0 引言

    對地球同步軌道移動無線接口(Geostationary Earth Orbit Mobile Radio Interface,，GMR-1)系統(tǒng)是根據(jù)歐洲電信標準委員會制定的GMR-1標準,，提供衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的對地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星移動通信系統(tǒng),，該標準已經(jīng)應(yīng)用于塞拉亞（Thuraya）系統(tǒng)中^[1],。

    GMR-1系統(tǒng)中MES根據(jù)用戶的需要能夠設(shè)計為可以手持的移動終端，這就對MES的功耗設(shè)計提出了更高的要求,。

    本文根據(jù)MES在空閑模式和連接模式下對于定位服務(wù)^[2]與非連續(xù)接收（Discontinuous Reception,，DRX）的特點，提出了一種低功耗優(yōu)化方法,，延長了MES的待機時間,。

1 降低功耗的機會

    根據(jù)GMR-1協(xié)議的定義，MES在空閑模式或連接模式下,，系統(tǒng)存在周期性的DRX機會：(1)MES可以根據(jù)系統(tǒng)消息的配置,，周期性地讀取尋呼信道（Paging Channel，PCH）中的尋呼消息和執(zhí)行測量,，以便捕捉網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的被叫事件和提前進行點波束重選,；(2)MES可以根據(jù)系統(tǒng)消息的配置周期性地讀取廣播告警信道（Broadcast Alert Channel，BACH）中的告警消息,。另外GMR-1協(xié)議中要求MES在空閑模式下或連接模式下（GRA_PCH狀態(tài)）周期性地讀取MES中GPS接收機的定位信息，進行移動距離計算,，當超過系統(tǒng)配置的門限值時,，MES需要向信關(guān)站上報定位信息。

    圖1給出了在GMR -1系統(tǒng)中MES 在DRX 模式下,，偵聽PCH,、偵聽BACH信道與定位信息獲取,，三者同功耗之間的關(guān)系示意圖。

    在連續(xù)接收狀態(tài)下,，MES由于需要傳遞語音信息或者分組數(shù)據(jù)包,，處于最高的能耗狀態(tài)。當MES進入空閑模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態(tài),，釋放專有物理信道,。因此，MES可以進入低功耗狀態(tài),，在該狀態(tài)下,，MES絕大多數(shù)時間處于深睡眠，保持最低能耗,，同時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置周期性地醒來接收PCH中的尋呼消息,，并根據(jù)PCH的接收進行同步調(diào)整與空閑測量。尋呼的周期T_p按照GMR-1標準取值為{640,，1 280}ms^[3],。如果MES在解PCH信道編碼時出現(xiàn)失敗，則MES放棄周期性監(jiān)聽PCH,，轉(zhuǎn)而周期性監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)發(fā)送功率更高的BACH信道從而獲取告警信息,。一條告警信息需要接收15個突發(fā)，根據(jù)GMR-1定義BACH的突發(fā)規(guī)劃MES監(jiān)聽BACH突發(fā)的周期T_a為{640,，600,，560，440,，320,，280，120}ms^[3],。同時MES為了測算移動距離,，因而需要在網(wǎng)絡(luò)配置的T_g(T_g={1，…,，255}min^[4])周期下獲取GPS的經(jīng)緯度信息,。

    為了降低MES在空閑模式下或連接模式(GRA_PCH狀態(tài))的平均功耗，延長待機時間,，一般來說有3種策略：(1)降低系統(tǒng)睡眠的功耗,；(2)降低周期性喚醒工作的能耗(包括降低工作的功耗與減少喚醒時間)；(3)減少喚醒次數(shù),。本文提出功耗優(yōu)化方法主要從(2),、(3)兩個方面著手。

2 低功耗優(yōu)化方法

2.1 MES系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 MES系統(tǒng)架構(gòu)介紹

    MES的核心包含針對GMR-1協(xié)議的基帶處理與GPS接收機兩大部分，因此,，根據(jù)無線終端基帶系統(tǒng)的普遍設(shè)計原則,，整個核心部分分為如下幾個子系統(tǒng)：

    (1)應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)由軟件與硬件組成,。硬件提供低功耗的精簡指令集中央處理器核心,、存儲器與外圍的接口電路；軟件部分主要執(zhí)行GMR-1協(xié)議定義的包括媒體接入層(Media Access Control,，MAC)及以上的接入層與非接入層,，以及必要的應(yīng)用程序與接口驅(qū)動。

    (2)物理層子系統(tǒng),。該子系統(tǒng)由軟件與硬件組成,。硬件提供低功耗的精簡指令集中央處理器核心、存儲器與GMR-1協(xié)議物理層相關(guān)的硬件加速器電路,；軟件部分主要負責與高層協(xié)議棧通信,、物理信道的編解碼、射頻電路的控制等,。

