基于睡眠算法的衛(wèi)星終端低功耗設(shè)計(jì)

汪虹宇，張玉成，莫志鋒

(1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065； 2.中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所 無線通信技術(shù)研究中心，北京 100190)

0 引 言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、不受地面條件的約束等優(yōu)點(diǎn)，高性能衛(wèi)星終端產(chǎn)品的研發(fā)是衛(wèi)星通信領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1-3]。功耗向來是各類電子產(chǎn)品的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，衛(wèi)星終端也不例外。

目前對(duì)于衛(wèi)星終端低功耗的研究主要集中在硬件層面。文獻(xiàn)[4]分析了低功耗CMOS電路的設(shè)計(jì)方法，提出了調(diào)整晶體管尺寸、降低MOS管閾值電壓等低功耗措施；文獻(xiàn)[5]從靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗出發(fā)，提出了降低負(fù)載電容、工作電壓及頻率等措施降低CMOS電路的功耗；文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出了多電壓域技術(shù)、門控電源技術(shù)、門控時(shí)鐘技術(shù)等低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端硬件的低功耗控制?，F(xiàn)有的衛(wèi)星終端待機(jī)功耗集中在200 mW左右，如：中興T900衛(wèi)星電話待機(jī)功耗為231.3 mW，HTL2200待機(jī)功耗為229.4 mW。

基于目前缺乏對(duì)終端運(yùn)行流程層面的低功耗研究，本文將從終端在空閑模式下的運(yùn)行流程角度實(shí)現(xiàn)終端的低功耗。本文提出了終端的睡眠算法，根據(jù)睡眠算法完成了終端功能模塊在淺睡和深睡下的工作狀態(tài)控制，最終形成衛(wèi)星終端運(yùn)行層面的低功耗設(shè)計(jì)。

1 應(yīng)用背景

1.1 終端主要耗電模塊分析

衛(wèi)星終端主要耗電模塊有基帶芯片、射頻芯片(radio frequency integrated circuit，RFIC)及DDR IC。基帶芯片為DX-S301，主要完成信號(hào)和協(xié)議的處理，片上集成了數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor，DSP)、外接收機(jī)(outer receiver，ORX)譯碼器、DDR controller、射頻接口單元(radio frequency interface unit，RFIU)及兩個(gè)ARM處理器(分別用于終端控制物理層和協(xié)議棧)；RFIC主要完成功率放大、頻率合成、射頻收發(fā)等功能，與基帶芯片通過RFIU交互；DDR芯片主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，與基帶芯片通過DDR controller交互。

表1為終端主要模塊的低功耗工作狀態(tài)及功耗數(shù)據(jù)，正常工作時(shí)，表中各個(gè)模塊均正常打開。其中DSP和RFIC均分為接收模塊和發(fā)射模塊，ARM1為控制物理層的處理器，ARM2為控制協(xié)議棧的處理器。

表1 終端主要模塊工作狀態(tài)及功耗數(shù)據(jù)

1.2 終端空閑模式

空閑模式指終端開機(jī)但沒有為其分配專有信道的一種狀態(tài)。在空閑模式下，終端有PLMN選擇、小區(qū)選擇/重選、位置更新、接收尋呼信息等任務(wù)[8，9]。本文的空閑模式指終端完成入網(wǎng)后的一種工作模式。

終端在開機(jī)后會(huì)先進(jìn)行小區(qū)搜索，搜索到合適的小區(qū)后，在對(duì)應(yīng)的廣播頻點(diǎn)上完成小區(qū)駐留，駐留后物理層會(huì)向媒體訪問控制層(media access control，MAC)上報(bào)廣播消息(當(dāng)前駐留頻點(diǎn)、小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度等)，在接收完所有廣播信道數(shù)據(jù)后，終端進(jìn)行隨機(jī)接入，隨機(jī)接入完成后開始建立信道(公共的信令信道DACCH)和無線資源控制層(radio resource control，RRC)連接，之后終端會(huì)完成IMSI附著/位置更新操作，隨即釋放RRC連接以及信令信道，至此終端便完成了入網(wǎng)，入網(wǎng)完成后無其它任務(wù)(如尋呼)，終端將會(huì)進(jìn)入空閑模式。

