基于Matlab BP算法預(yù)測WCDMA手機待機電流及異常數(shù)據(jù)分析

郎　影

(北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院， 北京　100048)

3G手機對手機電池提高容量、減小體積提出了迫切的需求[1]. 電源管理人員通過各種方法提高電池工作時間. 首先可以通過硬件途徑降低待機能耗，即關(guān)閉盡可能多的內(nèi)部電路，使手機處于“休眠”狀態(tài)[2]. 其次就是通過軟件途徑來降低待機能耗. 本文提出以Agilent8960 E5515C模擬3G環(huán)境，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將所測定的WCDMA手機在不同條件下的待機電流數(shù)據(jù)進行處理后取得模型，從而在不同使用背景條件下，對3G手機待機電流值做出預(yù)測及進行異常數(shù)據(jù)分析.

1　測試系統(tǒng)環(huán)境

測試環(huán)境是基于Agilent8960 E6703D提供3G環(huán)境和Monsoon Solutions Inc.的Power Monitor提供監(jiān)控電流設(shè)備來得出待機電流數(shù)據(jù).

1.1　E5515C (8960 Series 10) 無線通信測試儀

Agilent 8960 E6703D D02.08系統(tǒng)比以往Agilent8960 3G測試環(huán)境更加強大. 它在呼叫進程、發(fā)射功率測量兩方面做出了很多改進，使得用戶更加簡單、方便、準確分析數(shù)據(jù)[3].

呼叫進程包含了如下幾點.

1) 可以修改3G頻段中的任意頻段.

2) 對測試集包括所需的硬件(見硬件要求)uplink Betac的修改.

3) AWGN信道功率和外部AWGN信道功率可以設(shè)成10 dB以上或20 dB以下.

發(fā)射功率測量(transmitter measurements).

1) 內(nèi)環(huán)功率測量功能改進：改進用戶設(shè)備的時間范圍使得內(nèi)環(huán)功率測量更快地執(zhí)行.

2) 現(xiàn)在只通過GPIB命令，可以從波形質(zhì)量的測量結(jié)果得出EVM尖峰，閾值增益門不平衡和閾值相位不平衡.

3) 新的動態(tài)電源設(shè)置，以實現(xiàn)快速配置的測量來執(zhí)行前面板的3GPP TS 34.121 5.7A. 此設(shè)置應(yīng)使用符合現(xiàn)行34.121預(yù)設(shè)呼叫配置結(jié)合.

4) 新的波形質(zhì)量測量配置以實現(xiàn)快速配置的測量來執(zhí)行前面板的3GPP TS 34.121 5.13.1A. 這些設(shè)置應(yīng)使用符合現(xiàn)行34.121預(yù)設(shè)呼叫配置結(jié)合.

5) 支持BandV.

6) 對于要求硬件設(shè)備，測試設(shè)備對PRACH發(fā)送/關(guān)閉電源測量有所改善.

1.2　Power Monitor電源

Power Monitor有硬件電源和Power Monitor電源匹配的工具軟件，Power Monitor 軟件對Windows Mobile功率測量提供了強大的解決方案，它可以在任何使用單節(jié)鋰電池設(shè)備上進行分析. 可以利用Power Monitor工具軟件和硬件的電源監(jiān)視器，優(yōu)化設(shè)計和分析其Windows Mobile的驅(qū)動設(shè)備.

1.3　3G WCDMA手機

手機硬件pavol芯片，型號PXA935 (codename Tavor-P65)，基于Android系統(tǒng)開發(fā)3G手機.

2　用Matlab BP算法對3G手機待機電流預(yù)測和異常數(shù)據(jù)的分析

測量3G手機待機電流經(jīng)常發(fā)現(xiàn)背景電流隨著某些因素不同而不同. 比如在某一頻段(band)下，測試背景電流時為1.51 mA，中斷一段時間后再次測量值可能為1.55 mA. 此0.04 mA的差距，引起的待機電流值可能會很大. 所以用Matlab BP算法預(yù)測各種背景電流下的電流值大小十分必要，還可以自動剔除和分析異常數(shù)據(jù)原因.

2.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)BP算法

BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即誤差反傳誤差反向傳播算法的學(xué)習過程，由信息的正向傳播和誤差的反向傳播兩個過程組成. 周而復(fù)始的信息正向傳播和誤差反向傳播過程，是各層權(quán)值不斷調(diào)整的過程，此過程一直進行到網(wǎng)絡(luò)輸出的誤差減少到可以接受的程度，或者預(yù)先設(shè)定的學(xué)習次數(shù)為止. 此算法在訓(xùn)練過程中，把影響待機電流諸多因素作為BP算法的輸入，把電流值作為輸出. 預(yù)測WCDMA手機待機電流及異常數(shù)據(jù)分析.