    (3)GPS子系統(tǒng),。該子系統(tǒng)由軟件與硬件組成。利用成熟的全球定位系統(tǒng)的模塊接收定位信息,，并發(fā)送給GMR-1協(xié)議棧,。

    (4)射頻子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)完全由硬件電路組成,。在射頻收發(fā)器,、放大器和天線共同協(xié)作下，完成模擬載波信號的收發(fā),，模擬載波信號的調(diào)制與解調(diào),，以及模擬信號與數(shù)字基帶信號的數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換,。

    (5)系統(tǒng)控制子系統(tǒng),。該子系統(tǒng)完全由硬件電路組成。包括整個系統(tǒng)需要的時鐘與復(fù)位控制,、外部晶振輸入與控制,、外部電源與基帶核心的電源域控制、低功耗控制,、定時器控制,、時鐘校準。

    系統(tǒng)控制子系統(tǒng)是低功耗控制的核心部分,，當MES進入超低功耗睡眠狀態(tài)時,，(1)～(4)各子系統(tǒng)都處于時鐘關(guān)閉或者電源關(guān)閉狀態(tài),。為了既確保系統(tǒng)能夠從外部事件或者定時喚醒，也能確保很低的功耗,，系統(tǒng)控制子系統(tǒng)需要一直打開電源并運行于較低的頻率下。為了對系統(tǒng)的功耗進行更加精細的控制,，系統(tǒng)控制子系統(tǒng)可以對每一個子系統(tǒng)的時鐘與電源單獨控制,。

2.1.2 架構(gòu)優(yōu)化

    根據(jù)第1節(jié)中的描述，MES在空閑模式下或者連接模式下的GRA_PCH狀態(tài)需要周期性完成的任務(wù)：監(jiān)聽PCH,、監(jiān)聽BACH,、定位信息獲取。按照GMR-1協(xié)議的定義：

    (1)當MES的“物理層子系統(tǒng)”通過“射頻子系統(tǒng)”收到PCH后,，需要上報給“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”的MAC層,，MAC去掉MAC頭后發(fā)送到無線資源控制子層(Radio Resource Control，RRC)進行層3消息解碼,，并判斷是否是本MES的尋呼,。如果不是本MES的尋呼[5]，則MES繼續(xù)進入睡眠,；如果是本MES的尋呼,，則MES根據(jù)協(xié)議描述發(fā)起后續(xù)流程。

    (2)當MES的“物理層子系統(tǒng)”通過“射頻子系統(tǒng)”收到完整的BACH中的一條消息后,，需要上報給“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”的MAC層,，MAC去掉MAC頭后發(fā)送到RRC層，進行層3消息解碼,，并判斷是否是本MES的告警信息[5],。如果不是本MES的告警信息，則MES繼續(xù)進入睡眠,；如果是本MES的告警消息,，則MES根據(jù)協(xié)議描述發(fā)起后續(xù)流程。

    (3)當MES被周期性位置獲取的定時器喚醒,，“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”會從“GPS子系統(tǒng)”獲取當前MES的經(jīng)緯度,，并與上次獲取的經(jīng)緯度一起計算出移動距離，如果沒有超過網(wǎng)絡(luò)配置的門限值,，則MES繼續(xù)睡眠,；否則，根據(jù)協(xié)議進行后續(xù)流程,。

    為了減少MES系統(tǒng)醒來以后的工作功耗,，通過如下架構(gòu)優(yōu)化可以減少“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”醒來的次數(shù)，也就減少了該子系統(tǒng)在以上3種場景下貢獻的功耗：

    (1)當MES進入空閑模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態(tài)時,，“物理層子系統(tǒng)”負責解析PCH中的層3信令,，并判決是否是本MES的尋呼消息,。如果是本MES的尋呼消息，則喚醒“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”,，執(zhí)行后續(xù)的協(xié)議流程,；否則，MES繼續(xù)睡眠,。

    (2)當MES進入空虛模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態(tài)時,，“物理層子系統(tǒng)”負責解析 BACH中的層3信令，并判決是否是本MES的告警消息,。如果是本MES的告警消息,，則喚醒“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”，并執(zhí)行后續(xù)的協(xié)議流程,；否則,，MES繼續(xù)睡眠。

    (3)“GPS子系統(tǒng)”與“物理層子系統(tǒng)”直接連接,，由“物理層子系統(tǒng)”讀取經(jīng)緯度,，并判決移動距離是否超過網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的門限。如果是MES的移動距離超過門限值,，則喚醒“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”,，執(zhí)行后續(xù)的協(xié)議流程；否則,，MES繼續(xù)睡眠,。

