Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 功率技術/新能源
 
 
功率技術/新能源  

降低多模手機功耗的關鍵技術探討

上網時間: 2008年02月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:固網  行動  手機 

固網行動融合(FMC)勢在必行,手機(即雙模或多模手機)將能夠在行動網路與非授權無線系統(如Wi-Fi或藍牙連接)之間實現無縫切換。首先,消費者透過使用VoIP或固網電話來降低通話成本的需求存在。其次,實現三網合一的廠商的數量在不斷增加,對他們來說,固網與行動融合既是一個賣點,也是利潤的來源─無論採用何種呼叫方式,他們都能賺錢。服務供應商與設備製造商已經開始密切合作,致力於開發網路完全融合的標準。

早期,Wi-Fi手機的主要問題在於Wi-Fi與行動網完全獨立。行動廠商最初因無法從中獲利而把Wi-Fi看成一種威脅,結果導致了雙輸的局面。由於Wi-Fi無法無縫地整合在用戶體驗中,用戶需要‘啟動’Wi-Fi網路。同時,由於缺乏將Wi-Fi與行動網無縫整合的技術,用戶需要同時開啟GSM和Wi-Fi,即在用戶使用Wi-Fi時行動廠商也需要繼續透過GSM提供服務,導致了額外的功耗,且Wi-Fi的用戶體驗也不令人滿意。

此後,廠商與設備供應商開發了透過Wi-Fi和IP提供行動語音、數據和IMS服務的技術,增強了Wi-Fi對行動廠商的‘友好’性。如今的雙模手機可以不用開啟GSM就使用Wi-Fi,所有語音與數據服務也可以透過IP提供,無需使用GSM網路。

這一技術最終導致了通用接取網路(GAN)規格,即過去的非授權行動接取(UMA),這一規格現已成為3GPP的標準。

功耗是實現FMC的關鍵

儘管有消費者需求的推動,要將FMC投入大眾市場仍面臨相當大的挑戰,該挑戰主要來自於電池技術。過去十年,人們並未在研發具有比鋰離子電池更高密度的電池方面取得重大進展。消費者對超薄手機的需求引發電池尺寸的進一步縮小,同時,目前手機標準的電池電量值實際上遠遠小於上一代手機,一般為650mAh,而不是1,000mAh。那麼,如何在不影響待機與通話時間的前提下,將手機功耗降低30%已經成為晶片製造商面臨的重大挑戰。而FMC手機(一般稱為雙模手機)必須同時支援兩種或三種無線網路,其功耗更大。因此,第一部FMC手機的待機時間和通話時間指標都不高也在意料之中。UMA能夠顯著改進雙模手機的電池性能,改善消費者的用戶體驗,並使行動服務供應商獲利,成為了三贏方案。

早期Wi-Fi手機面臨的第二個重大問題是,無線(WLAN)模組用於PC和其它交流電供電的電腦週邊設備時,功耗並不是被關注的問題,但當將其用於手機時,功耗問題凸現出來。這意味著,在某些情況下,這種手機的待機時間只有半天,這也是很多分析師認為FMC市場前途未卜的原因之一。

可喜的是,最新的三星UMA雙模手機(基於恩智浦半導體的手機平台)改變了這一局面,它有效地提升了待機和通話時間,促使分析師們開始重新考慮這個市場。

融合手機平台的發展

1. 第一代FMC手機

UMA手機上市一年以來,關於其特性、功耗以及發展方面已經有了一些初步體驗。這些手機通常是在行動平台中整合一個WLAN子系統。兩個系統完全獨立存在,大多數時間內都處於省電模式,尤其是在空閒模式下。FMC系統中一次只有一個系統在運作(如UMA/GAN)的明顯好處是呼叫將被重新路由並交給目前活動的系統,以關閉另外一個系統。

如果FMC方案在WLAN上整合VoIP(通常基於SIP)並與蜂巢式系統(GSM/UMTS)平行使用,由人機介面(MMI)/用戶決定呼叫路由和接聽方式,則不具備上述優勢。

2.第二代融合手機

由於越來越多的用戶使用藍牙耳機,第二代融合手機一般都整合了藍牙功能。這類手機整合了三個射頻系統,並在它們之間進行協調:由於採用協同工作濾波器,GSM與藍牙以及GSM與WLAN可以一起工作。但藍牙和WLAN共用同一頻段,彼此之間干擾嚴重,因此需要複雜的射頻接取協調,特別是藍牙和WLAN IC之間進行緊密協調。

