基于睡眠算法的卫星终端低功耗设计

汪虹宇，张玉成，莫志锋

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065； 2.中国科学院计算技术研究所 无线通信技术研究中心，北京 100190)

0 引 言

卫星通信系统具有覆盖范围广、通信距离远、不受地面条件的约束等优点，高性能卫星终端产品的研发是卫星通信领域的重要发展方向[1-3]。功耗向来是各类电子产品的一项重要性能指标，卫星终端也不例外。

目前对于卫星终端低功耗的研究主要集中在硬件层面。文献[4]分析了低功耗CMOS电路的设计方法，提出了调整晶体管尺寸、降低MOS管阈值电压等低功耗措施；文献[5]从静态功耗和动态功耗出发，提出了降低负载电容、工作电压及频率等措施降低CMOS电路的功耗；文献[6]和文献[7]提出了多电压域技术、门控电源技术、门控时钟技术等低功耗设计技术实现终端硬件的低功耗控制。现有的卫星终端待机功耗集中在200 mW左右，如：中兴T900卫星电话待机功耗为231.3 mW，HTL2200待机功耗为229.4 mW。

基于目前缺乏对终端运行流程层面的低功耗研究，本文将从终端在空闲模式下的运行流程角度实现终端的低功耗。本文提出了终端的睡眠算法，根据睡眠算法完成了终端功能模块在浅睡和深睡下的工作状态控制，最终形成卫星终端运行层面的低功耗设计。

1 应用背景

1.1 终端主要耗电模块分析

卫星终端主要耗电模块有基带芯片、射频芯片(radio frequency integrated circuit，RFIC)及DDR IC。基带芯片为DX-S301，主要完成信号和协议的处理，片上集成了数字信号处理器(digital signal processor，DSP)、外接收机(outer receiver，ORX)译码器、DDR controller、射频接口单元(radio frequency interface unit，RFIU)及两个ARM处理器(分别用于终端控制物理层和协议栈)；RFIC主要完成功率放大、频率合成、射频收发等功能，与基带芯片通过RFIU交互；DDR芯片主要完成数据的存储，与基带芯片通过DDR controller交互。

表1为终端主要模块的低功耗工作状态及功耗数据，正常工作时，表中各个模块均正常打开。其中DSP和RFIC均分为接收模块和发射模块，ARM1为控制物理层的处理器，ARM2为控制协议栈的处理器。

表1 终端主要模块工作状态及功耗数据

1.2 终端空闲模式

空闲模式指终端开机但没有为其分配专有信道的一种状态。在空闲模式下，终端有PLMN选择、小区选择/重选、位置更新、接收寻呼信息等任务[8，9]。本文的空闲模式指终端完成入网后的一种工作模式。

终端在开机后会先进行小区搜索，搜索到合适的小区后，在对应的广播频点上完成小区驻留，驻留后物理层会向媒体访问控制层(media access control，MAC)上报广播消息(当前驻留频点、小区信号强度等)，在接收完所有广播信道数据后，终端进行随机接入，随机接入完成后开始建立信道(公共的信令信道DACCH)和无线资源控制层(radio resource control，RRC)连接，之后终端会完成IMSI附着/位置更新操作，随即释放RRC连接以及信令信道，至此终端便完成了入网，入网完成后无其它任务(如寻呼)，终端将会进入空闲模式。

1.3 终端工作模式分析

在空闲模式下，根据功耗特性进行划分，终端的工作模式可分为正常模式和低功耗模式。

正常模式指终端完成小区搜索、接收广播、建立信道、入网以及释放RRC连接等操作后的一种状态。在正常模式下，终端会驻留在入网前的广播频点，保持驻留状态并持续接收公共控制信道数据；相比于正常模式，终端的低功耗模式按照表1合理调整各模块的工作状态，同时利用DRX的思想使终端尽可能“少而全”地接收所需的控制信道数据。低功耗模式可进一步划分为浅睡模式和深睡模式，相比于正常模式，终端在浅睡模式时，部分模块处于休眠或断电状态，而深睡模式下，在终端的深睡周期内，终端的大部分模块都是处于休眠或断电状态。在低功耗模式期间，终端需要完成两项任务：①寻呼检测；②小区重选。这两项任务均在浅睡模式下完成。终端在深睡模式没有任何任务，在深睡周期内一直处于待机状态。图1为终端在空闲模式期间的工作状态转移，终端可在正常模式与浅睡模式、浅睡模式与深睡模式之间实现来回切换，终端的正常模式与深睡模式之间不能直接进行切换，需要经过浅睡模式完成过渡。

