基于TDMA同步時序改進的集群用戶臺省電設計

【摘 要】通過分析集群用戶臺的電路，找出可控的高功耗器件，進而對基于TDMA的集群通信系統(tǒng)的同步時序和調(diào)度策略進行優(yōu)化設計，給出了理論計算和實際測量的功耗降低值，從而證明省電設計效果良好。

【關(guān)鍵詞】集群通信 TDMA 省電設計 同步時序

中圖分類號：TN802 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-13-0072-04

1 概述

集群通信系統(tǒng)中的移動用戶終端設備，除滿足通信距離、傳輸速率等技術(shù)性能要求外，還需對用戶終端的功耗進行重點設計，以確保用戶終端設備的電池具有更強的續(xù)航能力。本文主要以某軍用集群通信系統(tǒng)中的移動用戶臺為例，介紹TDMA系統(tǒng)中基于同步信號發(fā)送時序改進的用戶終端低功耗設計。

本系統(tǒng)的移動用戶臺已經(jīng)采用了一些常規(guī)方法降低整機功耗，主要包括：

（1）硬件電路設計方面：盡量選用功耗低、性能和功能齊備且集成度高的芯片，減少器件數(shù)量；同時選用高效率的電源轉(zhuǎn)換器件。

（2）軟件設計方面：通過操作系統(tǒng)對任務進行管理調(diào)度，根據(jù)當前運行任務的優(yōu)先級高低和任務數(shù)量的多少來調(diào)節(jié)CPU的運行速度以達到省電的目的；采用語音檢測控制技術(shù)，對受話器采集的數(shù)據(jù)進行分析，只有話音數(shù)據(jù)有效時，才啟動話音編碼、信道編碼、調(diào)制和發(fā)射等流程；對顯示屏進行省電設計，如背光和前景分為多級亮度，供用戶選擇，同時啟動顯示屏定時屏保功能。

經(jīng)以上設計，在很大程度上降低了移動用戶臺的整機工作電流，相對延長了電池待機時間。

進一步對移動用戶臺的電路器件進行功耗分析，發(fā)現(xiàn)一些射頻器件在關(guān)閉的情況下，可以節(jié)省較多的用電，但是，這些器件的省電設計必須與設備工作波形統(tǒng)一考慮。同時，系統(tǒng)中大多數(shù)移動用戶終端，大部分時間處于空閑狀態(tài)，所以，針對空閑狀態(tài)的省電設計具有重要性和必要性。本文給出了TDMA系統(tǒng)同步時序改進的省電設計方法和實現(xiàn)結(jié)果。

2 基于TDMA同步時序改進的系統(tǒng)省電設計

2.1 空閑狀態(tài)定義

本通信系統(tǒng)分為TMO（Trunk Mode Operation）和DMO（Direct Mode Operation）2種工作模式，TMO是移動用戶終端之間通過基站的轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)呼叫的模式；DMO是用戶終端之間直接進行一對一和一對多的通信模式。

空閑狀態(tài)是指移動用戶終端處于未同步的狀態(tài)，或是TMO模式下，移動用戶終端雖與基站取得同步但未開展業(yè)務傳輸?shù)臓顟B(tài)。本文以移動用戶臺（以下簡稱“移動臺”）為例，分別討論2種空閑狀態(tài)下的基于系統(tǒng)同步時序調(diào)整的終端省電設計方案。

2.2 省電設計可行性分析

系統(tǒng)要求初始同步時間小于等于0.6s，初始同步概率大于95%，遲后同步概率100%，遲后同步時間不大于6s；TMO模式下，基站開機后處于常發(fā)狀態(tài)，因此對于移動臺而言，只考慮滿足遲后同步的要求。DMO模式下，則需要同時考慮初始同步和遲后同步的要求。需要說明的是：通用集群通信系統(tǒng)，多為定頻通信，本系統(tǒng)是用于復雜電磁環(huán)境的跳頻通信系統(tǒng)，TMO模式下，因移動用戶終端入網(wǎng)后一直與基站保持同步，故其集群呼叫建立時間這一指標與通用集群通信系統(tǒng)中的要求是相同的；DMO方式下，因跳頻同步建立的時間相對定頻系統(tǒng)要長，所以該模式下的呼叫建立時延相對加大。

通過分析移動臺的電路，發(fā)現(xiàn)可以進一步進行省電控制的電子元器件主要是射頻單元的器件，需要結(jié)合系統(tǒng)波形的時序來控制器件的間歇通斷以達到省電目的。射頻單元電路如圖1所示。

