不會對系統(tǒng)任務的執(zhí)行造成影響，不同的定時器，其Δt也不相同。鑒于此，提出一種可減少移動終端在睡眠狀態(tài)被定時器喚醒的次數(shù)，降低系統(tǒng)功耗的方法，如圖2所示。

圖2 低功耗技術方案流程圖

低功耗技術方案流程如下:

1)終端在進入睡眠模式前，對已開啟的各定時器，在其各自的Δt范圍內(nèi)分別調(diào)整其定時長度，將定時器與其Tp±Δt范圍內(nèi)超時的其他定時器設定在同一時刻超時;

2)設定終端睡眠時間，進入睡眠;

3)退出睡眠模式時，為了保證實時定時器超時時刻更加精確，修正其定時長度。實時定時器定時長度修正為T+(Tp－實際超時時刻)。

本技術通過在時間偏差容忍度范圍內(nèi)對各定時器超時時刻的調(diào)整，使得各預定超時時刻不同，但Tp±Δt范圍上有重疊的定時器能夠設定在同一時刻超時，從而減少了移動終端在睡眠模式下被喚醒的次數(shù)，降低了系統(tǒng)功耗。

2.2 定時器超時時刻的調(diào)整方法

系統(tǒng)所開啟的定時器超時時刻的調(diào)整方法總結(jié)為3種，為了詳細具體地闡述此調(diào)整方法，以實例的形式進行解釋。實例中調(diào)整前各定時器超時時刻示意圖如圖3所示，終端進入睡眠前共有5個已開啟的定時器，其Tp及Δt分別為 Tp1和 Δt1，Tp2和 Δt2，Tp3和 Δt3，Tp4和 Δt4，Tp5和Δt5;各定時器的Tp和Δt如圖3所示，其中，T1～T5分別為定時器1～5的定時長度，TS1為當前時刻，即終端進入睡眠模式的時刻。

圖3 調(diào)整前各定時器超時時刻示意圖

方法一流程圖如圖4所示:

1)按各定時器的Δt從小到大的順序，依次對每個定時器，向前查詢，判斷是否有滿足該定時器合并條件的定時器。

2)如果有滿足該定時器合并條件(時間偏差容忍度不大于本定時器的Δt，超時時刻Ta等于自身預定超時時刻，且在本定時器的Tp±Δt范圍內(nèi)的定時器)，將該定時器超時時刻設定為滿足合并條件的定時器中Δt最小的定時器的超時時刻;如果沒有滿足該定時器合并條件的定時器，將該定時器超時時刻設定為預定超時時刻。

實例中，各定時器Δt的大小順序為，Δt4＜Δt5＜Δt3＜Δt2＜Δt1，定時器4的Δt4最小，沒有滿足合并條件的其他定時器，因此，設定其超時時刻Ta4=Tp4;設定定時器5的Ta5時，只有定時器4是其滿足合并條件的其他定時器，因此設定其超時時刻Ta5=Tp4;對定時器3設定時，滿足合并條件的其他定時器有定時器4，因此設定其超時時刻Ta3=Tp4;對定時器2設定時，沒有滿足合并條件的其他定時器，設定其超時時刻Ta2=Tp2;對定時器1設定時，滿足合并條件的其他定時器為定時器2，設定其超時時刻Ta1=Tp2。采用方法一，調(diào)整后的超時時刻示意圖如圖5所示。

圖4 定時器超時時刻設定流程圖(方法一)

圖5 調(diào)整后的超時時刻示意圖(方法一)

方法二流程圖如圖6所示:

1)計算各定時器的預定超時時刻被其他定時器的Tp±Δt包括的次數(shù);

2)選擇一個被包括次數(shù)最多的預定超時時刻作為基準時刻;

3)將Tp±Δt包括基準時刻的各定時器的超時時刻設置為基準時刻;