2.2 喚醒點合并

    在第1節(jié)描述中，尋呼的周期T_p按照GMR-1標準取值為{640,，1 280}ms,，定位信息獲取的周期為T_g={1，…,，255}min,。在GMR-1的協(xié)議中，監(jiān)聽PCH和獲取定位消息是兩個獨立任務(wù),，二者在時間規(guī)劃上可以實現(xiàn)為并發(fā)任務(wù),，因此為了減少MES喚醒的次數(shù)，可以利用在某次監(jiān)聽PCH信道的同時進行定位信息獲取,，這也是在2.1節(jié)中提出架構(gòu)優(yōu)化(3)的動機,。

    可以用如下公式表示T_p與T_g的關(guān)系：

式中N為整數(shù)，為誤差值,。當T_g的取值正好可以為T_p的整數(shù)倍時,，Δ=0。否則,，考慮到時間的累積效應(yīng),，誤差會線性增大,，因此需要“物理層子系統(tǒng)”對定位信息獲取的規(guī)劃做出必要的補償調(diào)整。計算公式調(diào)整為：

    式(2)表征的是當“物理層子系統(tǒng)”接收到“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”配置新的T_g消息時,，下一次定位信息獲取的時間點為N₁個尋呼周期后,。式(3)表征的是本次定位信息獲取的時間誤差。式(4)表征第n次(n為整數(shù))定位信息獲取的時間點為第n-1次后的N_n個尋呼周期,。式(5)表征的是第n次定位信息獲取的時間誤差,。

2.3 關(guān)鍵流程處理

    本文提出的低功耗優(yōu)化方法要求“物理層子系統(tǒng)”成為MES睡眠與喚醒的主要控制者。因此,，“物理層子系統(tǒng)”中關(guān)于睡眠與喚醒的控制流程是整個MES控制待機功耗的關(guān)鍵。

    圖2是“物理層子系統(tǒng)”進入睡眠的流程,。圖3是MES被喚醒后,，主控制者“物理層子系統(tǒng)”的流程處理。為了保證“物理層子系統(tǒng)”在睡眠流程中能夠計算PCH位置,、BACH位置,、定位信息獲取的時間點，同時在喚醒流程中能夠判決是否是本MES的尋呼或者告警信息,。需要“應(yīng)用與高層協(xié)議棧子系統(tǒng)” 在進入空閑模式或者連接模式的GRA_PCH狀態(tài)后,，下發(fā)必要配置命令，該命令包括PCH與BACH的規(guī)劃信息,、定位信息獲取的周期,，以及用于判決是否本MES的標識信息（包括核心網(wǎng)MES唯一標識、衛(wèi)星無線網(wǎng)絡(luò)臨時標識兩種）,。當“應(yīng)用與高層協(xié)議棧子系統(tǒng)”下發(fā)完成配置命令后,，該子系統(tǒng)可以獨立關(guān)閉其時鐘與電源進入睡眠，準備接收來自“物理層子系統(tǒng)”的喚醒,。

3 仿真實驗

    為了驗證本文提出的低功耗優(yōu)化方法,，需要在實際的硬件平臺中模擬MES運行GMR-1的整個基帶系統(tǒng)，并進行功耗測量,。本文采用TI公司的片上系統(tǒng)（System on Chip,，SoC）OMAP 5910作為基帶核心處理芯片，在完全按照GMR-1協(xié)議定制的MES評估版上進行仿制實驗,。 OMAP 5910包括一個ARM925T的精簡指令處理器和一個C55系列的DSP處理器,。在DSP處理器中仿真“物理層子系統(tǒng)”，ARM925T處理器中仿真“應(yīng)用與高層協(xié)議棧子系統(tǒng)”,，利用OMAP 5910系統(tǒng)控制模塊作為“系統(tǒng)控制子系統(tǒng)”,。

    為了保證測試有效性，利用安捷倫66309D直流電源單獨給MES的基帶芯片供電,，在MES進入空閑模式或者GRA_PCH狀態(tài)后開始測量,，測量周期為30 min,。同時設(shè)定MES讀取GPS的定位信息的更新周期為1 min，尋呼周期為640 ms,，告警組為BACH#1(周期為{640,，600，560,，120}ms),。測量分為4種場景：空閑模式下讀取PCH并獲取定位信息、空閑模式下讀取BACH,、GRA_PCH狀態(tài)下讀取PCH并獲取定位信息,、GRA_PCH狀態(tài)下讀取BACH。每種場景分為使用本文提出的優(yōu)化方法與沒有使用本文提出的優(yōu)化方法進行測試,。測試的平均功耗結(jié)果見表1,。

    從實驗結(jié)果分析，在空閑模式與GRA_PCH狀態(tài)下讀取PCH和讀取定位信息的場景,，優(yōu)化后的MES待機功耗分別減少了20.9%,、19.9%；在空閑模式與GRA_PCH狀態(tài)下讀取BACH場景,，優(yōu)化后的MES待機功耗分別減少了5.5%,、5.6%。

參考文獻

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