1.3 終端工作模式分析

在空閑模式下，根據(jù)功耗特性進(jìn)行劃分，終端的工作模式可分為正常模式和低功耗模式。

正常模式指終端完成小區(qū)搜索、接收廣播、建立信道、入網(wǎng)以及釋放RRC連接等操作后的一種狀態(tài)。在正常模式下，終端會(huì)駐留在入網(wǎng)前的廣播頻點(diǎn)，保持駐留狀態(tài)并持續(xù)接收公共控制信道數(shù)據(jù)；相比于正常模式，終端的低功耗模式按照表1合理調(diào)整各模塊的工作狀態(tài)，同時(shí)利用DRX的思想使終端盡可能“少而全”地接收所需的控制信道數(shù)據(jù)。低功耗模式可進(jìn)一步劃分為淺睡模式和深睡模式，相比于正常模式，終端在淺睡模式時(shí)，部分模塊處于休眠或斷電狀態(tài)，而深睡模式下，在終端的深睡周期內(nèi)，終端的大部分模塊都是處于休眠或斷電狀態(tài)。在低功耗模式期間，終端需要完成兩項(xiàng)任務(wù)：①尋呼檢測(cè)；②小區(qū)重選。這兩項(xiàng)任務(wù)均在淺睡模式下完成。終端在深睡模式?jīng)]有任何任務(wù)，在深睡周期內(nèi)一直處于待機(jī)狀態(tài)。圖1為終端在空閑模式期間的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移，終端可在正常模式與淺睡模式、淺睡模式與深睡模式之間實(shí)現(xiàn)來回切換，終端的正常模式與深睡模式之間不能直接進(jìn)行切換，需要經(jīng)過淺睡模式完成過渡。

圖1 空閑模式下終端工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移

2 終端睡眠算法

2.1 信道數(shù)據(jù)的非連續(xù)接收

非連續(xù)接收(discontinuous reception，DRX)指終端不連續(xù)接收下行的信道數(shù)據(jù)，DRX通過減少非必要信道數(shù)據(jù)的接收，從而避免射頻模塊以及基帶處理模塊頻繁工作消耗更多的功耗。DRX根據(jù)終端狀態(tài)分為ACTIVE DRX和IDLE DRX。當(dāng)終端處于RRC連接狀態(tài)時(shí)，終端在處理一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的應(yīng)用可采用DRX模式，在連接狀態(tài)下的DRX叫作ACTIVE DRX；當(dāng)終端處于空閑模式時(shí)，對(duì)公共控制信道的信道數(shù)據(jù)可采取DRX完成相應(yīng)信道數(shù)據(jù)的接收，在空閑模式下的DRX叫作IDLE DRX。本文主要研究的是終端的IDLE DRX。

每個(gè)系統(tǒng)消息周期為64個(gè)TDMA幀，一個(gè)TDMA幀對(duì)應(yīng)40 ms，每個(gè)TDMA幀有24個(gè)時(shí)隙，一個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)5/3 ms。圖2給出了其中16幀的控制信道時(shí)隙分配圖，剩余48幀分配同圖1。在IDLE DRX狀態(tài)下，終端可只接收BCCH和PCH信道數(shù)據(jù)，其中同一小區(qū)的BCCH的接收周期為8幀，PCH的接收周期為16幀(分為PCH0和PCH1)。

圖2 控制信道分配

2.2 終端睡眠算法

當(dāng)終端進(jìn)入低功耗模式后，利用DRX的思想提出終端的睡眠算法，通過睡眠算法可確定終端睡眠時(shí)間及接收任務(wù)幀號(hào)。

采用三元表(SIRFN、PCRTN、LOBITS)的方式表示各控制信道出現(xiàn)的相對(duì)幀號(hào)及時(shí)隙號(hào)，SIRFN表示系統(tǒng)消息相對(duì)幀號(hào)，取值范圍為0-63；PCRTN表示物理信道相對(duì)時(shí)隙號(hào)，取值范圍為0-23；LOBITS表示突發(fā)所占的時(shí)隙數(shù)。