間歇守候要求器件空閑時盡量減少用電，同時又要求在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時能快速實現(xiàn)響應控制。射頻單元中的部分耗電較大且可以進行省電控制的元器件如表1所示：

表1 射頻單元可關(guān)閉器件的功耗統(tǒng)計表

序號 器件名稱 數(shù)量 工作電壓（V）/

電流（mA） 功耗/mW

1 跳頻濾波器 2 5/65，85/1.1 837

2 HEM388D 1 5/80 400

3 AD8307 3 5/10 150

4 AT20-0107 1 5/6，-5/1 35

5 ERA-5 3 5/65 975

6 AD9858 1 5/400 2 000

7 SI4133 1 3.3/27 89

如表1所示，這些器件的總功耗為4 486mW，不考慮電源轉(zhuǎn)換效率，粗略折合為12V情況下的467mA。

2.3 移動臺未同步狀態(tài)下的省電設計

本通信系統(tǒng)采用TOD同步方式，即發(fā)送方在發(fā)送同步信號前，按照既定的算法計算發(fā)送頻率，并發(fā)送TOD同步信息，接收方按照相同的算法計算接收頻率，收齊發(fā)送方發(fā)送的TOD同步信息后，進入同步狀態(tài)。TOD分為5段發(fā)送，分別為TOD1、TOD2、TOD3、TOD4和TOD5。

移動臺的同步方式包括初始同步和遲后同步。初始同步要求同步建立時間小于等于600ms，同步概率大于等于95%，在保證初始同步概率不變的基礎上實現(xiàn)間歇守候，省電設計方案為：TOD1發(fā)送45組，每組使用計算出的1組頻率輪流發(fā)送1次。處于同步搜索狀態(tài)的移動用戶臺，按照1：8的時間比例開啟/關(guān)閉搜索時序，如圖2所示，即1個周期開啟搜索時序，8個周期關(guān)閉搜索時序。搜索時序開啟時，處于搜索狀態(tài)的移動用戶臺，按照TOD1對應頻率的計算方法計算出相應的頻點，采用慢搜索的方法搜索發(fā)送方發(fā)出的同步信息TOD，搜索開啟期間，把備用搜索頻率輪流用完一遍。若搜索過程接收到TOD1信息，則轉(zhuǎn)入TOD2至TOD5的接收。省電搜索時序只用于搜索TOD1階段。

通過以上設計，理論上在關(guān)閉期間待機電流可節(jié)省512mA。另外，通過仿真可得，只要保證通信雙方的TOD時差在允許范圍內(nèi)、射頻信號滿足設計要求，可以保證用于TOD1發(fā)送的所有頻點都會被接收方的搜索頻率遍歷至少1次，這樣，就能至少在1個頻點上收到發(fā)送方的TOD1信息，進而完成TOD2至TOD5的同步信號接收。如果后續(xù)的TOD2至TOD5同步接收因某種原因中斷，不能馬上進入搜索關(guān)閉狀態(tài)，保持搜索開啟狀態(tài)約6s，按照非省電模式搜索TOD1同步信號，如果6s內(nèi)同步搜索未成功，則轉(zhuǎn)到間歇同步搜索時序。endprint

2.4 TMO模式下同步后的空閑狀態(tài)省電設計分析

TMO模式下，移動用戶臺同步后，完成入網(wǎng)所需的身份驗證、鑒權(quán)、注冊等活動，最后進入守候狀態(tài)，守候在信令信道，等候系統(tǒng)尋呼并進入分配的業(yè)務信道收發(fā)數(shù)據(jù)。進入守候狀態(tài)后，將原基站的信令信道在每個TDMA幀（50ms）的時隙0（前12.5ms）發(fā)送信令的做法，改為僅在偶數(shù)TDMA幀（50ms）的時隙0發(fā)送信令。移動用戶臺處于守候狀態(tài)時，在偶數(shù)幀的時隙0開啟接收通路，如果沒有收到信令，或沒有收到本臺所需的信令，則在后續(xù)的7個時隙關(guān)閉接收通道，可達到1：7的比例進行省電控制，如此設計，在關(guān)閉期間可減少約512mA的守候電流。

按此設計，分析系統(tǒng)的呼叫性能和時延，時隙分配相關(guān)信息見表2。系統(tǒng)在公共控制信道下發(fā)慢隨路信令及小區(qū)廣播，系統(tǒng)每個基站除公共控制信道外，還有14個業(yè)務信道，即最多可能會同時有14個下行呼叫信令排隊等候下發(fā)。