图1 空闲模式下终端工作状态转移

2 终端睡眠算法

2.1 信道数据的非连续接收

非连续接收(discontinuous reception，DRX)指终端不连续接收下行的信道数据，DRX通过减少非必要信道数据的接收，从而避免射频模块以及基带处理模块频繁工作消耗更多的功耗。DRX根据终端状态分为ACTIVE DRX和IDLE DRX。当终端处于RRC连接状态时，终端在处理一些对实时性要求不高的应用可采用DRX模式，在连接状态下的DRX叫作ACTIVE DRX；当终端处于空闲模式时，对公共控制信道的信道数据可采取DRX完成相应信道数据的接收，在空闲模式下的DRX叫作IDLE DRX。本文主要研究的是终端的IDLE DRX。

每个系统消息周期为64个TDMA帧，一个TDMA帧对应40 ms，每个TDMA帧有24个时隙，一个时隙对应5/3 ms。图2给出了其中16帧的控制信道时隙分配图，剩余48帧分配同图1。在IDLE DRX状态下，终端可只接收BCCH和PCH信道数据，其中同一小区的BCCH的接收周期为8帧，PCH的接收周期为16帧(分为PCH0和PCH1)。

图2 控制信道分配

2.2 终端睡眠算法

当终端进入低功耗模式后，利用DRX的思想提出终端的睡眠算法，通过睡眠算法可确定终端睡眠时间及接收任务帧号。

采用三元表(SIRFN、PCRTN、LOBITS)的方式表示各控制信道出现的相对帧号及时隙号，SIRFN表示系统消息相对帧号，取值范围为0-63；PCRTN表示物理信道相对时隙号，取值范围为0-23；LOBITS表示突发所占的时隙数。

FCCH携带了终端的频率校正信息，可用于终端系统信息的周期性同步，属于下行信道。CICH为终端用于校准测量的下行控制信道；BACH是用于告警终端不能正确解调BCCH或PCH信道数据的下行信道。每个系统消息周期内，FCCH、CICH和BACH均有8个突发，各自占320 ms；

BCCH用于向终端广播系统消息，属于下行信道。每个系统消息周期有8个BCCH突发，这8个BCCH突发的三元表为：(2,0,6)、(10,0,6)、(18,0,6)、(26,0,6)、(34,0,6)、(42,0,6)、(50,0,6)、(58,0,6)。BCCH占有6个时隙，其发送周期为8帧，即320 ms。

PCH为用于寻呼终端的下行信道，PCH可分为PCH0和PCH1两个寻呼组。PCH突发的类型由BCCH信道携带的SA_PCH_CONFIG和PAGING_INDEX参数确定。每个系统消息周期有4个PCH0突发，其三元表为：(4,0,6)、(20,0,6)、(36,0,6)、(52,0,6)；每个系统消息周期有4个PCH1突发，其三元表为：(12,0,6)、(28,0,6)、(44,0,6)、(60,0,6)。

分析完各控制信道特性后，终端的睡眠时间模型可用如下公式表示

(1)

T=Ttotal-TFCCH-TCICH-TBCCH-TPCH-TBACH

(2)

其中，TCHANNEL_TYPE为终端接收对应公共控制信道数据所占用的时间；STCHANNEL_TYPE为信道占用的时隙数；T表示终端一个系统消息周期内的睡眠时间；Ttotal为64帧对应的时间；TFCCH、TCICH、TBCCH、TPCH、TBACH分别为接收FCCH、CICH、BCCH、PCH、BACH信道数据所占用的时间。

