CN104768183B - Lte系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种LTE系统中对移动终端的射频前端动态功耗评估的方法。本发明包括：根据LTE系统中上行链路采用的调制方式QPSK、16QAM和64QAM下分别计算射频前端对应的能耗；在能耗建模时，综合考虑了由调制级数和滚降因子共同引起的信号峰均比PAR对射频前端能耗的影响，同时选择衰落信道更贴近实际情况；在MATLAB平台下完成仿真实验，根据仿真结果完成能耗评估；本发明把LTE通信系统相关参数与射频前端能耗相关联，在一定的信道质量下，终端通过选择最佳的调制方式和升余弦滚降滤波器的滚降因子，使终端在满足一定的误码率前提下获得较低的能耗。

Description

LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法。

背景技术

长期演进LTE系统中各种新兴业务和更高的数据传输速率快速发展导致移动终端的能耗加剧。移动终端通常是由电池供电的，由于电池的容量非常有限，大大滞后于终端的能耗增加速度，而终端并非随时处于插电状态，因此，如何减少移动终端电池能量的消耗，延长续航时间逐渐成为一个研究的热点问题。降低移动终端的能耗，不仅可以减少二氧化碳的排放量，还可以延长终端电池的使用时间，提高用户的业务体验。

在移动终端中，射频前端主要由射频收发信机组成。它主要处理高频的模拟信号，负责终端通信的任务，并且要间歇性与基站通信以保证终端的信号畅通，是终端的一个主要耗电单元。降低射频前端的功耗对于实现终端的低功耗有重要的作用。近年来，关于无线通信收发信机在各方面的低功耗技术有很多的研究，如低功耗自适应调制、低功耗路由、时延控制传输方案等。在大部分早期的研究工作中，射频前端和模拟电路部分的能耗通常被忽略或者被简化为常量，这将会导致能耗评估不精确，甚至发生错误。为了更精确的分析射频前端的能耗，进而研究如何降低射频前端的能耗，建立一个精确和全面的射频能耗模型是必需的。

基于此，文献：Ye Li,Bertan Bakkaloglu.A System Level Energy Model andEnergy-Quality Evaluation for Integrated Transceiver Front-ends[J],IEEETrans.On VLSI systems,vol.15,no.l,2007,pp.90-103:提出了一个综合的无线射频前端系统级能量模型，在模型中添加了其他研究人员所忽略的重要通信参数如信号峰均比、采样频率等参数对能耗的影响。但只是在MQAM调制方式下计算出理论射频前端能耗，并没有考虑其他的调制方式。文献B.Chai,Y.Li,Y.L.Zhang.Optimal Transmitter Design forWPAN[C],IEEE Circuits and Systems International Conference on.Chengdu:IEEEPress,2009:1-4:进一步研究了采用A类和E类功率放大器的射频前端模型，分别采用了MPSK和MSK调制方式，并评估了在不同调制方式的射频前端对应的能耗、误码率和频谱效率，但是在计算能耗时忽略了由成型滤波器和调制级数所引起的峰均比PAR对能耗的影响。文献：Ji-qiang Zhai,Hui-sheng Zhang.Energy Efficient RF Front-EndsArchitecture Design for Wireless Sensor Networks[C].Networks Security WirlessCommunications and Trusted Computing International Conference on.Wuhan:IEEEPress,2010:24-25:介绍了WSN系统中四种调制方式下的射频前端收发信机架构及其能耗模型，通过仿真给出了适合不同距离和速率的调制方案，但是忽略了由调制级数b引起的峰均比对放大器的影响。

上述研究方法给出了通用了射频前端能耗建模方法，以及把它用于传感器网络和无线个人局域网WPAN中的射频前端能耗建模中。同时由于研究的重点不同，忽略了一些调制方式和相关系统参数对能耗的影响。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供了一种功耗估计更精确、使终端的射频前端动态功耗达到最小的LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法。本发明的技术方案如下：一种LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、分别获取移动终端的射频前端发射机G_t、接收机的天线增益G_r、系统损耗因子L、载波波长λ、信号传输时信道中的噪声功率N，自由空间传播距离d，比例常数K＝0.5，三种调制方式QPSK、16QAM和64QAM调制方式下的误码率SER_QPSK、SER_16QAM、SER_64QAM，及调制级数b，载波的信号峰均比PAR_c，PAR_roll-off是指受升余弦滚降滤波器的滚降因子影响的信号峰均比PAR_roll-off，并分别建立三种调制方式即QPSK、16QAM和64QAM调制方式下的射频前端功率放大器PA的功耗模型P_{PA_QPSK}、P_{PA_16QAM}、P_{PA_64QAM}：