按照1：7的時間比例進行守候，因最多同時只能有14個下行的用戶呼叫信令等候排隊下發(fā)，輪流下發(fā)1輪需要14個100ms，即1.4s，考慮傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)設計最多重傳3次，則最大時長不超過4.2s，可滿足用戶的呼叫等待時間要求。

表2 移動用戶臺按照1：7比例守候方案時隙分配表

TDMA幀 偶數(shù)幀 奇數(shù)幀

時隙號 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3

信道 信令 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務 保留 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務

時長/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

TDMA幀 偶數(shù)幀 奇數(shù)幀

時隙 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3

信道 信令 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務 保留 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務

時長/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

注：表中“信令”方格表示基站時隙0，公共控制信道發(fā)時隙，即移動臺在此時隙接收；“業(yè)務”方格表示基站時隙1～3，業(yè)務信道發(fā)時隙；“保留”方格表示基站時隙0，因省電目的，保留不發(fā)射。

2.5 省電設計效果

對移動用戶臺進行實際測試，未同步前的守候電流減少了約436mA，TMO模式下同步后的待機電流減少了448mA，比未改進前的1 160mA有較大節(jié)省空間提升。同時，同步概率和同步時間都達到了用戶要求，初始同步概率達98%以上，初始同步時間600ms，遲后同步時間小于6s。

需要說明的是：通用集群通信系統(tǒng)，由于市場對其產(chǎn)品需求量相對較大，一般都會有可選的協(xié)議棧和物理層（含射頻）專用套片，集成度較高，因而其守候電流較低。相對而言，由于用戶的使用需求，本集群系統(tǒng)占用了VHF頻段的2個頻率子段，TMO模式下的基站和DMO模式下的主呼臺，其發(fā)射處于不同的頻率子段，對于處于搜索守候狀態(tài)的移動用戶臺，需要在2個子段上交替切換進行同步信號搜索。同時由于本系統(tǒng)的工作頻段低、相對工作帶寬較大、發(fā)射功率要求較大，且是跳頻系統(tǒng)，定制器件和通用器件比例較大，因而，相對通用集群通信系統(tǒng)，本集群通信系統(tǒng)移動用戶臺的守候電流會高于一般的集群用戶臺，但是通過省電設計，已經(jīng)優(yōu)于用戶的要求。

3 結(jié)束語

本方案介紹了基于TDMA同步時序改進的集群移動臺省電設計方案，希望可以為其它類似的移動用戶終端設備在降低功耗方面提供參考。VHF頻段的集群系統(tǒng)移動臺的功耗要達到類似民用通用設備的可比水平，還需要進行多方面的深入研究。

參考文獻：

[1] 張祿林. 移動終端低功耗設計與研究[D]. 北京： 北京郵電大學， 2004.

[2] 陳逸非，尹長青. 基于嵌入式LINUX的智能手機省電設計[J]. 電腦知識與技術(shù)：學術(shù)交流， 2006（1）： 35-36.

[3] 張遠貴，向新，梅文華，等. 一種基于時間信息TOD的跳頻同步方法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2009（2）： 82-84.

[4] 陳永軍，吳杰，許華，等. 快速跳頻通信系統(tǒng)同步技術(shù)研究[J]. 電子設計工程， 2010（11）： 58-61.

[5] 楊豐. 一種LTE終端空閑狀態(tài)的低功耗技術(shù)[J]. 廣東通信技術(shù)， 2011（9）： 20-21.

作者簡介

張文學：碩士畢業(yè)于中山大學電子系，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，長期從事抗干擾技術(shù)研究及實現(xiàn)、無線通信設備研發(fā)工作。endprint

2.4 TMO模式下同步后的空閑狀態(tài)省電設計分析

TMO模式下，移動用戶臺同步后，完成入網(wǎng)所需的身份驗證、鑒權(quán)、注冊等活動，最后進入守候狀態(tài)，守候在信令信道，等候系統(tǒng)尋呼并進入分配的業(yè)務信道收發(fā)數(shù)據(jù)。進入守候狀態(tài)后，將原基站的信令信道在每個TDMA幀（50ms）的時隙0（前12.5ms）發(fā)送信令的做法，改為僅在偶數(shù)TDMA幀（50ms）的時隙0發(fā)送信令。移動用戶臺處于守候狀態(tài)時，在偶數(shù)幀的時隙0開啟接收通路，如果沒有收到信令，或沒有收到本臺所需的信令，則在后續(xù)的7個時隙關(guān)閉接收通道，可達到1：7的比例進行省電控制，如此設計，在關(guān)閉期間可減少約512mA的守候電流。

