一种移动终端动态功耗调整的方法与流程
本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统中终端实现技术，具体涉及一种移动终端中基带的省电方法。
背景技术：
在移动通信系统中，由于终端移动以及电池储能有限，严重限制了移动终端的使用，也影响到用户体验，并且随着移动通信的发展，人们对通信速率要求越来越高，而终端尺寸却越来越小，因此对移动终端的功耗提出了更高的要求，这也是评估不同品牌终端性能的关键指标之一。
目前在移动终端研发过程中，各个基带厂家都十分重视基带功耗问题，但是目前基带省电处理主要集中在移动终端的空闲模式。从技术角度，空闲模式的省电技术已经非常完善，在不使用通信业务情况下，智能移动终端的空闲待机可以达到上百小时，但是连接模式省电能力仍不尽人意，一般仅能维持数小时。
移动终端省电技术，主要可分为睡眠管理模块、电源域以及电压和频率调整三个模块。睡眠管理模块，主要负责在终端进入空闲模式后，关闭所有的电源域，仅开启空闲定时器，在定时器超时时，唤醒基带的相关模块进行相关功能处理，例如空闲模式测量以及监听寻呼。睡眠管理模块也响应来自用户的操作要求，例如处于空闲模式的终端可以在定时器未超时的情况下唤醒基带进行呼叫业务过程。另外，电源域的设计也是基带省电设计关键环节，由于目前基带所支持的功能较多，例如一颗基带同时可以支持3g/4g以及wifi等等，在3g/4g中又存在不同的功能模式，基带在连接模式下(工作模式)，可以通过关闭一些未使用硬件模块或是加速器的电源来达到省电目的，在使用3g时，基带可以关闭4g链路相关加速器，使用4g时可以关闭3g相关加速器，电源域划分越细，设计将越复杂，但省电效果也越好，图1是一种典型的多电源域设计架构，共分成了9个电源，具体参考表1的说明。
表14g典型基带芯片的电源域
在移动终端中，加速器功耗和工作电压、工作频率密切相关，一种连接模式下的省电方法就是动态调整基带电源域的工作电压和工作频率，在每个域使用不同的工作电压和工作频率，并且能够实时进行调整。根据动态电压频率调节(dvfs)设计原理：
上式中，pi为各组件(电源域)的功耗，α为开关活性，c为电容量，fc为开关频率，vdd为供电电压，iq为漏电流。
在第五代移动通信系统(简称：5g)的emmb模式中，空中接口能够提供更高的数据传输速率，也就意味着需要5g终端基带提供更快的处理能力，同时也会增加基带的功耗，这非常不利于5g业务体验。
在实际应用场景中，移动终端基带不需要实时提供高速传输，例如日常生活中普遍使用的微信、qq等软件对通信速率要求低，基带处理需求也非常小，即使是普通流量的网页对通信速率要求也较小。在流媒体视频中，根据不同的视频格式，对基带数据传输要求也存在差异，因此对基带处理速度要求也存在差异。从技术角度来讲，在5g系统中，终端和网络之间进行数据传输之前，首先需要建立分组数据单元会话(简称：pdusession)连接，在连接中将建立qos规则(qosrule)，其中包括了标准5qi到qos特性映射以及qos的特性参数值，具体参照5g系统架构标准3gppts23.501中的5.7.4章节标准的5qi到qos特性映射。其中，qos相关参数中包括有保证的上下速率(guaranteedflowbitrate,gfbr)、最大上下行速率(maximumflowbitrate,mfbr)、每个会话聚合最大比特速率(sessionaggregatemaximumbitrate,session-ambr)以及每个终端聚合的最大比特速率(ueaggregatemaximumbitrate,ue-ambr)。所以基带在进行数据传输之前的建立传输通道过程时，就已经得知数据传输所要达到的最高要求。
从以上分析可知，在5g系统中终端业务qos需求仅仅提供了最大速率和保证速率，但是终端在进行业务过程中，数据传输不会一直处于保证速率或是最大速率状态，并且在实际测试和应用中，业务和业务qos也不一定是完全对应，所以无法采用业务的qos来预测或确定通信速率，因此基带省电中不能采用qos方式对业务进行分类来选择不同的基带电压和工作频率。
在基带动态调整问题上，中国科学院计算技术研究所提出了一种解决方案，参见授权专利：公告号cn103475790b，专利名称：一种智能移动终端功耗管理方法，其实质是提供一种智能移动终端功耗管理方法，包括终端运行一个应用时，先获得该应用的饱和频率,再基于需求算法对cpu的频率进行动态调节，对于各个应用，分别将所得到的饱和频率作为需求算法中的最高频率。其中应用的饱和频率基于应用运行时终端活动特征的预测模型预测得到，此发明能够防止计算资源分配过多但却无法相应地提高用户体验而造成的能耗损失，从而达到节能优化的效果，该发明能够根据用户体验精确降低功耗。但是，这种方式在5g新无线(简称：nr)基带设计中仍然存在很多问题。