FCCH攜帶了終端的頻率校正信息，可用于終端系統(tǒng)信息的周期性同步，屬于下行信道。CICH為終端用于校準(zhǔn)測(cè)量的下行控制信道；BACH是用于告警終端不能正確解調(diào)BCCH或PCH信道數(shù)據(jù)的下行信道。每個(gè)系統(tǒng)消息周期內(nèi)，F(xiàn)CCH、CICH和BACH均有8個(gè)突發(fā)，各自占320 ms；

BCCH用于向終端廣播系統(tǒng)消息，屬于下行信道。每個(gè)系統(tǒng)消息周期有8個(gè)BCCH突發(fā)，這8個(gè)BCCH突發(fā)的三元表為：(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個(gè)時(shí)隙，其發(fā)送周期為8幀，即320 ms。

PCH為用于尋呼終端的下行信道，PCH可分為PCH0和PCH1兩個(gè)尋呼組。PCH突發(fā)的類型由BCCH信道攜帶的SA_PCH_CONFIG和PAGING_INDEX參數(shù)確定。每個(gè)系統(tǒng)消息周期有4個(gè)PCH0突發(fā)，其三元表為：(4,0,6)、(20,0,6)、(36,0,6)、(52,0,6)；每個(gè)系統(tǒng)消息周期有4個(gè)PCH1突發(fā)，其三元表為：(12,0,6)、(28,0,6)、(44,0,6)、(60,0,6)。

分析完各控制信道特性后，終端的睡眠時(shí)間模型可用如下公式表示

(1)

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

(2)

其中，TCHANNEL_TYPE為終端接收對(duì)應(yīng)公共控制信道數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間；STCHANNEL_TYPE為信道占用的時(shí)隙數(shù)；T表示終端一個(gè)系統(tǒng)消息周期內(nèi)的睡眠時(shí)間；Ttotal為64幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間；TFCCH、TCICH、TBCCH、TPCH、TBACH分別為接收FCCH、CICH、BCCH、PCH、BACH信道數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。

在不考慮終端解調(diào)BCCH或PCH出錯(cuò)的情況下，終端可采取只接收BCCH和PCH信道數(shù)據(jù)。當(dāng)終端接收PCH0時(shí)，在16個(gè)TDMA幀內(nèi)，終端的接收任務(wù)如圖3左側(cè)時(shí)隙分配圖所示；當(dāng)終端接收PCH1時(shí)，在16個(gè)TDMA幀內(nèi)，終端的接收任務(wù)如圖3右側(cè)時(shí)隙分配圖所示。

圖3 DRX下接收PCH時(shí)隙分配

此時(shí)，式(2)可化簡(jiǎn)為

T=Ttotal-TBCCH-TPCH

(3)

式中：Ttotal為2560 ms，TBCCH為80 ms，TPCH為40 ms，即在睡眠優(yōu)化后，終端在一個(gè)系統(tǒng)消息周期內(nèi)的睡眠時(shí)間為2440 ms。

對(duì)于終端接收信道數(shù)據(jù)的幀號(hào)主要由以下公式確認(rèn)

(4)

式中：Fn表示第n個(gè)接收任務(wù)對(duì)應(yīng)的幀號(hào)；n表示接收任務(wù)的序號(hào)，n大于等于1；F0表示接收任務(wù)起始幀號(hào)(n=1時(shí))，有F0%8=2。

ΔN為下一次接收任務(wù)與當(dāng)前接收任務(wù)的幀號(hào)間隔，當(dāng)尋呼組為PCH0時(shí)，ΔN取值為

(5)

當(dāng)尋呼組為PCH1時(shí)，ΔN取值為

(6)