P_{PA_QPSK}、P_{PA_16QAM}、P_{PA_64QAM}分别是QPSK、16QAM和64QAM调制方式下PA的功耗；

102、根据公式E_bit＝(P_E+P_PA)T_bit＝(P_E+P_PA)/(R_Sb)计算射频前端的能耗，其中P_PA是PA的功耗，P_E是射频前端除了PA之外其它模块消耗的功耗，T_bit是每比特的时间，R_S是数据传输速率，b为调制级数，在计算射频前端的能耗时，信道选择衰落信道，假设信道的衰落系数为h，则三种调制方式下射频前端能耗模型表达式：

其中，E_{QPSK_bit}、E_{16QAM_bit}和E_{64QAM_bit}分别为三种调制方式下射频前端的每比特能耗，T_bit是每比特的时间；

103、移动终端获取射频前端当前工作状态下的传输环境以及性能要求，包括传输距离、信道衰落系数、数据传输速率、带宽、信号峰均比、误码率SER，在MATLAB平台下输入传输距离、信道衰落系数、数据传输速率、带宽、信号峰均比、误码率，进行仿真，当误码率SER≤10^-3，信道条件d/|h|≤8米，终端采用16QAM调制方式，在d/|h|≥8米，移动终端采用QPSK调制方式，其余情况下，选择QPSK调制方式，对于16QAM调制方式可使终端的升余弦滚降滤波器的滚降因子选择α＝0.4，对于QPSK调制方式α＝1。

进一步的，所述移动终端的射频前端主要由射频收发信机组成，主要包括功率放大器、混合器、频率合成器、低噪声放大器、基带放大器、数模转换器和模数转换器。

进一步的，步骤103中误码率SER作为衡量通信质量的指标，若基带滤波采用升余弦滚降滤波器，得到三种调制方式QPSK、16QAM和64QAM调制方式下误码率与滚降因子α的关系式：

其中，SER_QPSK、SER_16QAM、SER_64QAM分别为三种调制方式的误码率，SNR₀为初始信噪比。

本发明的优点及有益效果如下：

1、考虑了LTE系统中的上行链路采用的调制方式：QPSK、16QAM和64QAM对PA功耗的影响，信号峰均比是影响PA功耗的一个关键因素，对PAR的计算综合了调制级数b和滚降因子两个参数的影响，使得PA的功耗计算更加精确。

2、在射频前端能耗计算中，信道选择了衰落信道，使射频前端的能耗计算更加贴近实际情况，同时还加入了带宽对能耗的影响。

3、对于误码率的计算，加入了滚降因子的影响，在不同的调制方式下，根据误码率的要求，可以确定滚降因子的取值大小。

4、该方法把射频前端电路与一些系统参数如传输距离、信道衰落系数、数据传输速率、带宽、PAR相关联，通过仿真分析，可以在满足一定误码率的条件下，对调制方式和升余弦滚降滤波器的滚降因子进行选择，使终端的射频前端动态功耗达到最小。

附图说明

图1是本发明的移动终端射频前端的硬件结构框图；

图2为本发明的方法实现流程框图；

图3为不同调制方式下d/|h|对射频前端每比特能耗的影响；

图4为不同调制方式下数据速率对射频前端每比特能耗的影响；

图5为不同调制方式下带宽对射频前端每比特能耗的影响；

图6为不同调制方式下PAR对射频前端每比特能耗的影响；

图7为不同调制方式下滚降因子对误码率的影响。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

本发明提供一种LTE系统移动终端射频前端动态功耗建模与评估的方法，以下将结合附图，对本发明的实施作具体描述。

如图1所示，移动终端的射频前端主要由射频收发信机组成，图1A所示为射频前端发射机结构框图，图1B所示为射频前端接收机结构框图，主要包括功率放大器、混合器、频率合成器、低噪声放大器、基带放大器、数模转换器和模数转换器。

本发明的具体实现流程如图2所示，具体步骤如下所示：

S1：在全双工通信系统中收发信机有四种工作模式活跃、空闲、睡眠和转换模式，射频前端的总能耗是这四个模式的能耗之和。本发明只考虑活跃状态的能耗，射频前端的动态能耗为：