首先5g的基带不可能针对不同的应用进行功耗评估，基带传输并不关心传输的内容，在实际工程设计上基带和应用是独立分开的。其次在5g移动终端中需要协议栈提供高速的数据处理，从第四代移动通信开始，协议栈处理已经不能仅依赖于cpu处理，通常还需要协议数据通道加速器来实现，因此根据预测模型动态调整cpu的工作频率已经不能满足使用需求。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种移动终端进行高速数据通信时对基带加速器实时进行功耗调整的方法，即基带实时统计单位时间内的数据通路专用内存使用量以及网络调度传输数据量，计算出数据通路数据传输需要的工作电压和工作频率，然后动态调整数据通路中加速器的工作电压和工作频率，从而到达省电的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种移动终端动态功耗调整的方法，包括初始参数配置阶段和动态调整阶段，其中初始参数配置阶段包括以下步骤：
s1：终端和网络之间建立新业务，每个业务有具体qos参数，省电管理模块首先根据业务qos参数，设定一组qos参数对应的工作电压和工作频率，并且将这组工作电压和工作频率配置到工作电压和工作频率控制模块；如图3中1和2步。
s2：工作电压和工作频率控制模块等待数据处理通路的工作参数可调整周期到来，只有数据处理通路的可调整周期到来才能修改数据处理通路的工作电压和工作频率；如图3中3和4步。
s3：数据处理通路可调整周期到来时，工作电压和工作频率控制模块把工作电压和工作频率配置到数据处理通路，达到调整数据处理通路的工作电压和工作频率目的；如图3中5步。
动态调整阶段包括以下步骤：
s4：专用动态内存管理模块实时统计内存使用量，省电管理模块周期性读取专用动态内存的使用量；如图3中6和7步。
s5：无线资源调度模块实时统计无线资源调度量，省电管理模块周期性读取无线资源调度量；如图3中8和9步。
s6：省电管理模块根据内存使用量和无线资源调度量计算出工作电压和工作频率，配置到工作电压和工作频率控制模块；如图3中10和11步。
s7：工作电压和工作频率控制模块等待数据处理通路工作参数可调整周期到来，只有数据处理通路的可调整周期到来后才能修改数据处理通路的工作电压和工作频率；如图3中12和13步。
s8：数据处理通路可调整周期到来时，工作电压和工作频率控制模块把工作电压和工作频率配置到数据处理通路，达到调整数据处理通路的工作电压和工作频率目的；如图3中14步。
在整个连接模式过程中，重复进行步骤s4～s8，完成实时动态调整基带数据处理通路的省电过程。
进一步，所述步骤s6中，工作电压和工作频率的计算方法为：省电管理模块根据单位时间调度数据量确定数据处理通路需要处理的能力等级，再根据内存使用变化量确定在此基础上进行增加或是减少处理需求。
进一步，所述步骤s6中，工作电压和工作频率的计算方法具体为：
假设数据处理通路最大处理数据传输速率能力为maxdatavolume，单位为比特/秒，将处理数据传输能力分成n个等级，则第k个等级支持的传输速率class_rate(k)范围为：
(maxdatavolume/n)*(k-1)≤class_rate(k)<(maxdatavolume/n)*k
其中
假设单位时间δt内调度数据量为dataallocationvolume，计算网络调度传输数据速率schedulerequirementrate＝dataallocationvolume/δt，单位为比特/秒；在单位时间内内存使用变化量为δm，计算出调度传输数据速率对内存变化影响以及调整数据传输处理能力的需求：memoryrequirementrate＝δm/δt；
那么，在单位时间δt内,调整数据传输处理能力需求表示为：
process_requirment＝schedulerequirementrate+memoryrequirementrate
根据process_requirment找到最接近的class_rate(k)中的k值；其中k是对应process_power的数据传输处理能力等级，当process_requirment大于maxdatavolume时，则k取n，根据process_power对应的等级找到需要配置的工作电压和工作频率。
进一步，所述方法由数据处理通道、专用动态内存模块、无线资源调度模块、省电管理模块以及工作电压和工作频率控制模块构成的基带数据处理通路来完成。如图2所示。
进一步，所述数据处理通路，完成基带中每层数据的处理过程，包括每子层数据处理，子层的头解析以及组装。数据处理通道的数据传输处理能力process_power(k)分成n(n≥1)等级，其中
进一步，所述专用动态内存模块，提供基带数据处理通道的数据缓存，数据通道的每个子层的数据处理都共享这片内存区域，并且实时统计内存使用量。