式(3)和式(4)分別給出了終端睡眠時(shí)間和接收任務(wù)幀號(hào)，通過這兩個(gè)公式可實(shí)現(xiàn)終端的睡眠優(yōu)化，在沒有信道數(shù)據(jù)接收任務(wù)的時(shí)間周期內(nèi)，可采取相應(yīng)的措施(如關(guān)閉射頻模塊、DSP模塊等)以減少終端耗電模塊的工作功耗。

3 終端空閑狀態(tài)下的低功耗設(shè)計(jì)

終端的低功耗設(shè)計(jì)以睡眠算法為核心，當(dāng)幀號(hào)有接收任務(wù)時(shí)，終端在對(duì)應(yīng)幀號(hào)為淺睡模式，無接收任務(wù)時(shí)，在對(duì)應(yīng)幀號(hào)為深睡模式。對(duì)終端在空閑模式下的低功耗設(shè)計(jì)主要分為以下3個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)：①工作模式切換設(shè)計(jì)；②淺睡模式設(shè)計(jì)；③深睡模式設(shè)計(jì)。

3.1 工作模式切換設(shè)計(jì)

由1.3節(jié)可知，終端的工作模式主要有正常模式、淺睡模式和深睡模式，對(duì)于工作模式的切換主要分為3種情況進(jìn)行：①正常模式切換至淺睡模式；②淺睡模式切換至深睡模式；③淺睡模式與深睡模式間的切換。

(1)正常模式切換至淺睡模式

終端在正常工作狀態(tài)時(shí)，MAC層會(huì)向物理層下發(fā)CHANNEL_RELEASE_REQ請(qǐng)求以釋放掉終端的專有信道連接，物理層側(cè)在收到請(qǐng)求消息后會(huì)向MAC層回復(fù)CHANNEL_RELEASE_RES，隨即終端進(jìn)入空閑模式，然后對(duì)BCCH和PCH信道數(shù)據(jù)進(jìn)行非連續(xù)性接收。

終端由正常模式切換至淺睡模式有兩個(gè)條件：①用戶手動(dòng)進(jìn)入睡眠模式；②AP應(yīng)用模塊長(zhǎng)時(shí)間無業(yè)務(wù)。

用戶手動(dòng)配置終端進(jìn)入低功耗模式時(shí)，用戶在觸發(fā)睡眠操作后，AP模塊會(huì)以AT指令(AT+SLEEP)的形式告知CP模塊側(cè)的協(xié)議棧準(zhǔn)備進(jìn)入低功耗模式，協(xié)議棧在收到AT指令后，會(huì)向物理層下發(fā)SLEEP_REQ的睡眠請(qǐng)求，物理層收到請(qǐng)求消息后會(huì)向協(xié)議?；貜?fù)SLEEP_RES并控制CP模塊進(jìn)入淺睡模式。

AP模塊長(zhǎng)時(shí)間無業(yè)務(wù)時(shí)，CP模塊側(cè)的協(xié)議棧長(zhǎng)時(shí)間未收到AP的AT指令或?qū)ず羧蝿?wù)時(shí)，將會(huì)下發(fā)SLEEP_REQ至物理層，物理層回復(fù)RES后控制CP模塊進(jìn)入淺睡狀態(tài)。

(2)淺睡模式切換至正常模式

終端由淺睡模式切換至正常工作模式有兩個(gè)條件：①用戶手動(dòng)進(jìn)行喚醒；②CP側(cè)檢測(cè)到外界尋呼或需要完成小區(qū)重選。

用戶通過觸屏或開機(jī)鍵使終端由淺睡模式恢復(fù)正常工作模式時(shí)，物理層會(huì)先將GPIO_A管腳設(shè)置為高電平以表明AP模塊有業(yè)務(wù)，而后AP模塊恢復(fù)正常工作模式。CP通信模塊側(cè)的物理層在檢測(cè)到GPIO_A為高時(shí)，將控制DDR退出自刷新模式，然后向控制協(xié)議棧軟件的ARM核發(fā)送一個(gè)中斷喚醒協(xié)議棧。