除此以外,第三個系統(藍牙)在空閒(掃描)和通話(即在使用耳機模式)時也需要額外功耗。因此,藍牙子系統本身與所在的整個系統架構都需要具備很好的能效。

3.WLAN專用PMU

採用專用於WLAN和/或藍牙平台的PMU,可以避免因線性穩壓器(LDO)造成的損耗,達到進一步改善能耗的目標。

需求的變化

功耗需求在過去的兩年內產生了相當大的變化。用戶剛開始還能接受一些解釋:手機內建WLAN,這會損耗一些電量,待機時間只有GSM的一半。不久以後,要求WLAN待機時間達到數天則成為主要需求目標。

但這依然沒有滿足消費者的期望:電池即便在支援相同的待機時間基礎上還要能夠通話一段時間(如3個小時)。第一批消費者的反饋顯示融合手機必須具備與普通GSM手機相同的性能,消費者不希望因採用FMC技術而帶來任何明顯的差異。因此,廠商不但不會宣傳,甚至會對用戶進行隱藏該項技術。

‘普通’GSM手機的另一個市場推動力是Razr的成功,以及隨之不斷成長的對超薄手機的需求。現在,相同功能和性能的GSM手機(也包括FMC手機)一般都採用650mAh電池,而不是1,000mAh,因此所有手機元件(包括WLAN)需要節省30%的能耗。

圖1為功耗要求的典型演化圖,後文將討論實現這一目標的解決方案。

圖1:UMA系統(來源:Kineto Wireless)。
圖1:UMA系統(來源:Kineto Wireless)。

關鍵系統設計

1. 整體設計

作為獨立的子系統,WLAN子系統需要擁有自己的時脈、電壓控制、省電模式管理,以及必要時啟動主機的能力。必須避免在空閒時間內兩個系統平行工作:如果可以使用首選系統(WLAN),則另一個系統(GSM)需要進入睡眠狀態。

使處理器之間的通訊最小化。WLAN只有在收到相關數據時才啟動主機。RSSI(電平)測量應在WLAN子系統內局部進行─只有測量值超出特定極限才啟動主機。

2. 協議分層及例外

嵌入軟體通常依照OSI模型分層:實體層在專門的硬體/DSP/CPU上執行(尤其是藍牙、WLAN、GSM、UMTS);低功耗在硬體和軟體中都採用‘內建設計’,即透過時脈/電壓等級、省電模式等;較高層將在功耗更高的主CPU(或應用CPU)上執行。嵌入軟體設計通常涉及到不同組織、路線圖、團隊、軟體語言、OS、工具和限制等。

作為通用規則系統架構,應依照時間域佈置軟體層:GSM中,每一訊框的處理應在DSP上完成而不是主CPU(以前情況並非如此,通常計劃預算也不允許完全重新設計),不過協議工作應在主CPU上完成。

以下例外情況如果可以實現,則將大幅降低待機功耗:GSM中,協議每0.5秒檢查用戶收到的資訊是否為呼叫,這項工作可以轉交DSP,使主CPU有更長的睡眠時間;WLAN中每0.1~0.5秒進行一次RSSI和其它測量,但只有當動態低負載極限超出上、下值並將產生動作時,才應啟動主處理器。

3. 惰性範例

一般情況下,所有演算法設計時都考慮最差狀態下的最佳性能。如果有足夠的可用電源,這種方法不會產生任何問題,但通常情況下這一要求會過高,因而需要根據實際情況進行調整,例如:

每0.5秒查看鄰近蜂巢式網路可以產生良好的切換性能,而在空閒狀態下此動作可以被簡化;

使用外部電源工作時(充電器、USB電纜),可以選擇最高性能的演算法,而使用電池時則減少此類作業;

只要用戶進行作業(如按鍵)就應啟動高性能演算法,但在一段時間內沒有任何作業,則應使用電池最佳化演算法;

軟體只應做必須的事情(在限制功耗狀態下),只在必要時刷新緩衝記憶體,而不是採用自動定時刷新的方式;

手機要考慮到環境的變化,如檢測‘全天同一位置’與‘不斷行動’的情況,以減少網路掃描等請求;

