基于定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻調(diào)整的低功耗技術(shù)

楊 豐，段紅光，牟倫榮

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)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(shù)的發(fā)展，通信服務(wù)商能夠提供越來越多的服務(wù)，智能移動(dòng)終端能容納的業(yè)務(wù)也越來越豐富，多媒體的業(yè)務(wù)層出不窮［1］。移動(dòng)終端作為一種便攜式和移動(dòng)性的設(shè)備，完全依靠電池來供電，隨著其功能越來越強(qiáng)大，功耗也越來越大［2－3］。因此，必須提高移動(dòng)終端的待機(jī)和使用時(shí)間。對(duì)于這個(gè)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者算法設(shè)計(jì)［4］，采用先進(jìn)技術(shù)，降低其功耗［1］。然而現(xiàn)有設(shè)備為了方便攜帶而越做越小，因此電池容量也無(wú)法提高，新型的燃料電池距離投入實(shí)際使用還有一段時(shí)間，所以電源的問題將成為移動(dòng)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(shè)計(jì)，最大限度地降低系統(tǒng)功耗，成為移動(dòng)終端發(fā)展的關(guān)鍵問題。針對(duì)通信系統(tǒng)中各定時(shí)器和網(wǎng)絡(luò)端時(shí)鐘頻繁產(chǎn)生中斷使系統(tǒng)過早進(jìn)入工作狀態(tài)的問題，為了解決該問題，現(xiàn)有技術(shù)從不同的角度對(duì)此進(jìn)行了不同手段的研究，要么是對(duì)慢時(shí)鐘進(jìn)行改進(jìn)，要么是維護(hù)慢時(shí)鐘，要么是對(duì)慢時(shí)鐘和快時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)系的處理來達(dá)到離開睡眠模式盡快同步網(wǎng)絡(luò)［1］。然而，在沒有外部時(shí)鐘作為參考基準(zhǔn)的前提下，以上技術(shù)都難以實(shí)施，正是基于這種情況，本文結(jié)合移動(dòng)終端的技術(shù)特點(diǎn)，提出并驗(yàn)證了一種基于定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻調(diào)整的技術(shù)，該方法無(wú)需使用外部時(shí)鐘作為參考即可減少設(shè)備在睡眠狀態(tài)被定時(shí)器喚醒的次數(shù)，能夠有效地降低系統(tǒng)功耗，這對(duì)節(jié)能減排事業(yè)做出了一定的貢獻(xiàn)［6］，并且對(duì)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有積極的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 移動(dòng)終端的工作狀態(tài)

在移動(dòng)終端中，系統(tǒng)的各個(gè)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(jìn)行正常的業(yè)務(wù)處理;空閑模式是指該模塊當(dāng)前沒有業(yè)務(wù)處理;睡眠模式是指該模塊處于低功耗或者關(guān)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(dòng)終端工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

在工作模式下，如果工作任務(wù)完成，則進(jìn)入空閑模式。在空閑模式下，如果收到睡眠指示，則進(jìn)入睡眠模式;如果有業(yè)務(wù)產(chǎn)生，則返回工作模式。在睡眠模式下，如果睡眠時(shí)間結(jié)束，自然喚醒，則進(jìn)入空閑模式;如果有業(yè)務(wù)產(chǎn)生，則返回工作模式。當(dāng)終端處于空閑模式和工作模式時(shí)，各模塊處于正常供電狀態(tài)，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較高，此時(shí)功耗較大，而當(dāng)終端處于睡眠模式時(shí)，各模塊供電電壓降低甚至關(guān)閉，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較低，功率較小［9］，因此，要降低設(shè)備功耗，增加終端的待機(jī)和使用時(shí)間，一個(gè)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(shí)器超時(shí)時(shí)刻調(diào)整的低功耗技術(shù)

