0 引言

    對(duì)地球同步軌道移動(dòng)無(wú)線接口(Geostationary Earth Orbit Mobile Radio Interface，GMR-1)系統(tǒng)是根據(jù)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的GMR-1標(biāo)準(zhǔn)，提供衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的對(duì)地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)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(jì)為可以手持的移動(dòng)終端，這就對(duì)MES的功耗設(shè)計(jì)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(duì)于定位服務(wù)^[2]與非連續(xù)接收（Discontinuous Reception，DRX）的特點(diǎn)，提出了一種低功耗優(yōu)化方法，延長(zhǎng)了MES的待機(jī)時(shí)間。

1 降低功耗的機(jī)會(huì)

    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(jī)會(huì)：(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(cè)量，以便捕捉網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的被叫事件和提前進(jìn)行點(diǎn)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(jī)的定位信息，進(jìn)行移動(dòng)距離計(jì)算，當(dāng)超過(guò)系統(tǒng)配置的門限值時(shí)，MES需要向信關(guān)站上報(bào)定位信息。

    圖1給出了在GMR -1系統(tǒng)中MES 在DRX 模式下，偵聽(tīng)PCH、偵聽(tīng)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(yǔ)音信息或者分組數(shù)據(jù)包，處于最高的能耗狀態(tài)。當(dāng)MES進(jìn)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(jìn)入低功耗狀態(tài)，在該狀態(tài)下，MES絕大多數(shù)時(shí)間處于深睡眠，保持最低能耗，同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置周期性地醒來(lái)接收PCH中的尋呼消息，并根據(jù)PCH的接收進(jìn)行同步調(diào)整與空閑測(cè)量。尋呼的周期T_p按照GMR-1標(biāo)準(zhǔn)取值為{640，1 280}ms^[3]。如果MES在解PCH信道編碼時(shí)出現(xiàn)失敗，則MES放棄周期性監(jiān)聽(tīng)PCH，轉(zhuǎn)而周期性監(jiān)聽(tīng)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(gè)突發(fā)，根據(jù)GMR-1定義BACH的突發(fā)規(guī)劃MES監(jiān)聽(tīng)BACH突發(fā)的周期T_a為{640，600，560，440，320，280，120}ms^[3]。同時(shí)MES為了測(cè)算移動(dòng)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(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)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(shí)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(gè)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(duì)GMR-1協(xié)議的基帶處理與GPS接收機(jī)兩大部分，因此，根據(jù)無(wú)線終端基帶系統(tǒng)的普遍設(shè)計(jì)原則，整個(gè)核心部分分為如下幾個(gè)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(jiǎn)指令集中央處理器核心、存儲(chǔ)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(dòng)。

    (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(jiǎn)指令集中央處理器核心、存儲(chǔ)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(fù)責(zé)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(hào)的收發(fā)，模擬載波信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，以及模擬信號(hào)與數(shù)字基帶信號(hào)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(gè)系統(tǒng)需要的時(shí)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(shí)器控制、時(shí)鐘校準(zhǔn)。

    系統(tǒng)控制子系統(tǒng)是低功耗控制的核心部分，當(dāng)MES進(jìn)入超低功耗睡眠狀態(tài)時(shí)，(1)～(4)各子系統(tǒng)都處于時(shí)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(shí)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(kāi)電源并運(yùn)行于較低的頻率下。為了對(duì)系統(tǒng)的功耗進(jìn)行更加精細(xì)的控制，系統(tǒng)控制子系統(tǒng)可以對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)的時(shí)鐘與電源單獨(dú)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(tīng)PCH、監(jiān)聽(tīng)BACH、定位信息獲取。按照GMR-1協(xié)議的定義：

    (1)當(dāng)MES的“物理層子系統(tǒng)”通過(guò)“射頻子系統(tǒng)”收到PCH后，需要上報(bào)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(wú)線資源控制子層(Radio Resource Control，RRC)進(jìn)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(jìn)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(dāng)MES的“物理層子系統(tǒng)”通過(guò)“射頻子系統(tǒng)”收到完整的BACH中的一條消息后，需要上報(bào)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(jìn)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(jìn)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(dāng)MES被周期性位置獲取的定時(shí)器喚醒，“應(yīng)用與高層協(xié)議子系統(tǒng)”會(huì)從“GPS子系統(tǒng)”獲取當(dāng)前MES的經(jīng)緯度，并與上次獲取的經(jīng)緯度一起計(jì)算出移動(dòng)距離，如果沒(méi)有超過(guò)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(jìn)行后續(xù)流程。