在不考虑终端解调BCCH或PCH出错的情况下，终端可采取只接收BCCH和PCH信道数据。当终端接收PCH0时，在16个TDMA帧内，终端的接收任务如图3左侧时隙分配图所示；当终端接收PCH1时，在16个TDMA帧内，终端的接收任务如图3右侧时隙分配图所示。

图3 DRX下接收PCH时隙分配

此时，式(2)可化简为

T=Ttotal-TBCCH-TPCH

(3)

式中：Ttotal为2560 ms，TBCCH为80 ms，TPCH为40 ms，即在睡眠优化后，终端在一个系统消息周期内的睡眠时间为2440 ms。

对于终端接收信道数据的帧号主要由以下公式确认

(4)

式中：Fn表示第n个接收任务对应的帧号；n表示接收任务的序号，n大于等于1；F0表示接收任务起始帧号(n=1时)，有F0%8=2。

ΔN为下一次接收任务与当前接收任务的帧号间隔，当寻呼组为PCH0时，ΔN取值为

(5)

当寻呼组为PCH1时，ΔN取值为

(6)

式(3)和式(4)分别给出了终端睡眠时间和接收任务帧号，通过这两个公式可实现终端的睡眠优化，在没有信道数据接收任务的时间周期内，可采取相应的措施(如关闭射频模块、DSP模块等)以减少终端耗电模块的工作功耗。

3 终端空闲状态下的低功耗设计

终端的低功耗设计以睡眠算法为核心，当帧号有接收任务时，终端在对应帧号为浅睡模式，无接收任务时，在对应帧号为深睡模式。对终端在空闲模式下的低功耗设计主要分为以下3个阶段进行设计：①工作模式切换设计；②浅睡模式设计；③深睡模式设计。

3.1 工作模式切换设计

由1.3节可知，终端的工作模式主要有正常模式、浅睡模式和深睡模式，对于工作模式的切换主要分为3种情况进行：①正常模式切换至浅睡模式；②浅睡模式切换至深睡模式；③浅睡模式与深睡模式间的切换。

(1)正常模式切换至浅睡模式

终端在正常工作状态时，MAC层会向物理层下发CHANNEL_RELEASE_REQ请求以释放掉终端的专有信道连接，物理层侧在收到请求消息后会向MAC层回复CHANNEL_RELEASE_RES，随即终端进入空闲模式，然后对BCCH和PCH信道数据进行非连续性接收。

终端由正常模式切换至浅睡模式有两个条件：①用户手动进入睡眠模式；②AP应用模块长时间无业务。

用户手动配置终端进入低功耗模式时，用户在触发睡眠操作后，AP模块会以AT指令(AT+SLEEP)的形式告知CP模块侧的协议栈准备进入低功耗模式，协议栈在收到AT指令后，会向物理层下发SLEEP_REQ的睡眠请求，物理层收到请求消息后会向协议栈回复SLEEP_RES并控制CP模块进入浅睡模式。

AP模块长时间无业务时，CP模块侧的协议栈长时间未收到AP的AT指令或寻呼任务时，将会下发SLEEP_REQ至物理层，物理层回复RES后控制CP模块进入浅睡状态。

(2)浅睡模式切换至正常模式

终端由浅睡模式切换至正常工作模式有两个条件：①用户手动进行唤醒；②CP侧检测到外界寻呼或需要完成小区重选。

用户通过触屏或开机键使终端由浅睡模式恢复正常工作模式时，物理层会先将GPIO_A管脚设置为高电平以表明AP模块有业务，而后AP模块恢复正常工作模式。CP通信模块侧的物理层在检测到GPIO_A为高时，将控制DDR退出自刷新模式，然后向控制协议栈软件的ARM核发送一个中断唤醒协议栈。

CP通信模块侧的物理层在检测到终端被外界寻呼或者需要完成小区重选时，将控制DDR退出自刷新模式，然后通过ARM中断的方式唤醒协议栈，之后将GPIO_C设置为高电平以唤醒AP模块。

(3)浅睡模式与深睡模式间的切换

进入深睡模式前，终端在浅睡模式下会进行寻呼检测和小区重选判断，当不需要接受寻呼且无需进行小区重选时，即需满足如下两个条件，终端才能由浅睡模式进入深睡模式：①信关站子系统(gateway station subsystem，GSS)的身份识别参数与终端匹配；②当前小区信号强度不在阈值范围。