2.1 低功耗技術(shù)方案

在移動(dòng)中，系統(tǒng)通常會(huì)通過設(shè)置定時(shí)器的方法來定時(shí)或延時(shí)執(zhí)行一些任務(wù)，定時(shí)器在被創(chuàng)建或開啟時(shí)，可以設(shè)定其預(yù)定時(shí)長(zhǎng)T，當(dāng)終端進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，這些定時(shí)器會(huì)繼續(xù)計(jì)時(shí)，當(dāng)某個(gè)定時(shí)器超時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷，將終端從睡眠狀態(tài)喚醒進(jìn)入空閑模式或工作模式，任務(wù)完成后，終端會(huì)再次進(jìn)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(gè)有效的方法就是減少終端在睡眠過程中被定時(shí)器喚醒的次數(shù)，使其睡眠時(shí)間更長(zhǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)定的定時(shí)器一般都存在一定的時(shí)間偏差容忍度Δt，即定時(shí)器可在其預(yù)定超時(shí)時(shí)刻Tp前后Δt范圍內(nèi)的任意時(shí)刻超時(shí)，而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)任務(wù)的執(zhí)行造成影響，不同的定時(shí)器，其Δt也不相同。鑒于此，提出一種可減少移動(dòng)終端在睡眠狀態(tài)被定時(shí)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(shù)方案流程圖

低功耗技術(shù)方案流程如下:

1)終端在進(jìn)入睡眠模式前，對(duì)已開啟的各定時(shí)器，在其各自的Δt范圍內(nèi)分別調(diào)整其定時(shí)長(zhǎng)度，將定時(shí)器與其Tp±Δt范圍內(nèi)超時(shí)的其他定時(shí)器設(shè)定在同一時(shí)刻超時(shí);

2)設(shè)定終端睡眠時(shí)間，進(jìn)入睡眠;

3)退出睡眠模式時(shí)，為了保證實(shí)時(shí)定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻更加精確，修正其定時(shí)長(zhǎng)度。實(shí)時(shí)定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)度修正為T+(Tp－實(shí)際超時(shí)時(shí)刻)。

本技術(shù)通過在時(shí)間偏差容忍度范圍內(nèi)對(duì)各定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻的調(diào)整，使得各預(yù)定超時(shí)時(shí)刻不同，但Tp±Δt范圍上有重疊的定時(shí)器能夠設(shè)定在同一時(shí)刻超時(shí)，從而減少了移動(dòng)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(shí)器超時(shí)時(shí)刻的調(diào)整方法

系統(tǒng)所開啟的定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻的調(diào)整方法總結(jié)為3種，為了詳細(xì)具體地闡述此調(diào)整方法，以實(shí)例的形式進(jìn)行解釋。實(shí)例中調(diào)整前各定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻示意圖如圖3所示，終端進(jìn)入睡眠前共有5個(gè)已開啟的定時(shí)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(shí)器的Tp和Δt如圖3所示，其中，T1～T5分別為定時(shí)器1～5的定時(shí)長(zhǎng)度，TS1為當(dāng)前時(shí)刻，即終端進(jìn)入睡眠模式的時(shí)刻。

圖3 調(diào)整前各定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻示意圖

方法一流程圖如圖4所示:

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

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

實(shí)例中，各定時(shí)器Δt的大小順序?yàn)椋4＜Δt5＜Δt3＜Δt2＜Δt1，定時(shí)器4的Δt4最小，沒有滿足合并條件的其他定時(shí)器，因此，設(shè)定其超時(shí)時(shí)刻Ta4=Tp4;設(shè)定定時(shí)器5的Ta5時(shí)，只有定時(shí)器4是其滿足合并條件的其他定時(shí)器，因此設(shè)定其超時(shí)時(shí)刻Ta5=Tp4;對(duì)定時(shí)器3設(shè)定時(shí)，滿足合并條件的其他定時(shí)器有定時(shí)器4，因此設(shè)定其超時(shí)時(shí)刻Ta3=Tp4;對(duì)定時(shí)器2設(shè)定時(shí)，沒有滿足合并條件的其他定時(shí)器，設(shè)定其超時(shí)時(shí)刻Ta2=Tp2;對(duì)定時(shí)器1設(shè)定時(shí)，滿足合并條件的其他定時(shí)器為定時(shí)器2，設(shè)定其超時(shí)時(shí)刻Ta1=Tp2。采用方法一，調(diào)整后的超時(shí)時(shí)刻示意圖如圖5所示。