E_active＝(P_PA+2P_mix+2P_FS+P_LNA+P_filter+P_BA+P_DAC+P_ADC)T_on。

其中E_active为射频前端的动态能耗，P_PA、P_mix、P_FS、P_LNA、P_filter、P_BA、P_DAC和P_ADC分别是功率放大器、混合器、频率合成器、低噪声放大器、基带放大器、数模转换器和模数转换器对应的功耗，T_on为活跃状态的时间。在P_mix和P_FS之前的系数2是因为在全双工系统中发射机和接收机中都有频率合成器和混合器，且具有相同的功耗。

S2：PAR是影响射频前端能耗的一个重要参数，PAR是信号的峰值功率与它的均值功率的比值。PAR给出信号在幅值范围内是如何分布的信息。较低的PAR值表示较均匀的分布，能源效率较高。射频前端的动态能耗可以分为两部分，一是与PAR无关的模块的能耗，二是与PAR相关的模块的能耗，故射频前端动态能耗为：E_bit＝(P_{non_PAR}+P_PAR)T_bit，其中E_bit是射频前端每比特能耗，P_non-PAR是与PAR参数无关模块的功耗，P_PAR是与PAR参数相关模块的功耗，T_bit是每比特的周期，PAR主要影响功率放大器PA、数模转换器DAC和模数转换器ADC。PA是射频前端能耗较大的组成元件，同时由于ADC和DAC能耗变化较小，通常假设它们的能耗为常数，主要考虑PAR对PA的影响。故射频前端每比特能耗可表示为：

E_bit＝(P_{non_PAR}+P_PAR)T_bit＝(P_E+P_PA)/(R_Sb)

其中P_PA是PA的功耗，P_E是射频前端除了PA之外其它模块消耗的功耗，R_S为数据传输速率，b为调制级数

S3:若基带滤波采用升余弦滚降滤波器，带宽与滚降因子α也有关系，由可知其中B为滤波器绝对带宽，R_S为符号速率。对于射频系统，RF的通带带宽要加倍，故：代入能耗公式，可得：可知，每比特能耗还受到带宽的影响。

S4:由于PA主要存在发射机中，因此主要考虑LTE系统上行链路的调制方式QPSK、16QAM和64QAM，在不同的调制方式下射频前端的每比特能耗为：

(修改了E_{QPSK_bit}和E_{64QAM_bit})

其中，E_{QPSK_bit}、E_{16QAM_bit}、E_{64QAM_bit}分别为QPSK、16QAM和64QAM调制方式对应的射频前端的每比特能耗。

S5：根据上述的能耗计算公式，在MATLAB平台下做仿真实验，并对仿真结果进行分析。

图3是不同调制方式下d/|h|对射频前端每比特能耗的影响，图4是不同调制方式下数据传输速率对射频前端每比特能耗的影响，图5是不同调制方式下带宽对射频前端每比特能耗的影响，图6是不同调制方式下PAR对射频前端每比特能耗的影响，图7是不同调制方式下滚降因子对误码率的影响。

结合图3、4、5、6和7，对射频前端动态功耗进行评估，详细步骤包括：

S1：首先需要确定终端当前通信条件下对误码率的要求，假设误码率SER的要求是SER≤10^-3，从图7中可知满足误码率条件的调制方式有16QAM和QPSK，且两者相比较，QPSK对应的误码率较低。

S2：由于滚降因子α增大，误码率增大，PAR的值减小。在满足误码率条件时，终端的升余弦滚降滤波器选用较大的α，可使PAR值减小，对应的射频前端能耗也降低，在这里，对16QAM可选择α＝0.4，对于QPSK可选择α＝1。终端获取LTE系统一些相关参数信息，如传输距离、信道衰减因子、带宽、数据传输速率、信号峰均比PAR的值；

S3：若传输距离与信道衰减因子的比值为：d/|h|≤8时，由图3可知，选择16QAM调制方式终端对应的能耗值最小，反之，终端应该选择QPSK调制方式使终端获得较多的节能；对于数据传输速率，在图4中d/|h|＝20，从图中可以看出在相同的数据传输速率下，16QAM对应的能耗大于QPSK对应的能耗，相比较而言可选择QPSK调制方式对应能耗较低；