按此設計，分析系統(tǒng)的呼叫性能和時延，時隙分配相關(guān)信息見表2。系統(tǒng)在公共控制信道下發(fā)慢隨路信令及小區(qū)廣播，系統(tǒng)每個基站除公共控制信道外，還有14個業(yè)務信道，即最多可能會同時有14個下行呼叫信令排隊等候下發(fā)。

按照1：7的時間比例進行守候，因最多同時只能有14個下行的用戶呼叫信令等候排隊下發(fā)，輪流下發(fā)1輪需要14個100ms，即1.4s，考慮傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)設計最多重傳3次，則最大時長不超過4.2s，可滿足用戶的呼叫等待時間要求。

表2 移動用戶臺按照1：7比例守候方案時隙分配表

TDMA幀 偶數(shù)幀 奇數(shù)幀

時隙號 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3

信道 信令 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務 保留 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務

時長/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

TDMA幀 偶數(shù)幀 奇數(shù)幀

時隙 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3

信道 信令 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務 保留 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務

時長/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

注：表中“信令”方格表示基站時隙0，公共控制信道發(fā)時隙，即移動臺在此時隙接收；“業(yè)務”方格表示基站時隙1～3，業(yè)務信道發(fā)時隙；“保留”方格表示基站時隙0，因省電目的，保留不發(fā)射。

2.5 省電設計效果

對移動用戶臺進行實際測試，未同步前的守候電流減少了約436mA，TMO模式下同步后的待機電流減少了448mA，比未改進前的1 160mA有較大節(jié)省空間提升。同時，同步概率和同步時間都達到了用戶要求，初始同步概率達98%以上，初始同步時間600ms，遲后同步時間小于6s。

需要說明的是：通用集群通信系統(tǒng)，由于市場對其產(chǎn)品需求量相對較大，一般都會有可選的協(xié)議棧和物理層（含射頻）專用套片，集成度較高，因而其守候電流較低。相對而言，由于用戶的使用需求，本集群系統(tǒng)占用了VHF頻段的2個頻率子段，TMO模式下的基站和DMO模式下的主呼臺，其發(fā)射處于不同的頻率子段，對于處于搜索守候狀態(tài)的移動用戶臺，需要在2個子段上交替切換進行同步信號搜索。同時由于本系統(tǒng)的工作頻段低、相對工作帶寬較大、發(fā)射功率要求較大，且是跳頻系統(tǒng)，定制器件和通用器件比例較大，因而，相對通用集群通信系統(tǒng)，本集群通信系統(tǒng)移動用戶臺的守候電流會高于一般的集群用戶臺，但是通過省電設計，已經(jīng)優(yōu)于用戶的要求。

3 結(jié)束語

本方案介紹了基于TDMA同步時序改進的集群移動臺省電設計方案，希望可以為其它類似的移動用戶終端設備在降低功耗方面提供參考。VHF頻段的集群系統(tǒng)移動臺的功耗要達到類似民用通用設備的可比水平，還需要進行多方面的深入研究。

參考文獻：

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[2] 陳逸非，尹長青. 基于嵌入式LINUX的智能手機省電設計[J]. 電腦知識與技術(shù)：學術(shù)交流， 2006（1）： 35-36.

[3] 張遠貴，向新，梅文華，等. 一種基于時間信息TOD的跳頻同步方法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2009（2）： 82-84.

[4] 陳永軍，吳杰，許華，等. 快速跳頻通信系統(tǒng)同步技術(shù)研究[J]. 電子設計工程， 2010（11）： 58-61.

[5] 楊豐. 一種LTE終端空閑狀態(tài)的低功耗技術(shù)[J]. 廣東通信技術(shù)， 2011（9）： 20-21.

作者簡介

張文學：碩士畢業(yè)于中山大學電子系，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，長期從事抗干擾技術(shù)研究及實現(xiàn)、無線通信設備研發(fā)工作。endprint

2.4 TMO模式下同步后的空閑狀態(tài)省電設計分析

TMO模式下，移動用戶臺同步后，完成入網(wǎng)所需的身份驗證、鑒權(quán)、注冊等活動，最后進入守候狀態(tài)，守候在信令信道，等候系統(tǒng)尋呼并進入分配的業(yè)務信道收發(fā)數(shù)據(jù)。進入守候狀態(tài)后，將原基站的信令信道在每個TDMA幀（50ms）的時隙0（前12.5ms）發(fā)送信令的做法，改為僅在偶數(shù)TDMA幀（50ms）的時隙0發(fā)送信令。移動用戶臺處于守候狀態(tài)時，在偶數(shù)幀的時隙0開啟接收通路，如果沒有收到信令，或沒有收到本臺所需的信令，則在后續(xù)的7個時隙關(guān)閉接收通道，可達到1：7的比例進行省電控制，如此設計，在關(guān)閉期間可減少約512mA的守候電流。