在深睡模式时，需设定合适的深睡周期以避免错过寻呼。为了避免终端错过外界的寻呼，至少要保证终端能够接收3个连续的PCH(PCH0或PCH1)中的一个PCH信道数据，每3个连续的PCH0或PCH1一共占据32个TDMA帧，因此需要保证每32帧至少接收一个PCH0或PCH1信道数据。除了接收PCH信道数据外，还需要接收BCCH信道数据，BCCH至PCH一共占据3个TDMA帧。综上所述，在考虑不错过接收必要的PCH和BCCH情况下，最佳省电策略为：以32个TDMA帧为周期，浅睡3帧，深睡29帧。当达到深睡周期时，终端便由深睡模式切换至浅睡模式，如此循环。

3.2 浅睡模式设计

浅睡模式是终端在帧号为Fn的TDMA帧处的工作模式。终端的浅睡模式设计主要集中在两个方面：①终端主要模块工作状态控制；②浅睡任务处理。

3.2.1 模块工作状态控制

终端在进入浅睡模式时，物理层会对终端主要模块的工作状态进行控制从而降低浅睡期间的功耗。终端在进入浅睡模式时需要进行如下步骤：

(1)协议栈standby

当终端进入低功耗模式后，无需协议栈继续工作，关闭协议栈的本质是使ARM2进入standby模式。关闭协议栈采取的方式分为两个步骤：①设置协议栈屏蔽除ICCU中断(协议栈与物理层之间的中断)外的其它中断，ICCU中断为物理层和协议栈之间的软脉冲中断，物理层可通过此中断唤醒协议栈。②ARM2执行WFI指令进入standby。

(2)关闭RFIC-TX模块

射频模块分为发送和接收模块，在浅睡期间，终端只需对空口数据进行接收，不需要将基带信号发送出去。

(3)引导DDR自刷新

DDR自刷新的主要目的是保存存储阵列中的数据，同时减少耗电。

(4)DX-S301芯片模块控制

DX-S301基带芯片在浅睡期间，其耗电模块DSP-TX、DDR controller、USB和抗干扰模块是不需要工作的，因此对上诉模块进行断电。

(5)工作模块降频降压

降低工作模块的工作频率和工作电压能够降低其功耗，因此在浅睡期间可降低终端内部工作模块(如CPU、DSP-RX、RFIC-RX等)的工作频率和工作电压。

3.2.2 浅睡任务处理

在终端处于浅睡过程中时，终端物理层会处理两个任务以决定是否将终端由浅睡模式唤醒至正常工作模式：①寻呼检测；②小区重选。

寻呼检测主要是完成GSS和终端的身份识别参数的匹配[10]。身份识别参数主要有G-RNTI、IMSI和P-TMSI，GSS会首先填写这3个参数的值，终端物理层在对信道数据解调后获取GSS侧的参数值，并于终端参数进行匹配，当至少有一个参数一致时，表示有外界在寻呼此终端，随即开始进行寻呼处理。

小区重选主要是当前小区的接收信号强度指示值(received signal strength indication，RSSI)不在阈值[15,30]范围内时，物理层将会对初始小区的6个邻小区的RSSI值进行测量，从中找到一个信号最强的小区完成驻留。

