0 引言

    對地球同步軌道移動無線接口(Geostationary Earth Orbit Mobile Radio Interface，GMR-1)系統是根據歐洲電信標準委員會制定的GMR-1標準，提供衛星移動通信業務的對地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛星移動通信系統，該標準已經應用于塞拉亞（Thuraya）系統中^[1]。

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

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

1 降低功耗的機會

    根據GMR-1協議的定義，MES在空閑模式或連接模式下，系統存在周期性的DRX機會：(1)MES可以根據系統消息的配置，周期性地讀取尋呼信道（Paging Channel，PCH）中的尋呼消息和執行測量，以便捕捉網絡發起的被叫事件和提前進行點波束重選；(2)MES可以根據系統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協議中要求MES在空閑模式下或連接模式下（GRA_PCH狀態）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，當超過系統配置的門限值時，MES需要向信關站上報定位信息。

    圖1給出了在GMR -1系統中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系示意圖。

    在連續接收狀態下，MES由于需要傳遞語音信息或者分組數據包，處于最高的能耗狀態。當MES進入空閑模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態，釋放專有物理信道。因此，MES可以進入低功耗狀態，在該狀態下，MES絕大多數時間處于深睡眠，保持最低能耗，同時根據網絡的配置周期性地醒來接收PCH中的尋呼消息，并根據PCH的接收進行同步調整與空閑測量。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信道編碼時出現失敗，則MES放棄周期性監聽PCH，轉而周期性監聽網絡發送功率更高的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，根據GMR-1定義BACH的突發規劃MES監聽BACH突發的周期T_a為{640，600，560，440，320，280，120}ms^[3]。同時MES為了測算移動距離，因而需要在網絡配置的T_g(T_g={1，…，255}min^[4])周期下獲取GPS的經緯度信息。

    為了降低MES在空閑模式下或連接模式(GRA_PCH狀態)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。本文提出功耗優化方法主要從(2)、(3)兩個方面著手。

2 低功耗優化方法

2.1 MES系統架構優化

2.1.1 MES系統架構介紹

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

    (1)應用與高層協議子系統。該子系統由軟件與硬件組成。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；軟件部分主要執行GMR-1協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，以及必要的應用程序與接口驅動。

    (2)物理層子系統。該子系統由軟件與硬件組成。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協議物理層相關的硬件加速器電路；軟件部分主要負責與高層協議棧通信、物理信道的編解碼、射頻電路的控制等。

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

    (4)射頻子系統。該子系統完全由硬件電路組成。在射頻收發器、放大器和天線共同協作下，完成模擬載波信號的收發，模擬載波信號的調制與解調，以及模擬信號與數字基帶信號的數/模、模/數轉換。

    (5)系統控制子系統。該子系統完全由硬件電路組成。包括整個系統需要的時鐘與復位控制、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。

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

2.1.2 架構優化

    根據第1節中的描述，MES在空閑模式下或者連接模式下的GRA_PCH狀態需要周期性完成的任務：監聽PCH、監聽BACH、定位信息獲取。按照GMR-1協議的定義：

    (1)當MES的“物理層子系統”通過“射頻子系統”收到PCH后，需要上報給“應用與高層協議子系統”的MAC層，MAC去掉MAC頭后發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繼續進入睡眠；如果是本MES的尋呼，則MES根據協議描述發起后續流程。

    (2)當MES的“物理層子系統”通過“射頻子系統”收到完整的BACH中的一條消息后，需要上報給“應用與高層協議子系統”的MAC層，MAC去掉MAC頭后發送到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繼續進入睡眠；如果是本MES的告警消息，則MES根據協議描述發起后續流程。

    (3)當MES被周期性位置獲取的定時器喚醒，“應用與高層協議子系統”會從“GPS子系統”獲取當前MES的經緯度，并與上次獲取的經緯度一起計算出移動距離，如果沒有超過網絡配置的門限值，則MES繼續睡眠；否則，根據協議進行后續流程。

    為了減少MES系統醒來以后的工作功耗，通過如下架構優化可以減少“應用與高層協議子系統”醒來的次數，也就減少了該子系統在以上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狀態時，“物理層子系統”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“應用與高層協議子系統”，執行后續的協議流程；否則，MES繼續睡眠。

    (2)當MES進入空虛模式或者連接模式下的GRA_PCH狀態時，“物理層子系統”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“應用與高層協議子系統”，并執行后續的協議流程；否則，MES繼續睡眠。

    (3)“GPS子系統”與“物理層子系統”直接連接，由“物理層子系統”讀取經緯度，并判決移動距離是否超過網絡設置的門限。如果是MES的移動距離超過門限值，則喚醒“應用與高層協議子系統”，執行后續的協議流程；否則，MES繼續睡眠。

2.2 喚醒點合并

    在第1節描述中，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的協議中，監聽PCH和獲取定位消息是兩個獨立任務，二者在時間規劃上可以實現為并發任務，因此為了減少MES喚醒的次數，可以利用在某次監聽PCH信道的同時進行定位信息獲取，這也是在2.1節中提出架構優化(3)的動機。

    可以用如下公式表示T_p與T_g的關系：

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

    式(2)表征的是當“物理層子系統”接收到“應用與高層協議子系統”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)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 關鍵流程處理

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

    圖2是“物理層子系統”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”的流程處理。為了保證“物理層子系統”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“應用與高層協議棧子系統” 在進入空閑模式或者連接模式的GRA_PCH狀態后，下發必要配置命令，該命令包括PCH與BACH的規劃信息、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MES唯一標識、衛星無線網絡臨時標識兩種）。當“應用與高層協議棧子系統”下發完成配置命令后，該子系統可以獨立關閉其時鐘與電源進入睡眠，準備接收來自“物理層子系統”的喚醒。

3 仿真實驗

    為了驗證本文提出的低功耗優化方法，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，并進行功耗測量。本文采用TI公司的片上系統（System on Chip，SoC）OMAP 5910作為基帶核心處理芯片，在完全按照GMR-1協議定制的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”，ARM925T處理器中仿真“應用與高層協議棧子系統”，利用OMAP 5910系統控制模塊作為“系統控制子系統”。

    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狀態后開始測量，測量周期為30 min。同時設定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狀態下讀取PCH并獲取定位信息、GRA_PCH狀態下讀取BACH。每種場景分為使用本文提出的優化方法與沒有使用本文提出的優化方法進行測試。測試的平均功耗結果見表1。

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

參考文獻

[1] 汪春霆，張俊祥，潘申富，等.衛星通信系統[M].北京：國防工業出版社，2012.

[2] Xu Jun(Erik)，Jong Jehong，RAVISHANKAR C，et al.Algorithm and analysis of using GPS for a hybrid mobile satellite terminal[C].The 2011 Military Communications Conference，2011.Baltimore：IEEE，2011.

[3] ETSI.GMR-1 3G 45.002(ETSI TS 101 376-5-1)[EB/OL].(2012-12)[2012-12].http：//www.etsi.org.

[4] ETSI.GMR-1 3G 44.008(ETSI TS 101 376-4-8)[EB/OL].(2012-12)[2012-12].http：//www.etsi.org.

[5] ETSI.GMR-1 3G 44.118(ETSI TS 101 376-4-13)[EB/OL].(2012-12)[2012-12].http：//www.etsi.org.