按此設計，分析系統(tǒng)的呼叫性能和時延，時隙分配相關(guān)信息見表2。系統(tǒng)在公共控制信道下發(fā)慢隨路信令及小區(qū)廣播，系統(tǒng)每個基站除公共控制信道外，還有14個業(yè)務信道，即最多可能會同時有14個下行呼叫信令排隊等候下發(fā)。

按照1：7的時間比例進行守候，因最多同時只能有14個下行的用戶呼叫信令等候排隊下發(fā)，輪流下發(fā)1輪需要14個100ms，即1.4s，考慮傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)設計最多重傳3次，則最大時長不超過4.2s，可滿足用戶的呼叫等待時間要求。

表2 移動用戶臺按照1：7比例守候方案時隙分配表

TDMA幀 偶數(shù)幀 奇數(shù)幀

時隙號 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3

信道 信令 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務 保留 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務

時長/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

TDMA幀 偶數(shù)幀 奇數(shù)幀

時隙 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3 時隙0 時隙1 時隙2 時隙3

信道 信令 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務 保留 業(yè)務 業(yè)務 業(yè)務

時長/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

注：表中“信令”方格表示基站時隙0，公共控制信道發(fā)時隙，即移動臺在此時隙接收；“業(yè)務”方格表示基站時隙1～3，業(yè)務信道發(fā)時隙；“保留”方格表示基站時隙0，因省電目的，保留不發(fā)射。

2.5 省電設計效果

對移動用戶臺進行實際測試，未同步前的守候電流減少了約436mA，TMO模式下同步后的待機電流減少了448mA，比未改進前的1 160mA有較大節(jié)省空間提升。同時，同步概率和同步時間都達到了用戶要求，初始同步概率達98%以上，初始同步時間600ms，遲后同步時間小于6s。

需要說明的是：通用集群通信系統(tǒng)，由于市場對其產(chǎn)品需求量相對較大，一般都會有可選的協(xié)議棧和物理層（含射頻）專用套片，集成度較高，因而其守候電流較低。相對而言，由于用戶的使用需求，本集群系統(tǒng)占用了VHF頻段的2個頻率子段，TMO模式下的基站和DMO模式下的主呼臺，其發(fā)射處于不同的頻率子段，對于處于搜索守候狀態(tài)的移動用戶臺，需要在2個子段上交替切換進行同步信號搜索。同時由于本系統(tǒng)的工作頻段低、相對工作帶寬較大、發(fā)射功率要求較大，且是跳頻系統(tǒng)，定制器件和通用器件比例較大，因而，相對通用集群通信系統(tǒng)，本集群通信系統(tǒng)移動用戶臺的守候電流會高于一般的集群用戶臺，但是通過省電設計，已經(jīng)優(yōu)于用戶的要求。

3 結(jié)束語

本方案介紹了基于TDMA同步時序改進的集群移動臺省電設計方案，希望可以為其它類似的移動用戶終端設備在降低功耗方面提供參考。VHF頻段的集群系統(tǒng)移動臺的功耗要達到類似民用通用設備的可比水平，還需要進行多方面的深入研究。

參考文獻：

[1] 張祿林. 移動終端低功耗設計與研究[D]. 北京： 北京郵電大學， 2004.

[2] 陳逸非，尹長青. 基于嵌入式LINUX的智能手機省電設計[J]. 電腦知識與技術(shù)：學術(shù)交流， 2006（1）： 35-36.

[3] 張遠貴，向新，梅文華，等. 一種基于時間信息TOD的跳頻同步方法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2009（2）： 82-84.

[4] 陳永軍，吳杰，許華，等. 快速跳頻通信系統(tǒng)同步技術(shù)研究[J]. 電子設計工程， 2010（11）： 58-61.

[5] 楊豐. 一種LTE終端空閑狀態(tài)的低功耗技術(shù)[J]. 廣東通信技術(shù)， 2011（9）： 20-21.

作者簡介

張文學：碩士畢業(yè)于中山大學電子系，現(xiàn)任職于中國電子科技集團公司第七研究所，長期從事抗干擾技術(shù)研究及實現(xiàn)、無線通信設備研發(fā)工作。endprint