4)對剩余的未設定超時時刻的定時器，重復上述步驟，直到完成所有定時器超時時刻的設置。

實例中，Tp1包括在Tp2±Δt2范圍內(nèi);Tp2包括在Tp1±Δt1和 Tp3±Δt3范圍內(nèi);Tp3包括在 Tp1±Δt1和Tp2±Δt2范圍內(nèi);Tp4包括在 Tp3±Δt3和Tp5±Δt5范圍內(nèi);Tp5沒有被其他Tp±Δt包括。首先選擇一個被包括次數(shù)最多的預定超時時刻Tp2作為基準時刻，設定定時器1～3的超時時刻Ta1=Ta2=Ta3=Tp2;剩余的定時器4和5再次執(zhí)行步驟1)～3)后，設定定時器4和5的超時時刻為Ta4=Ta5=Tp4。采用方法二，調(diào)整后的超時時刻示意圖如圖7所示。

圖6 定時器超時時刻設定流程圖(方法二)

圖7 調(diào)整后的超時時刻示意圖(方法二)

方法三流程圖如圖8所示:

1)計算所有未調(diào)整超時時刻的定時器的Tp±Δt范圍，選擇被最多個定時器的Tp±Δt包括的時間段Δtmax;

2)在Δtmax中選擇一個時間點Tmax作為基準時刻;

3)設定Tp±Δt范圍內(nèi)包括了Δtmax的定時器的超時時刻為Tmax;

4)對剩余的未設定超時時刻的定時器，重復步驟1)～3)，直到完成所有定時器超時時刻的設置。

實例中，Tp2±Δt2，Tp3±Δt3，Tp4±Δt4和 Tp5±Δt5共同覆蓋的時間段Δtmax是被最多個定時器的Tp±Δt包括的時間段;在Δtmax中選擇時間點Tmax作為基準時刻;設定定時器2～5的超時時刻Ta2=Ta3=Ta4=Ta5=Tmax;剩余的定時器1沒有其他未調(diào)整的定時器的Tp±Δt與Tp1±Δt1有共同的覆蓋范圍，設定定時器1的Ta1=Tp1。采用方法二，調(diào)整后的超時時刻示意圖如圖9所示。

綜上所述，于實例中，對于定時器1～5，未調(diào)整前共有5個超時時刻，即終端會被喚醒5次，而經(jīng)以上提出的技術方案調(diào)整后，在相同的應用場景下，終端僅會被喚醒2次，有效地減少了終端被喚醒的次數(shù)，使終端更長時間處于睡眠狀態(tài)，降低了移動終端的功耗，特別地，對于使用大量定時器的系統(tǒng)，效果將會更加明顯。

3 基于定時器超時時刻調(diào)整的低功耗功能測試

在TD－SCDMA手機平臺上，采用本低功耗技術方案，用安捷倫移動通信直流電源測試整機電流指標，整機電流指標如圖10所示。

測試結(jié)果表明，該移動終端待機的平均整機電流約為5.58 mA，系統(tǒng)功耗很理想，而且系統(tǒng)只在每個尋呼周期(一個尋呼周期為128幀，640 ms)的開始才被定時器喚醒，進入工作狀態(tài)，然后又立即進入睡眠狀態(tài)，如此周而復始。

由此可見，本低功耗技術實現(xiàn)合理，能夠大大減少移動終端被定時器或者網(wǎng)絡時鐘喚醒的次數(shù)，可以有效地降低系統(tǒng)功耗。

圖10 采用低功耗技術的整機電流指標(截圖)

4 小結(jié)

本文結(jié)合移動終端的特點，提出了一種基于定時器超時時刻調(diào)整的低功耗技術，通過理論和實踐證明，該技術實際合理，能夠大大減小系統(tǒng)在睡眠過程中被定時器喚醒的次數(shù)，從而有效地降低了系統(tǒng)功耗，這對于推動移動通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著積極的理論意義和現(xiàn)實意義。

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