0 引言

对地球同步轨道移动无线接口(Geostationary Earth Orbit Mobile Radio Interface，GMR-1)系统是根据欧洲电信标准委员会制定的GMR-1标准，提供卫星移动通信业务的对地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit，GEO)卫星移动通信系统，该标准已经应用于塞拉亚（Thuraya）系统中^[1]。

GMR-1系统中MES根据用户的需要能够设计为可以手持的移动终端，这就对MES的功耗设计提出了更高的要求。

本文根据MES在空闲模式和连接模式下对于定位服务^[2]与非连续接收（Discontinuous Reception，DRX）的特点，提出了一种低功耗优化方法，延长了MES的待机时间。

1 降低功耗的机会

根据GMR-1协议的定义，MES在空闲模式或连接模式下，系统存在周期性的DRX机会：(1)MES可以根据系统消息的配置，周期性地读取寻呼信道（Paging Channel，PCH）中的寻呼消息和执行测量，以便捕捉网络发起的被叫事件和提前进行点波束重选；(2)MES可以根据系统消息的配置周期性地读取广播告警信道（Broadcast Alert Channel，BACH）中的告警消息。另外GMR-1协议中要求MES在空闲模式下或连接模式下（GRA_PCH状态）周期性地读取MES中GPS接收机的定位信息，进行移动距离计算，当超过系统配置的门限值时，MES需要向信关站上报定位信息。

图1给出了在GMR -1系统中MES 在DRX 模式下，侦听PCH、侦听BACH信道与定位信息获取，三者同功耗之间的关系示意图。

在连续接收状态下，MES由于需要传递语音信息或者分组数据包，处于最高的能耗状态。当MES进入空闲模式或者连接模式下的GRA_PCH状态，释放专有物理信道。因此，MES可以进入低功耗状态，在该状态下，MES绝大多数时间处于深睡眠，保持最低能耗，同时根据网络的配置周期性地醒来接收PCH中的寻呼消息，并根据PCH的接收进行同步调整与空闲测量。寻呼的周期T_p按照GMR-1标准取值为{640，1 280}ms^[3]。如果MES在解PCH信道编码时出现失败，则MES放弃周期性监听PCH，转而周期性监听网络发送功率更高的BACH信道从而获取告警信息。一条告警信息需要接收15个突发，根据GMR-1定义BACH的突发规划MES监听BACH突发的周期T_a为{640，600，560，440，320，280，120}ms^[3]。同时MES为了测算移动距离，因而需要在网络配置的T_g(T_g={1，…，255}min^[4])周期下获取GPS的经纬度信息。

为了降低MES在空闲模式下或连接模式(GRA_PCH状态)的平均功耗，延长待机时间，一般来说有3种策略：(1)降低系统睡眠的功耗；(2)降低周期性唤醒工作的能耗(包括降低工作的功耗与减少唤醒时间)；(3)减少唤醒次数。本文提出功耗优化方法主要从(2)、(3)两个方面着手。

2 低功耗优化方法

2.1 MES系统架构优化

2.1.1 MES系统架构介绍

MES的核心包含针对GMR-1协议的基带处理与GPS接收机两大部分，因此，根据无线终端基带系统的普遍设计原则，整个核心部分分为如下几个子系统：

(1)应用与高层协议子系统。该子系统由软件与硬件组成。硬件提供低功耗的精简指令集中央处理器核心、存储器与外围的接口电路；软件部分主要执行GMR-1协议定义的包括媒体接入层(Media Access Control，MAC)及以上的接入层与非接入层，以及必要的应用程序与接口驱动。

(2)物理层子系统。该子系统由软件与硬件组成。硬件提供低功耗的精简指令集中央处理器核心、存储器与GMR-1协议物理层相关的硬件加速器电路；软件部分主要负责与高层协议栈通信、物理信道的编解码、射频电路的控制等。

(3)GPS子系统。该子系统由软件与硬件组成。利用成熟的全球定位系统的模块接收定位信息，并发送给GMR-1协议栈。

(4)射频子系统。该子系统完全由硬件电路组成。在射频收发器、放大器和天线共同协作下，完成模拟载波信号的收发，模拟载波信号的调制与解调，以及模拟信号与数字基带信号的数/模、模/数转换。

(5)系统控制子系统。该子系统完全由硬件电路组成。包括整个系统需要的时钟与复位控制、外部晶振输入与控制、外部电源与基带核心的电源域控制、低功耗控制、定时器控制、时钟校准。

系统控制子系统是低功耗控制的核心部分，当MES进入超低功耗睡眠状态时，(1)～(4)各子系统都处于时钟关闭或者电源关闭状态。为了既确保系统能够从外部事件或者定时唤醒，也能确保很低的功耗，系统控制子系统需要一直打开电源并运行于较低的频率下。为了对系统的功耗进行更加精细的控制，系统控制子系统可以对每一个子系统的时钟与电源单独控制。

2.1.2 架构优化

根据第1节中的描述，MES在空闲模式下或者连接模式下的GRA_PCH状态需要周期性完成的任务：监听PCH、监听BACH、定位信息获取。按照GMR-1协议的定义：

(1)当MES的“物理层子系统”通过“射频子系统”收到PCH后，需要上报给“应用与高层协议子系统”的MAC层，MAC去掉MAC头后发送到无线资源控制子层(Radio Resource Control，RRC)进行层3消息解码，并判断是否是本MES的寻呼。如果不是本MES的寻呼[5]，则MES继续进入睡眠；如果是本MES的寻呼，则MES根据协议描述发起后续流程。