3.3 深睡模式设计

浅睡模式是终端在帧号不为Fn的TDMA帧处的工作模式。终端的深睡模式设计主要有两点：①终端主要模块工作状态控制；②TBU校准。

3.3.1 模块工作状态控制

终端在深睡模式时的模块工作状态控制主要是进一步实现降低浅睡模式下的工作模块的功耗。

(1)关闭RFIC-RX、DSP-RX模块

由于在浅睡过程中，终端仅关闭射频的发射模块和DSP-TX模块，因此，深睡模式下需进一步关闭RFIC-RX和DSP-RX模块。

(2)配置深睡周期

由3.1节的分析可知，终端的深睡周期为29帧。

(3)打开RFIC-RX及DSP-RX模块

当达到深睡周期后，终端会准备恢复至浅睡模式，因此需要打开RFIC-RX和DSP-RX模块。

(4)TBU calibration

终端完成深睡后，由于深睡期间TBU不会继续计数，因此需要完成TBU的时间校准。

3.3.2 TBU校准

定时基本单元(timing base unit，TBU)能够为芯片内部其余模块提供计数功能。DX-S301芯片在低功耗模式下的深睡模式期间，TBU模块不提供计数服务，其计数值在深睡期间保持不变。由于射频通道的开关是根据TBU计数值在固定的时刻开关的，因此在退出深睡模式后需要对TBU进行校准以保证射频模块在正确的时间接收空口数据。

在终端深睡时，芯片内部19.2 MHz的时钟将会关闭，主要由32 KHz的无源晶振完成计数工作。

TBU的calibration可分为以下3个阶段完成：

(1)无源晶振周期与TBU周期对应关系

由于在深睡时主要是由无源晶振带替TBU完成计数功能，因此需要分析出两者周期对应关系。令无源晶振的周期为TC O,TBU的周期为TTBU，则无源晶振至TBU的等效因子β为

β=TC O/TTBU

(7)

(2)深睡时间确定

在终端进入深睡时，物理层会配置深睡时间，假定深睡时间为n个无源晶振周期，则根据无源晶振周期与TBU周期对应关系可得出TBU在深睡期间实际应增加的计数值TDeep为

TDeep=nβ

(8)

(3)TBU计数值补偿

在终端退出深睡模式时，TBU恢复计数功能，此时需要将32 KHz的无源晶振在深睡期间的计数值累加至TBU，即TBU的正确计数值应为当前值加上TDeep。

TBU的calibration能够保证TBU模块计数的准确性，同时确保终端射频等模块能够根据计数值准时打开。

4 测试验证

4.1 测试平台搭建

图4是本文的测试环境，其中，终端采用的是基带开发板；射频一致性测试仪采用的是JY3000，终端与其进行信令交互后，会进入空闲模式；稳压源采用的是INTERLOCK-IPD3305SLU，主要用于对终端进行供电；万用表采用的是VICTOR-8165，用于测量终端的功耗数据。

图4 测试平台

4.2 功耗测试及分析

图5为32帧内，终端在不同浅睡深睡占比下的平均功耗图，其中横坐标为浅睡帧数。终端在浅睡时需接收BCCH和PCH信道数据，可通过睡眠算法确定出接收任务帧号，为了避免频繁的开关射频模块，在接收BCCH和PCH期间，可持续打开射频模块，因此浅睡帧数取值范围为[3,32]。可以看出，终端的最佳睡眠策略为：浅睡3帧，深睡29帧。

图5 不同浅睡深睡占比下终端平均功耗

表2为终端在不同工作模式下的功耗数据。控制终端一直处于浅睡状态，测得终端平均功耗为457.3 mW；终端在长深睡模式下的平均功耗为132.6 mW。按照3∶29的实现方式，终端的平均功耗理论值为(457.3×3+132.6×29)/32，即为163 mW。

表2 终端不同模式下的功耗数据/mW

终端在低功耗模式下的实测平均功耗为173.4 mW，与理论功耗的误差在可允许范围内，导致误差的原因主要是电路延时、温度等因素。

图6为终端在正常工作模式和低功耗模式下的电流图，稳压源提供3.8 V电压供电。在正常工作时，终端电流维持在574 mA左右；在低功耗模式时，终端电流在35 mA和120 mA左右波动，分别对应浅睡和深睡下的电流，符合本文设计。

图6 终端运行电流

5 结束语

本文主要研究了空闲模式下终端的低功耗设计。在设计过程中，分析了终端的主要耗电模块，并结合DRX的思想，提出了睡眠算法用于确定终端睡眠时间和接收任务帧号，然后基于睡眠算法将低功耗模式划分为浅睡模式和深睡模式进行设计，经过对功耗数据进行测试，验证了此设计方案能够大幅降低终端空闲模式下的功耗，该方案对以后在卫星终端低功耗方面的研究具有一定的参考价值。