2.2　3G手機WCDMA standby電流測試

3G WCDMA頻段范圍很廣，中國WCDMA頻段為2 100 MHz. 針對這個頻段條件，研究尋網(wǎng)頻率(DRX)、無線局域網(wǎng)(WiFi)、藍牙(Bluetooth)、閃存卡等因素對WCDMA待機電流的影響.

對于同一款3G手機，不同條件測得的結(jié)果如下：

p=[0 0 0 0 1.51;0 0 0 1 1.51;0 0 1 0 1.51;0 0 1 1 1.51;0 1 0 0 2.76;0 1 0 1 2.77; 0 1 1 0 2.75;0 1 1 1 2.72;1 0 0 0 2.73;1 0 0 1 2.72;1 0 1 0 2.72];

輸入矩陣是由5個特征部分組成. 第一位：0代表BT關(guān)，1代表BT開. 第二位：0代表WiFi關(guān)，1代表WiFi開. 第三位和第四位代表WCDMA尋網(wǎng)頻率(DRX)，00 代表64，01代表128，10代表256，11代表512.

輸出數(shù)據(jù)：t=[3.42;2.44;2.05;1.87;5.62;4.78;4.34;4.08;4.45;3.7;3.25;3.04;3.26;2.32;1.96;1.71]′;實驗表明dBm對手機待機影響不太大，所以可將該因素忽略.

本文目的提出預(yù)測不同背景電流下，正常待機電流. 若在實測中數(shù)據(jù)明顯偏大，則為加強軟件電源管理提供了可靠的依據(jù).

2.3　Matlab BP算法

對于WCDMA手機待機異常電流分析采用Matlab BP算法. Matlab BP算法對于有教師指導(dǎo)、非線性問題有很好分類效果. 還有如下特點：編程效率高、用戶使用方便、高效方便的矩陣和數(shù)值計算、方便的繪圖功能等等.

輸入訓(xùn)練集p：

p=[0 0 0 0 1.51;0 0 0 1 1.51;0 0 1 0 1.51;0 0 1 1 1.51;0 1 0 0 2.76;0 1 0 1 2.77; 0 1 1 0 2.75;0 1 1 1 2.72;1 0 0 0 2.73;1 0 0 1 2.72;1 0 1 0 2.72;1 0 1 1 2.71;0 0 0 0 1.4;0 0 0 1 1.39;0 0 1 0 1.38;0 0 1 1 1.38;]′;

輸出t：

t=[3.42;2.44;2.05;1.87;5.62;4.78;4.34;4.08;4.45;3.7;3.25;3.04;3.26;2.32;1.96;1.71]′;

預(yù)測數(shù)據(jù)集：

p1=[0 0 0 0 1.43;0 0 0 1 1.40;0 0 1 0 1.40;0 0 1 1 1.39]′;

實際測輸出t1:

t1=[3.2;2.4;1.98;1.72;]′;

訓(xùn)練誤差在0.000 05，訓(xùn)練次數(shù)為8 000，學(xué)習速率為0.08，動量系數(shù)為0.02.

net=newff(minmax(P),[5 7 1],

{′tansig′,′logsig′,′logsig′},′traingdx′);

net.trainParam.show=10;

net.trainParam.lr=0.8;

net.trainParam.mc=0.02;

net.trainParam.epochs=8 000;

net.trainParam.goal=5e-5;

net=train(net,P,T);

test=sim(net,P);

誤差、訓(xùn)練、預(yù)測輸出見圖1.

圖1　誤差訓(xùn)練Fig.1　Training error

從圖1可以看出，橫軸訓(xùn)練次數(shù)達到4 283次時，縱軸誤差已經(jīng)降到5×10-5，達到要求，停止訓(xùn)練.

訓(xùn)練歸一化輸出結(jié)果見圖2.

圖2　訓(xùn)練歸一化輸出結(jié)果Fig.2　Normalized training output

預(yù)測數(shù)據(jù)同實測數(shù)據(jù)比較結(jié)果見圖3.

在預(yù)測與實測數(shù)據(jù)中，偏差比較大處，出現(xiàn)在背景電流為1.4 mA的情況下，手機待機電流應(yīng)為2.3 mA左右，而實際測量電流為2.4 mA. 說明背景電流和待機電流大小不相匹配，此異常數(shù)據(jù)提供了軟件電源管理的工作空間.

3　結(jié)　論

圖3　預(yù)測數(shù)據(jù)同實測數(shù)據(jù)比較結(jié)果Fig.3　Difference of training data and measured data

待機電流值對手機電池的能耗有重要影響. 本文只是簡要分析WCDMA手機待機電流在各種使用條件下的變化規(guī)律，這對于電源管理人員預(yù)測各條件電流值有重要意義. 應(yīng)用matlab BP算法預(yù)測待機電流和分析異常數(shù)據(jù)，為3G電源管理提供了新的途徑. 在滿足此需求時，也存在很多不足的地方. 隨著WCDMA手機發(fā)展，將會有更多分析方法用于3G電源管理.