在相同的带宽条件下，QPSK调制方式对应的射频前端能耗低于16QAM，如图5所示，其中d/|h|＝20。故在相同的带宽下，选择QPSK调制方式对应的能耗较低；

信号峰均比PAR值越小，表示信号分布越均匀，能源效率越高。从图6可知，16QAM调制方式对应的能耗始终大于QPSK调制方式，其中d/|h|＝20，故在这种情况下，应选择QPSK调制方式。最终选择哪种调制方式，可使终端获得较低的能耗，还需要结合上述参数，综合考虑。根据上述分析，在满足误码率SER≤10^-3条件时，B、R_b和PAR变化下，QPSK对应的能耗始终大于16QAM对应的能耗，因此还需要考虑d/|h|对能耗的影响。在信道条件d/|h|≤8，终端应采用16QAM调制方式，在d/|h|≥8，终端采用QPSK调制方式。对于16QAM调制方式可使终端的升余弦滚降滤波器的滚降因子可选择α＝0.4，对于QPSK调制方式α＝1。

本发明中，针对不同的信道条件和误码率性能要求，终端对调制方式的选择以及升余弦滚降滤波器的滚降因子α参数的选取是不同的。根据图3、4、5、6、7，并结合具体的传输环境和性能要求，确定满足系统性能要求的调制方式，然后比较满足要求的调制方式下射频前端的总能耗，选择使能耗最低的调制方式，在这种调制方式下，根据图7终端选取满足误码率要求的最大滚降因子α值。通过系统参数和射频前端能耗相结合的方法可通过合适的参数选取，使终端的能耗达到最小。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、分别获取移动终端的射频前端发射机G_t、接收机的天线增益G_r、系统损耗因子L、载波波长λ、信号传输时信道中的噪声功率N，自由空间传播距离d，比例常数K＝0.5，三种调制方式QPSK、16QAM和64QAM调制方式下的误码率SER_QPSK、SER_16QAM、SER_64QAM，及调制级数b，载波的信号峰均比PAR_c，PAR_roll-off是指受升余弦滚降滤波器的滚降因子影响的信号峰均比PAR_roll-off，并分别建立三种调制方式即QPSK、16QAM和64QAM调制方式下的射频前端功率放大器PA的功耗模型P_{PA_QPSK}、P_{PA_16QAM}、P_{PA_64QAM}：

P_{PA_QPSK}、P_{PA_16QAM}、P_{PA_64QAM}分别是QPSK、16QAM和64QAM调制方式下PA的功耗；Q表示函数；

102、根据公式E_bit＝(P_E+P_PA)T_bit＝(P_E+P_PA)/(R_Sb)计算射频前端的能耗，其中P_PA是PA的功耗，P_E是射频前端除了PA之外其它模块消耗的功耗，T_bit是每比特的时间，R_S是数据传输速率，b为调制级数，在计算射频前端的能耗时，信道选择衰落信道，假设信道的衰落系数为h，则三种调制方式下射频前端能耗模型表达式：

其中，E_{QPSK_bit}、E_{16QAM_bit}和E_{64QAM_bit}分别为三种调制方式下射频前端的每比特能耗，T_bit是每比特的时间；

103、移动终端获取射频前端当前工作状态下的传输环境以及性能要求，包括传输距离、信道衰落系数、数据传输速率、带宽、信号峰均比、误码率SER，在MATLAB平台下输入传输距离、信道衰落系数、数据传输速率、带宽、信号峰均比、误码率，进行仿真，当误码率SER≤10^-3，信道条件d/|h|≤8米，终端采用16QAM调制方式，在d/|h|≥8米，移动终端采用QPSK调制方式，其余情况下，选择QPSK调制方式，对于16QAM调制方式可使终端的升余弦滚降滤波器的滚降因子选择α＝0.4，对于QPSK调制方式α＝1。

2.根据权利要求1所述的LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法，其特征在于，所述移动终端的射频前端主要由射频收发信机组成，主要包括功率放大器、混合器、频率合成器、低噪声放大器、基带放大器、数模转换器和模数转换器。

3.根据权利要求1所述的LTE系统中移动终端的射频前端动态功耗评估方法，其特征在于，步骤103中误码率SER作为衡量通信质量的指标，若基带滤波采用升余弦滚降滤波器，得到三种调制方式QPSK、16QAM和64QAM调制方式下误码率与滚降因子α的关系式：

其中，SER_QPSK、SER_16QAM、SER_64QAM分别为三种调制方式的误码率，SNR₀为初始信噪比。