进一步，所述无线资源调度模块，周期性统计来自网络的无线资源调度量，用于实时记录和评估数据处理通路需要处理的数据量。
进一步，所述省电管理模块，根据基带工作状态，周期性监视专用动态内存模块中的内存使用量以及无线资源调度量，计算出数据处理通路加速器需要的工作电压和工作频率。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明提出的一种移动终端在连接模式下进行动态功耗调整的方法，与目前通用的功耗调整方法相比，传统方法是终端进入连接模式之后，统计cpu处理器的使用率，如果cpu空闲率比较高，则降低cpu主频来达到省电的目的。在4g以及4g以前的基带省电中，上下行数据通路的处理不是完全由加速器来实现，所以协议栈的cpu空闲率能够反映数据处理量。在通信速率高的时候调高cpu主频，通信速率低时候调低cpu主频，但是这种方式已经不适合5g移动通信系统。为了在5g基带中实现更高的传输速率，终端基带的上下行数据处理上都采用加速器方式来实现，cpu不需要过多参与，因此统计cpu空闲率的方法已经不再实用，采用本发明统计内存使用量和调度量来评估传输通路的数据处理量更加合理。
(2)移动终端省电是移动设备关键技术之一，在4g和4g之前的基带省电技术中，重点集中在空闲模式，例如睡眠模式设计，睡眠模式又分成了深睡眠和浅睡眠等等，这些都大大增加移动终端空闲模式待机时间，但是对于连接模式的省电研究相对较少，导致了终端待机时间长，但是实际能够使用的时间很短，特别在5g场景中，随着通信速率的提高，加速器数量也增加，同时增加了终端功耗，本发明实现了移动终端在连接模式下通信速率以及终端功耗之间的平衡。
(3)在基带设计中，省电模块和基带设计总是存在紧耦合关系，造成基带信号处理和省电实现困难，增加了基带信号处理和省电的复杂度，本发明将省电和基带信号处理进行分离，在研发和调试中，省电和基带处理更精准地进行模块化设计，提高了设计效率和基带的稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为4g典型基带芯片电源域的示意图；
图2为基带数据处理通路省电框图；
图3为基带数据通路省电处理流程图；
图4为移动终端基带上下行数据通路省电框图；
图5为协议栈下行数据通路框图；
图6为协议栈上行数据通路框图；
图7为协议栈动态功耗调整流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了清晰说明本发明在5g移动终端基带设计中的使用，下面将给出5g移动终端上下行数据通路的动态省电方式。在该实施例中，5gnr移动终端的省电架构由省电管理模块、工作电压和工作频率控制模块、协议下行数据通路、协议栈上行数据通路以及arm子系统、应用处理系统和物理层组成。具体如图4所示。
协议栈下行数据通路，负责5gnr空中接口协议的业务数据适配(简称：sdap)子层，分组数据汇聚(简称：pdcp)子层，无线链路控制(简称：rlc)子层以及媒体接入控制(简称：mac)子层的接收数据处理，包括每子层的头解析和数据提交到上层。同时协议栈下行数据通路完成专用下行内存量的实时统计dwmemoryvolume，以及基站调度下行传输的传输数据量dwschedulevolume。
在基带设计过程中，需要对下行数据通路的数据传输处理能力进行评估，即下行数据通路可处理的最大数据速率以及功耗之间的关系，下行数据通路的加速器功耗也随等级增加而增加，在该实施例中，总计分成10个等级，工作频率7级，工作电压3级，如表2所示。
表2基带下行数据通路的数据传输处理能力表格
协议栈上行数据通路，负责5gnr空中接口协议的sdap子层，pdcp子层，rlc子mac子层的发送数据处理，包括每子层的头组装和数据发送到下行。同时协议栈上行数据通路完成上行专用内存量的实时统计upmemoryvolume，以及基站调度上行传输的传输数据量upschedulevolume。
在基带设计过程中，需要对上行数据通路的数据传输处理能力进行评估，即上行数据通路可处理最大数据速率以及功耗之间的关系，上行数据通路的加速器功耗也随等级增加而增加，在该实施例中，总计分成9个等级，工作频率7级，工作电压3级，如表3。
表3基带上行数据通路的数据传输处理能力表格
省电管理模块完成获取和统计协议栈下行数据通路和协议栈上行数据通路的动态内存使用情况，以及网络调度终端进行数据传输量。根据专用动态内存使用量和网络调度传输数据量，分别计算出上下数据通路处理需求等级up_process_power和dw_process_power，由up_process_power查找上行数据通路以及物理层硬件加速器需要的工作电压和工作频率，dw_process_power查找下行数据通路以及物理层硬件加速器需要的工作电压和工作频率。