CP通信模塊側(cè)的物理層在檢測(cè)到終端被外界尋呼或者需要完成小區(qū)重選時(shí)，將控制DDR退出自刷新模式，然后通過ARM中斷的方式喚醒協(xié)議棧，之后將GPIO_C設(shè)置為高電平以喚醒AP模塊。

(3)淺睡模式與深睡模式間的切換

進(jìn)入深睡模式前，終端在淺睡模式下會(huì)進(jìn)行尋呼檢測(cè)和小區(qū)重選判斷，當(dāng)不需要接受尋呼且無需進(jìn)行小區(qū)重選時(shí)，即需滿足如下兩個(gè)條件，終端才能由淺睡模式進(jìn)入深睡模式：①信關(guān)站子系統(tǒng)(gateway station subsystem，GSS)的身份識(shí)別參數(shù)與終端匹配；②當(dāng)前小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度不在閾值范圍。

在深睡模式時(shí)，需設(shè)定合適的深睡周期以避免錯(cuò)過尋呼。為了避免終端錯(cuò)過外界的尋呼，至少要保證終端能夠接收3個(gè)連續(xù)的PCH(PCH0或PCH1)中的一個(gè)PCH信道數(shù)據(jù)，每3個(gè)連續(xù)的PCH0或PCH1一共占據(jù)32個(gè)TDMA幀，因此需要保證每32幀至少接收一個(gè)PCH0或PCH1信道數(shù)據(jù)。除了接收PCH信道數(shù)據(jù)外，還需要接收BCCH信道數(shù)據(jù)，BCCH至PCH一共占據(jù)3個(gè)TDMA幀。綜上所述，在考慮不錯(cuò)過接收必要的PCH和BCCH情況下，最佳省電策略為：以32個(gè)TDMA幀為周期，淺睡3幀，深睡29幀。當(dāng)達(dá)到深睡周期時(shí)，終端便由深睡模式切換至淺睡模式，如此循環(huán)。

3.2 淺睡模式設(shè)計(jì)

淺睡模式是終端在幀號(hào)為Fn的TDMA幀處的工作模式。終端的淺睡模式設(shè)計(jì)主要集中在兩個(gè)方面：①終端主要模塊工作狀態(tài)控制；②淺睡任務(wù)處理。

3.2.1 模塊工作狀態(tài)控制

終端在進(jìn)入淺睡模式時(shí)，物理層會(huì)對(duì)終端主要模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行控制從而降低淺睡期間的功耗。終端在進(jìn)入淺睡模式時(shí)需要進(jìn)行如下步驟：

(1)協(xié)議棧standby

當(dāng)終端進(jìn)入低功耗模式后，無需協(xié)議棧繼續(xù)工作，關(guān)閉協(xié)議棧的本質(zhì)是使ARM2進(jìn)入standby模式。關(guān)閉協(xié)議棧采取的方式分為兩個(gè)步驟：①設(shè)置協(xié)議棧屏蔽除ICCU中斷(協(xié)議棧與物理層之間的中斷)外的其它中斷，ICCU中斷為物理層和協(xié)議棧之間的軟脈沖中斷，物理層可通過此中斷喚醒協(xié)議棧。②ARM2執(zhí)行WFI指令進(jìn)入standby。

(2)關(guān)閉RFIC-TX模塊

射頻模塊分為發(fā)送和接收模塊，在淺睡期間，終端只需對(duì)空口數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，不需要將基帶信號(hào)發(fā)送出去。

(3)引導(dǎo)DDR自刷新

DDR自刷新的主要目的是保存存儲(chǔ)陣列中的數(shù)據(jù)，同時(shí)減少耗電。

(4)DX-S301芯片模塊控制

DX-S301基帶芯片在淺睡期間，其耗電模塊DSP-TX、DDR controller、USB和抗干擾模塊是不需要工作的，因此對(duì)上訴模塊進(jìn)行斷電。