(2)当MES的“物理层子系统”通过“射频子系统”收到完整的BACH中的一条消息后，需要上报给“应用与高层协议子系统”的MAC层，MAC去掉MAC头后发送到RRC层，进行层3消息解码，并判断是否是本MES的告警信息[5]。如果不是本MES的告警信息，则MES继续进入睡眠；如果是本MES的告警消息，则MES根据协议描述发起后续流程。

(3)当MES被周期性位置获取的定时器唤醒，“应用与高层协议子系统”会从“GPS子系统”获取当前MES的经纬度，并与上次获取的经纬度一起计算出移动距离，如果没有超过网络配置的门限值，则MES继续睡眠；否则，根据协议进行后续流程。

为了减少MES系统醒来以后的工作功耗，通过如下架构优化可以减少“应用与高层协议子系统”醒来的次数，也就减少了该子系统在以上3种场景下贡献的功耗：

(1)当MES进入空闲模式或者连接模式下的GRA_PCH状态时，“物理层子系统”负责解析PCH中的层3信令，并判决是否是本MES的寻呼消息。如果是本MES的寻呼消息，则唤醒“应用与高层协议子系统”，执行后续的协议流程；否则，MES继续睡眠。

(2)当MES进入空虚模式或者连接模式下的GRA_PCH状态时，“物理层子系统”负责解析 BACH中的层3信令，并判决是否是本MES的告警消息。如果是本MES的告警消息，则唤醒“应用与高层协议子系统”，并执行后续的协议流程；否则，MES继续睡眠。

(3)“GPS子系统”与“物理层子系统”直接连接，由“物理层子系统”读取经纬度，并判决移动距离是否超过网络设置的门限。如果是MES的移动距离超过门限值，则唤醒“应用与高层协议子系统”，执行后续的协议流程；否则，MES继续睡眠。

2.2 唤醒点合并

在第1节描述中，寻呼的周期T_p按照GMR-1标准取值为{640，1 280}ms，定位信息获取的周期为T_g={1，…，255}min。在GMR-1的协议中，监听PCH和获取定位消息是两个独立任务，二者在时间规划上可以实现为并发任务，因此为了减少MES唤醒的次数，可以利用在某次监听PCH信道的同时进行定位信息获取，这也是在2.1节中提出架构优化(3)的动机。

可以用如下公式表示T_p与T_g的关系：

式中N为整数，为误差值。当T_g的取值正好可以为T_p的整数倍时，Δ=0。否则，考虑到时间的累积效应，误差会线性增大，因此需要“物理层子系统”对定位信息获取的规划做出必要的补偿调整。计算公式调整为：

式(2)表征的是当“物理层子系统”接收到“应用与高层协议子系统”配置新的T_g消息时，下一次定位信息获取的时间点为N₁个寻呼周期后。式(3)表征的是本次定位信息获取的时间误差。式(4)表征第n次(n为整数)定位信息获取的时间点为第n-1次后的N_n个寻呼周期。式(5)表征的是第n次定位信息获取的时间误差。

2.3 关键流程处理

本文提出的低功耗优化方法要求“物理层子系统”成为MES睡眠与唤醒的主要控制者。因此，“物理层子系统”中关于睡眠与唤醒的控制流程是整个MES控制待机功耗的关键。

图2是“物理层子系统”进入睡眠的流程。图3是MES被唤醒后，主控制者“物理层子系统”的流程处理。为了保证“物理层子系统”在睡眠流程中能够计算PCH位置、BACH位置、定位信息获取的时间点，同时在唤醒流程中能够判决是否是本MES的寻呼或者告警信息。需要“应用与高层协议栈子系统” 在进入空闲模式或者连接模式的GRA_PCH状态后，下发必要配置命令，该命令包括PCH与BACH的规划信息、定位信息获取的周期，以及用于判决是否本MES的标识信息（包括核心网MES唯一标识、卫星无线网络临时标识两种）。当“应用与高层协议栈子系统”下发完成配置命令后，该子系统可以独立关闭其时钟与电源进入睡眠，准备接收来自“物理层子系统”的唤醒。

3 仿真实验

为了验证本文提出的低功耗优化方法，需要在实际的硬件平台中模拟MES运行GMR-1的整个基带系统，并进行功耗测量。本文采用TI公司的片上系统（System on Chip，SoC）OMAP 5910作为基带核心处理芯片，在完全按照GMR-1协议定制的MES评估版上进行仿制实验。 OMAP 5910包括一个ARM925T的精简指令处理器和一个C55系列的DSP处理器。在DSP处理器中仿真“物理层子系统”，ARM925T处理器中仿真“应用与高层协议栈子系统”，利用OMAP 5910系统控制模块作为“系统控制子系统”。

为了保证测试有效性，利用安捷伦66309D直流电源单独给MES的基带芯片供电，在MES进入空闲模式或者GRA_PCH状态后开始测量，测量周期为30 min。同时设定MES读取GPS的定位信息的更新周期为1 min，寻呼周期为640 ms，告警组为BACH#1(周期为{640，600，560，120}ms)。测量分为4种场景：空闲模式下读取PCH并获取定位信息、空闲模式下读取BACH、GRA_PCH状态下读取PCH并获取定位信息、GRA_PCH状态下读取BACH。每种场景分为使用本文提出的优化方法与没有使用本文提出的优化方法进行测试。测试的平均功耗结果见表1。

从实验结果分析，在空闲模式与GRA_PCH状态下读取PCH和读取定位信息的场景，优化后的MES待机功耗分别减少了20.9%、19.9%；在空闲模式与GRA_PCH状态下读取BACH场景，优化后的MES待机功耗分别减少了5.5%、5.6%。

参考文献

[1] 汪春霆，张俊祥，潘申富，等.卫星通信系统[M].北京：国防工业出版社，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.