工作电压和工作频率控制模块根据省电管理模块提供的工作电压和工作频率，在下一个协议栈的上下行数据通路和物理层硬件加速器调整周期accelator_adjust_period_time到来时进行工作电压和工作频率周期调整。
在本实施例中，由于5gnr移动终端需要进行高速数据处理，协议栈下行数据通路中数据处理的各个模块将共享动态内存，即本发明中专用动态内存dwmemoryvolume，即如图5所示，从物理层接收到数据块，mac子层，rlc子层，pdcp子层，sdap子层以及应用层都共享动态内存，层与层之间数据传递不需要进行数据拷贝，仅仅进行数据指针传递即可。
在本实施例的协议栈上行数据通路设计中，从应用层发送的数据包，经过sdap子层，pdcp子层，rlc子层，mac子层以及到物理层，在终端基带中不需要进行数据拷贝，采用直接数据指针传递方式完成。如图6所示。
本实施例具体工作流程可分成两个阶段：初始参数配置阶段和动态调整阶段。初始参数配置阶段包括下面步骤s1～s3，动态调整阶段包括下面步骤s4～s6。具体步骤为：
步骤s1：终端和网络之间建立业务过程，具体建立pdu会话过程，在建立pdu会话过程中，终端和网络之间将进行业务质量qos协商。协议栈的arm子系将业务协商的qos参数配置给省电管理模块，如果没有配置qos参数，则使用默认qos参数，如图7中1和2步。
步骤s2：省电管理模块根据业务qos参数，设定协议栈上行数据通路和协议栈下行数据通路加速器的工作电压和工作频率初始值。并且将初始工作电压和工作频率发送到工作电压和工作频率控制模块。如图7中3和4步。
步骤s3：工作电压和工作频率控制模块等待调整周期accelator_adjust_period_time到来，当协议栈上行数据通路和协议栈下行数据通路的加速器调整周期到来时，工作电压和工作频率控制模块将省电管理模块提供的工作电压和工作频率配置到对应的协议栈上行数据通路和协议栈下行数据通路的加速器上。如图7中5、6、7步。
步骤s4：省电管理模块周期性(周期长度：operation_period_time)读取协议栈上行数据通路动态内存使用量(upmemoryvolume)和协议栈下行数据通路动态内存使用量(dwmemoryvolume)，如图7中8、9、10、11步。
具体描述，省电管理模块周期性操作时间operation_period_time等于accelator_adjust_period_time的整数倍时间长度。假设accelator_adjust_period_time调整周期为5ms时间，那么省电管理模块周期性操作时间(operation_period_time)可以是10ms,15ms等等。
步骤s5：省电管理模块根据获得的上下行专用动态内存使用量，获取网络动态调度终端上下行数据传输量，预测协议栈上下行数据通路加速器需要的工作电压和工作频率。并且将计算结果配置到工作电压和工作频率管理控制模块。如图5中12、13步。
具体描述，协议栈下行数据通路处理数据速率需要如下：
dw_process_power
＝(dwschedulevolume+δdwmemoryvolume)/accelator_adjust_period_time
其中：δdwmemoryvolume等于前一个单位时间(operation_period_time)动态内存使用量减去当前单位时间动态内存使用量。
协议栈上行数据通路处理数据速率需要如下
up_process_power
＝(upschedulevolume+δupmemoryvolume)/accelator_adjust_period_time
其中：δupmemoryvolume等于前一个单位时间(operation_period_time)动态内存使用量减去当前单位时间内存使用量。
省电管理模块根据dw_process_power和up_process_power计算结果，查询表2和表3找到对应的工作电压和工作频率。假设dw_process_power数据传输速率需求是820mbps，up_process_power数据传输速率需求是225mbps，那么dw_process_power对应等级5，up_process_power对应等级2。
步骤s6：工作电压和工作频率控制模块等待调整周期accelator_adjust_period_time到来，当协议栈上行数据通路和协议栈下行数据通路的加速器调整周期到来时候，工作电压和工作频率控制模块将来自省电管理模块提供的工作电压和工作频率配置到对应的协议栈上行数据通路和协议栈下行数据通路的加速器上。如图7中14、15、16步。
动态工作电源和工作频率调整步骤为步骤s4～s6，在业务过程中进行周期性调整。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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