(5)工作模塊降頻降壓

降低工作模塊的工作頻率和工作電壓能夠降低其功耗，因此在淺睡期間可降低終端內(nèi)部工作模塊(如CPU、DSP-RX、RFIC-RX等)的工作頻率和工作電壓。

3.2.2 淺睡任務(wù)處理

在終端處于淺睡過程中時(shí)，終端物理層會(huì)處理兩個(gè)任務(wù)以決定是否將終端由淺睡模式喚醒至正常工作模式：①尋呼檢測(cè)；②小區(qū)重選。

尋呼檢測(cè)主要是完成GSS和終端的身份識(shí)別參數(shù)的匹配[10]。身份識(shí)別參數(shù)主要有G-RNTI、IMSI和P-TMSI，GSS會(huì)首先填寫這3個(gè)參數(shù)的值，終端物理層在對(duì)信道數(shù)據(jù)解調(diào)后獲取GSS側(cè)的參數(shù)值，并于終端參數(shù)進(jìn)行匹配，當(dāng)至少有一個(gè)參數(shù)一致時(shí)，表示有外界在尋呼此終端，隨即開始進(jìn)行尋呼處理。

小區(qū)重選主要是當(dāng)前小區(qū)的接收信號(hào)強(qiáng)度指示值(received signal strength indication，RSSI)不在閾值[15,30]范圍內(nèi)時(shí)，物理層將會(huì)對(duì)初始小區(qū)的6個(gè)鄰小區(qū)的RSSI值進(jìn)行測(cè)量，從中找到一個(gè)信號(hào)最強(qiáng)的小區(qū)完成駐留。

3.3 深睡模式設(shè)計(jì)

淺睡模式是終端在幀號(hào)不為Fn的TDMA幀處的工作模式。終端的深睡模式設(shè)計(jì)主要有兩點(diǎn)：①終端主要模塊工作狀態(tài)控制；②TBU校準(zhǔn)。

3.3.1 模塊工作狀態(tài)控制

終端在深睡模式時(shí)的模塊工作狀態(tài)控制主要是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)降低淺睡模式下的工作模塊的功耗。

(1)關(guān)閉RFIC-RX、DSP-RX模塊

由于在淺睡過程中，終端僅關(guān)閉射頻的發(fā)射模塊和DSP-TX模塊，因此，深睡模式下需進(jìn)一步關(guān)閉RFIC-RX和DSP-RX模塊。

(2)配置深睡周期

由3.1節(jié)的分析可知，終端的深睡周期為29幀。

(3)打開RFIC-RX及DSP-RX模塊

當(dāng)達(dá)到深睡周期后，終端會(huì)準(zhǔn)備恢復(fù)至淺睡模式，因此需要打開RFIC-RX和DSP-RX模塊。

(4)TBU calibration

終端完成深睡后，由于深睡期間TBU不會(huì)繼續(xù)計(jì)數(shù)，因此需要完成TBU的時(shí)間校準(zhǔn)。

3.3.2 TBU校準(zhǔn)

定時(shí)基本單元(timing base unit，TBU)能夠?yàn)樾酒瑑?nèi)部其余模塊提供計(jì)數(shù)功能。DX-S301芯片在低功耗模式下的深睡模式期間，TBU模塊不提供計(jì)數(shù)服務(wù)，其計(jì)數(shù)值在深睡期間保持不變。由于射頻通道的開關(guān)是根據(jù)TBU計(jì)數(shù)值在固定的時(shí)刻開關(guān)的，因此在退出深睡模式后需要對(duì)TBU進(jìn)行校準(zhǔn)以保證射頻模塊在正確的時(shí)間接收空口數(shù)據(jù)。

在終端深睡時(shí)，芯片內(nèi)部19.2 MHz的時(shí)鐘將會(huì)關(guān)閉，主要由32 KHz的無源晶振完成計(jì)數(shù)工作。

TBU的calibration可分為以下3個(gè)階段完成：

(1)無源晶振周期與TBU周期對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于在深睡時(shí)主要是由無源晶振帶替TBU完成計(jì)數(shù)功能，因此需要分析出兩者周期對(duì)應(yīng)關(guān)系。令無源晶振的周期為TC O,TBU的周期為TTBU，則無源晶振至TBU的等效因子β為