高階節能措施還需要考慮電池狀態的變化:如果電池電量下降,則行動切換速度、TX功率、螢幕刷新等性能也需要進一步降低;

系統範例需要全局介面以及應用於整個系統的單一設計,如‘使用電池’與‘使用電源’狀態或活動指示等,所有演算法都需要這些資訊。

圖2:UMA手機功耗的演變(資料來源:恩智浦半導體公司)。
圖2:UMA手機功耗的演變(資料來源:恩智浦半導體公司)。

圖3:融合手機第一代平台(資料來源:恩智浦半導體公司)。
圖3:融合手機第一代平台(資料來源:恩智浦半導體公司)。

圖4:融合手機第二代平台(資料來源:恩智浦半導體公司)。
圖4:融合手機第二代平台(資料來源:恩智浦半導體公司)。

圖5:融合手機第三代平台(資料來源:恩智浦半導體公司)。
圖5:融合手機第三代平台(資料來源:恩智浦半導體公司)。

關鍵軟體設計

1. 替換‘Do…While’循環

嵌入軟體一般具有很多以平行邏輯執行的RTK任務。多數情況下,軟體需要等待某個條件為真,如‘AP已關聯’、‘IP地址已分配’和‘呼叫已設立’等。

最初採用一種簡單的方案(經常用於‘C’語言),即在一個任務中使用‘Do…while’命令,並用循環輪詢來獲得較低優先級任務的結果(如IP協議堆疊)。

此時,CPU保持執行直至條件成立,這將導致高功耗。實際例子如等待顯示器完成刷新。較好的方案是啟動RTK定時器,然後進入一段睡眠時間,過後再次檢索條件。這種方法原理上仍是一種‘輪詢’,但減少了對功耗的影響,並可以採用不同的睡眠間隔度,動態地適應不同的性能需求。

更好的方案是採用RTK消息與中斷,當最終達到條件時啟動主機。這樣能夠最大程度地降低功耗,不過中斷是一種稀有資源,而系統架構必須在設計時就考慮最高效功耗。不幸的是,功耗問題一般在產品生產後期才被發現,因此需要進行重新設計,但很少有人會重新設計。

定時器管理是關鍵

嵌入軟體經常需要從幾毫秒到數天的定時範圍,特別是硬體處理、軟體輪詢,或由標準特定(IP、電信等)。

定時器到時需要啟動CPU並執行RTK/OS程式。退出省電模式後需要一段時間來達到系統穩定,而返回省電模式也需要一些時間來準備下一次的正確啟動。

CPU啟動一般非常快(在微秒範圍),但主時脈仍需執行,這樣只節省了少量功耗。全系統的睡眠(包括主時脈)可能需要5~20ms的啟動時間,但只有這種方法才能提供最大的節能效果。

應盡可能避免出現定時器頻繁溢出的情況。特定900ms的定時器可以透過900x1ms、90x10ms、9x100ms的時脈單位(tick)來實現,這樣作對功耗有著全然不同的影響。作業系統應使用最大時脈單位長度。

這意味著為獲得最大節能效果,必須盡可能放鬆對定時器精密度的要求,例如不採用900ms(此時作業系統時脈單位的時間間隔為100ms),實際應用中‘1秒’可能已經足夠。手機擁有與實際空中介面實體層相關的系統時脈單位。使用這些時脈單位而不是人工的ms或s為單位,就可以減少啟動的次數。GSM每訊框4.615ms,使用這個時長為一個‘時脈單位’成為自然的選擇。語音採用多個20ms作為時間間隔,需要不同的時脈單位。WLAN信標基於100ms的自然時脈單位間隔。

功耗問題將永遠存在

手機產業屬於快速變化的產業,每年都會在新款手機上增添很多新功能,而用戶期望的使用時間卻與上一代手機一致,甚至更長。

即使在更大螢幕尺寸、更大畫面尺寸、更多可儲存音樂,以及更多的接取網方式(用戶甚至經常看不到)的情況下,用戶對電池使用時間的預期依然不變。鑒於提高電池容量的工作沒有實質性進展,以及超薄手機流行的趨勢,現有功能的實際可用電量正逐年大幅下滑。因此,在新手機中維持原有的良好功能就需要每年都產生創新的想法,要添加新功能無疑更是如此。

作者:Thomas G. J. Richter

資深首席工程師

恩智浦半導體公司




投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 降低多模手機功耗的關鍵技術探討
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首