圖4 定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻設(shè)定流程圖(方法一)

圖5 調(diào)整后的超時(shí)時(shí)刻示意圖(方法一)

方法二流程圖如圖6所示:

1)計(jì)算各定時(shí)器的預(yù)定超時(shí)時(shí)刻被其他定時(shí)器的Tp±Δt包括的次數(shù);

2)選擇一個(gè)被包括次數(shù)最多的預(yù)定超時(shí)時(shí)刻作為基準(zhǔn)時(shí)刻;

3)將Tp±Δt包括基準(zhǔn)時(shí)刻的各定時(shí)器的超時(shí)時(shí)刻設(shè)置為基準(zhǔn)時(shí)刻;

4)對(duì)剩余的未設(shè)定超時(shí)時(shí)刻的定時(shí)器，重復(fù)上述步驟，直到完成所有定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻的設(shè)置。

實(shí)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(gè)被包括次數(shù)最多的預(yù)定超時(shí)時(shí)刻Tp2作為基準(zhǔn)時(shí)刻，設(shè)定定時(shí)器1～3的超時(shí)時(shí)刻Ta1=Ta2=Ta3=Tp2;剩余的定時(shí)器4和5再次執(zhí)行步驟1)～3)后，設(shè)定定時(shí)器4和5的超時(shí)時(shí)刻為Ta4=Ta5=Tp4。采用方法二，調(diào)整后的超時(shí)時(shí)刻示意圖如圖7所示。

圖6 定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻設(shè)定流程圖(方法二)

圖7 調(diào)整后的超時(shí)時(shí)刻示意圖(方法二)

方法三流程圖如圖8所示:

1)計(jì)算所有未調(diào)整超時(shí)時(shí)刻的定時(shí)器的Tp±Δt范圍，選擇被最多個(gè)定時(shí)器的Tp±Δt包括的時(shí)間段Δtmax;

2)在Δtmax中選擇一個(gè)時(shí)間點(diǎn)Tmax作為基準(zhǔn)時(shí)刻;

3)設(shè)定Tp±Δt范圍內(nèi)包括了Δtmax的定時(shí)器的超時(shí)時(shí)刻為Tmax;

4)對(duì)剩余的未設(shè)定超時(shí)時(shí)刻的定時(shí)器，重復(fù)步驟1)～3)，直到完成所有定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻的設(shè)置。

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

綜上所述，于實(shí)例中，對(duì)于定時(shí)器1～5，未調(diào)整前共有5個(gè)超時(shí)時(shí)刻，即終端會(huì)被喚醒5次，而經(jīng)以上提出的技術(shù)方案調(diào)整后，在相同的應(yīng)用場(chǎng)景下，終端僅會(huì)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(zhǎng)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，降低了移動(dòng)終端的功耗，特別地，對(duì)于使用大量定時(shí)器的系統(tǒng)，效果將會(huì)更加明顯。

3 基于定時(shí)器超時(shí)時(shí)刻調(diào)整的低功耗功能測(cè)試

在TD－SCDMA手機(jī)平臺(tái)上，采用本低功耗技術(shù)方案，用安捷倫移動(dòng)通信直流電源測(cè)試整機(jī)電流指標(biāo)，整機(jī)電流指標(biāo)如圖10所示。

測(cè)試結(jié)果表明，該移動(dòng)終端待機(jī)的平均整機(jī)電流約為5.58 mA，系統(tǒng)功耗很理想，而且系統(tǒng)只在每個(gè)尋呼周期(一個(gè)尋呼周期為128幀，640 ms)的開始才被定時(shí)器喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)，然后又立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，如此周而復(fù)始。

由此可見，本低功耗技術(shù)實(shí)現(xiàn)合理，能夠大大減少移動(dòng)終端被定時(shí)器或者網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shù)的整機(jī)電流指標(biāo)(截圖)

4 小結(jié)

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

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