关于NB模块的功耗优化

对于物联网终端模块，需要关注其功能、性能、安全成本、能耗等。最近折腾NB芯片模块的功耗，整理下过程中的一些想法。

功耗的组成及优化

从芯片电路角度，功耗分为动态功耗和静态功耗，电容充放电过程中的功耗.动态功耗包括翻转功耗(有效功耗)和短路功耗(无效功耗)。参考《参考SoC设计方法与实现》，芯片模块功率可以表示如下:
$$p=1/2\ast C\ast V_{dd}^2\ast f\ast N_{sw}+Q_{sc}\ast V_{dd}\ast f\ast N_{sw}+I_{leak}\ast V_{dd}$$
其中:

• C为结电容
• f为工作频率
• $V_{dd}$为电压
• Qsc为工作过程中的短路能量
• $I_{leak}$为漏电电流
• N_{sw}数目

总能耗和时间有关系：$W=p\ast t$

对于通信芯片模块的优化需要考虑选择:性能基础上尽量降低功耗、低功耗基础上保证性能或是两者的权衡。功耗优化在整个系统设计过程中都应当纳入考虑范畴，从系统设计到电路级、门级都可考虑优化。目前所做优化基于已有芯片硬件，所以只能在现有基础上，考虑软件处理优化。

从上面电流公式可见，优化的主要目标，降低电压、电流、频率、工作器件数目以及减少工作时间。这样就容易理解功耗处理中的一些常用方法：如DVFS(Dynamic Volatage and Dynamic Frequency Scaling)、Power Domain(电源域)的划分与控制、clock gating等处理。

总的来讲"图难于其易，为大于其细",基于MECE(唯一排他、集合网罗)的原则进行功耗分解[两维度：长度-时间，高度-模块分解]，而后再使用删除、组织、隐藏、转移的方式具体实现。关于具体的实现细节不太能直观说明白，可以从NB-IoT协议看看该系统做的一些优化。

NB-IoT协议中的功耗优化

• DRX 非连续接收
  
  • 移动通信系统中都存在的待机模式下，周期性检测下行寻呼，终端基于和网络协商一致的周期内，只需要尝试接收一小段时间，确认是否存在寻呼消息。
• eDRX extended DRX
  
  • 对DRX的扩展，降低了功耗，增加了时延迟。再eDRX周期内，设置了PTW(Paging time windows)，而只需要再PTW窗口内需要按照DRX的周期进行寻呼检测。
• C-DRX connected状态下的DRX
  
  • 连接态下的非连续接收，主要再低速率服务下，由于数据量较少，没有一直接收的必要，只需周期性检测是否存在下行数据即可。
• PSM Power Saving Mode
  
  • PSM模式类似于power-off状态，不同在于保持和网络的attach及PDN(Packet Data Netwrok)的连接信息。处于PSM模式下的终端，只需要再需要业务或需要和网络信令(周期性TAU tracking Area Update)的情况下才需进入工作状态。
  • PSM状态下的终端，是无法直接联系到的，如果存在业务，可采用High Latency Communication的功能，简单来讲网络存储数据，等待终端连接网络时再发送给数据，GSMA推荐NB-IoT部署时，至少保留最后一条发送给终端的消息。
  • 协议定义了T3412 extended Value和T3324 Timer来实现PSM，T3324是连接态进入空闲态多久后终端进入PSM的定时器，T3412为周期性TAU的时间。当T3324超时，终端可以进入PSM状态；T3412/T3412 Extended 超时，终端需要退出PSM状态发起TAU。
• TX-Power class6 14dBm
  
  • 印象中class6的提出基于和LoRa的比较，相对于其它能力下20+dBm的最大上行功率，功耗相对降低。
• Additional update type
  
  • attach中和TAU信息中可以携带此信元，其中SAF(Signalling Active Flag)比特域，1 keeping the NAS signalling connection is required after the completion of the tracking area updating procedure；0 keeping the NAS signalling connection is not required after the completion of the tracking area updating procedure，理解上告知网络TAU结束后，是否保持连接状态。
• Release assistance indication
  
• 该信元可以携带再ESM DATA TRANSPORT中，其中的DDX(Downlink data expected)域,占用两个比特，0 0 No information regarding DDX is conveyed by the information element. If received it shall be interpreted as ‘neither value “01” nor “10” applies’; 0 1 No further uplink or downlink data transmission subsequent to the uplink data transmission is expected;1 0 Only a single downlink data transmission and no further uplink data transmission subsequent to the uplink data transmission is expected;1 1 reserved。
• 实际中，TAU周期/PSM的T3324定时器终端都是可以通过信令报告给网络的，但最终的决定情况取决于网络，有时和SIM卡相应的APN有关联，参考电信APN与PSM/eDRX等对应关系。如果参数的定义由终端决定，则终端可以根据自身应用的需求来改变不同的参数，如协议上标注：当应用测是周期性数据时，可以安排数据和TAU同时进行，降低TAU流程带来的额外开销。
• Release assistance indication与Additional update type可以加快连接态链路的释放过程从而降低功率开销。

处理器低功耗-ARM低功耗模式

一般的CPU都有低功耗模式设计，在空闲时可以进入sleep状态:

• wait for interrupt
  使用WFI指令，ARM进入sleep模式，等待中断唤醒；
• wait for event
  使用WFE指令，ARM进入sleep模式，等待中断或event唤醒；多核状态可以减少自旋锁的功耗，使用SEV触发Event Signal；
• Sleep-on-exit
  将(System Control Block - System Cotrol Register中)SLEEPONEXIT比特置为1，只处理中断处理时退出wakeup状态，退出中断处理后立即进入sleep模式;
• 是否选择deepsleep亦可通过设置SCR中的SLEEPDEEP标志位控制，各个模式的差异比较:
  

参考文档

• 3GPP 23.682 Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM);Universal Mobile Telecommunications System (UMTS);