β=TC O/TTBU

(7)

(2)深睡時(shí)間確定

在終端進(jìn)入深睡時(shí)，物理層會(huì)配置深睡時(shí)間，假定深睡時(shí)間為n個(gè)無源晶振周期，則根據(jù)無源晶振周期與TBU周期對(duì)應(yīng)關(guān)系可得出TBU在深睡期間實(shí)際應(yīng)增加的計(jì)數(shù)值TDeep為

TDeep=nβ

(8)

(3)TBU計(jì)數(shù)值補(bǔ)償

在終端退出深睡模式時(shí)，TBU恢復(fù)計(jì)數(shù)功能，此時(shí)需要將32 KHz的無源晶振在深睡期間的計(jì)數(shù)值累加至TBU，即TBU的正確計(jì)數(shù)值應(yīng)為當(dāng)前值加上TDeep。

TBU的calibration能夠保證TBU模塊計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)確保終端射頻等模塊能夠根據(jù)計(jì)數(shù)值準(zhǔn)時(shí)打開。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 測(cè)試平臺(tái)搭建

圖4是本文的測(cè)試環(huán)境，其中，終端采用的是基帶開發(fā)板；射頻一致性測(cè)試儀采用的是JY3000，終端與其進(jìn)行信令交互后，會(huì)進(jìn)入空閑模式；穩(wěn)壓源采用的是INTERLOCK-IPD3305SLU，主要用于對(duì)終端進(jìn)行供電；萬用表采用的是VICTOR-8165，用于測(cè)量終端的功耗數(shù)據(jù)。

圖4 測(cè)試平臺(tái)

4.2 功耗測(cè)試及分析

圖5為32幀內(nèi)，終端在不同淺睡深睡占比下的平均功耗圖，其中橫坐標(biāo)為淺睡幀數(shù)。終端在淺睡時(shí)需接收BCCH和PCH信道數(shù)據(jù)，可通過睡眠算法確定出接收任務(wù)幀號(hào)，為了避免頻繁的開關(guān)射頻模塊，在接收BCCH和PCH期間，可持續(xù)打開射頻模塊，因此淺睡幀數(shù)取值范圍為[3,32]。可以看出，終端的最佳睡眠策略為：淺睡3幀，深睡29幀。

圖5 不同淺睡深睡占比下終端平均功耗

表2為終端在不同工作模式下的功耗數(shù)據(jù)。控制終端一直處于淺睡狀態(tài)，測(cè)得終端平均功耗為457.3 mW；終端在長(zhǎng)深睡模式下的平均功耗為132.6 mW。按照3∶29的實(shí)現(xiàn)方式，終端的平均功耗理論值為(457.3×3+132.6×29)/32，即為163 mW。

表2 終端不同模式下的功耗數(shù)據(jù)/mW

終端在低功耗模式下的實(shí)測(cè)平均功耗為173.4 mW，與理論功耗的誤差在可允許范圍內(nèi)，導(dǎo)致誤差的原因主要是電路延時(shí)、溫度等因素。

圖6為終端在正常工作模式和低功耗模式下的電流圖，穩(wěn)壓源提供3.8 V電壓供電。在正常工作時(shí)，終端電流維持在574 mA左右；在低功耗模式時(shí)，終端電流在35 mA和120 mA左右波動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)淺睡和深睡下的電流，符合本文設(shè)計(jì)。

圖6 終端運(yùn)行電流

5 結(jié)束語

本文主要研究了空閑模式下終端的低功耗設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，分析了終端的主要耗電模塊，并結(jié)合DRX的思想，提出了睡眠算法用于確定終端睡眠時(shí)間和接收任務(wù)幀號(hào)，然后基于睡眠算法將低功耗模式劃分為淺睡模式和深睡模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過對(duì)功耗數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案能夠大幅降低終端空閑模式下的功耗，該方案對(duì)以后在衛(wèi)星終端低功耗方面的研究具有一定的參考價(jià)值。