    為了減少M(fèi)ES系統(tǒng)醒來(lái)以后的工作功耗，通過(guò)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(lái)的次數(shù)，也就減少了該子系統(tǒng)在以上3種場(chǎng)景下貢獻(xiàn)的功耗：

    (1)當(dāng)MES進(jìn)入空閑模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態(tài)時(shí)，“物理層子系統(tǒng)”負(fù)責(zé)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(dāng)MES進(jìn)入空虛模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態(tài)時(shí)，“物理層子系統(tǒng)”負(fù)責(zé)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(dòng)距離是否超過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的門限。如果是MES的移動(dòng)距離超過(guò)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(diǎn)合并

    在第1節(jié)描述中，尋呼的周期T_p按照GMR-1標(biāo)準(zhǔn)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(tīng)PCH和獲取定位消息是兩個(gè)獨(dú)立任務(wù)，二者在時(shí)間規(guī)劃上可以實(shí)現(xiàn)為并發(fā)任務(wù)，因此為了減少M(fèi)ES喚醒的次數(shù)，可以利用在某次監(jiān)聽(tīng)PCH信道的同時(shí)進(jìn)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(dòng)機(jī)。

    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(dāng)T_g的取值正好可以為T_p的整數(shù)倍時(shí)，Δ=0。否則，考慮到時(shí)間的累積效應(yīng)，誤差會(huì)線性增大，因此需要“物理層子系統(tǒng)”對(duì)定位信息獲取的規(guī)劃做出必要的補(bǔ)償調(diào)整。計(jì)算公式調(diào)整為：

    式(2)表征的是當(dāng)“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(shí)，下一次定位信息獲取的時(shí)間點(diǎn)為N₁個(gè)尋呼周期后。式(3)表征的是本次定位信息獲取的時(shí)間誤差。式(4)表征第n次(n為整數(shù))定位信息獲取的時(shí)間點(diǎn)為第n-1次后的N_n個(gè)尋呼周期。式(5)表征的是第n次定位信息獲取的時(shí)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(gè)MES控制待機(jī)功耗的關(guān)鍵。

    圖2是“物理層子系統(tǒng)”進(jìn)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(jì)算PCH位置、BACH位置、定位信息獲取的時(shí)間點(diǎn)，同時(shí)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(jìn)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(biāo)識(shí)信息（包括核心網(wǎng)MES唯一標(biāo)識(shí)、衛(wèi)星無(wú)線網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)兩種）。當(dāng)“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(dú)立關(guān)閉其時(shí)鐘與電源進(jìn)入睡眠，準(zhǔn)備接收來(lái)自“物理層子系統(tǒng)”的喚醒。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

    為了驗(yàn)證本文提出的低功耗優(yōu)化方法，需要在實(shí)際的硬件平臺(tái)中模擬MES運(yùn)行GMR-1的整個(gè)基帶系統(tǒng)，并進(jìn)行功耗測(cè)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(píng)估版上進(jìn)行仿制實(shí)驗(yàn)。 OMAP 5910包括一個(gè)ARM925T的精簡(jiǎn)指令處理器和一個(gè)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(cè)試有效性，利用安捷倫66309D直流電源單獨(dú)給MES的基帶芯片供電，在MES進(jìn)入空閑模式或者GRA_PCH狀態(tài)后開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量周期為30 min。同時(shí)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(cè)量分為4種場(chǎng)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(chǎng)景分為使用本文提出的優(yōu)化方法與沒(méi)有使用本文提出的優(yōu)化方法進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的平均功耗結(jié)果見(jiàn)表1。

    從實(shí)驗(yàn)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(chǎng)景，優(yōu)化后的MES待機(jī)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(chǎng)景，優(yōu)化后的MES待機(jī)功耗分別減少了5.5%、5.6%。

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