基于TDMA同步时序改进的集群用户台省电设计

【摘 要】通过分析集群用户台的电路，找出可控的高功耗器件，进而对基于TDMA的集群通信系统的同步时序和调度策略进行优化设计，给出了理论计算和实际测量的功耗降低值，从而证明省电设计效果良好。

【关键词】集群通信 TDMA 省电设计 同步时序

中图分类号：TN802 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2014）-13-0072-04

1 概述

集群通信系统中的移动用户终端设备，除满足通信距离、传输速率等技术性能要求外，还需对用户终端的功耗进行重点设计，以确保用户终端设备的电池具有更强的续航能力。本文主要以某军用集群通信系统中的移动用户台为例，介绍TDMA系统中基于同步信号发送时序改进的用户终端低功耗设计。

本系统的移动用户台已经采用了一些常规方法降低整机功耗，主要包括：

（1）硬件电路设计方面：尽量选用功耗低、性能和功能齐备且集成度高的芯片，减少器件数量；同时选用高效率的电源转换器件。

（2）软件设计方面：通过操作系统对任务进行管理调度，根据当前运行任务的优先级高低和任务数量的多少来调节CPU的运行速度以达到省电的目的；采用语音检测控制技术，对受话器采集的数据进行分析，只有话音数据有效时，才启动话音编码、信道编码、调制和发射等流程；对显示屏进行省电设计，如背光和前景分为多级亮度，供用户选择，同时启动显示屏定时屏保功能。

经以上设计，在很大程度上降低了移动用户台的整机工作电流，相对延长了电池待机时间。

进一步对移动用户台的电路器件进行功耗分析，发现一些射频器件在关闭的情况下，可以节省较多的用电，但是，这些器件的省电设计必须与设备工作波形统一考虑。同时，系统中大多数移动用户终端，大部分时间处于空闲状态，所以，针对空闲状态的省电设计具有重要性和必要性。本文给出了TDMA系统同步时序改进的省电设计方法和实现结果。

2 基于TDMA同步时序改进的系统省电设计

2.1 空闲状态定义

本通信系统分为TMO（Trunk Mode Operation）和DMO（Direct Mode Operation）2种工作模式，TMO是移动用户终端之间通过基站的转发实现呼叫的模式；DMO是用户终端之间直接进行一对一和一对多的通信模式。

空闲状态是指移动用户终端处于未同步的状态，或是TMO模式下，移动用户终端虽与基站取得同步但未开展业务传输的状态。本文以移动用户台（以下简称“移动台”）为例，分别讨论2种空闲状态下的基于系统同步时序调整的终端省电设计方案。

2.2 省电设计可行性分析

系统要求初始同步时间小于等于0.6s，初始同步概率大于95%，迟后同步概率100%，迟后同步时间不大于6s；TMO模式下，基站开机后处于常发状态，因此对于移动台而言，只考虑满足迟后同步的要求。DMO模式下，则需要同时考虑初始同步和迟后同步的要求。需要说明的是：通用集群通信系统，多为定频通信，本系统是用于复杂电磁环境的跳频通信系统，TMO模式下，因移动用户终端入网后一直与基站保持同步，故其集群呼叫建立时间这一指标与通用集群通信系统中的要求是相同的；DMO方式下，因跳频同步建立的时间相对定频系统要长，所以该模式下的呼叫建立时延相对加大。

通过分析移动台的电路，发现可以进一步进行省电控制的电子元器件主要是射频单元的器件，需要结合系统波形的时序来控制器件的间歇通断以达到省电目的。射频单元电路如图1所示。

间歇守候要求器件空闲时尽量减少用电，同时又要求在需要收发数据时能快速实现响应控制。射频单元中的部分耗电较大且可以进行省电控制的元器件如表1所示：

表1 射频单元可关闭器件的功耗统计表

序号 器件名称 数量 工作电压（V）/

电流（mA） 功耗/mW

1 跳频滤波器 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，这些器件的总功耗为4 486mW，不考虑电源转换效率，粗略折合为12V情况下的467mA。

2.3 移动台未同步状态下的省电设计

本通信系统采用TOD同步方式，即发送方在发送同步信号前，按照既定的算法计算发送频率，并发送TOD同步信息，接收方按照相同的算法计算接收频率，收齐发送方发送的TOD同步信息后，进入同步状态。TOD分为5段发送，分别为TOD1、TOD2、TOD3、TOD4和TOD5。

移动台的同步方式包括初始同步和迟后同步。初始同步要求同步建立时间小于等于600ms，同步概率大于等于95%，在保证初始同步概率不变的基础上实现间歇守候，省电设计方案为：TOD1发送45组，每组使用计算出的1组频率轮流发送1次。处于同步搜索状态的移动用户台，按照1：8的时间比例开启/关闭搜索时序，如图2所示，即1个周期开启搜索时序，8个周期关闭搜索时序。搜索时序开启时，处于搜索状态的移动用户台，按照TOD1对应频率的计算方法计算出相应的频点，采用慢搜索的方法搜索发送方发出的同步信息TOD，搜索开启期间，把备用搜索频率轮流用完一遍。若搜索过程接收到TOD1信息，则转入TOD2至TOD5的接收。省电搜索时序只用于搜索TOD1阶段。

通过以上设计，理论上在关闭期间待机电流可节省512mA。另外，通过仿真可得，只要保证通信双方的TOD时差在允许范围内、射频信号满足设计要求，可以保证用于TOD1发送的所有频点都会被接收方的搜索频率遍历至少1次，这样，就能至少在1个频点上收到发送方的TOD1信息，进而完成TOD2至TOD5的同步信号接收。如果后续的TOD2至TOD5同步接收因某种原因中断，不能马上进入搜索关闭状态，保持搜索开启状态约6s，按照非省电模式搜索TOD1同步信号，如果6s内同步搜索未成功，则转到间歇同步搜索时序。endprint

2.4 TMO模式下同步后的空闲状态省电设计分析

TMO模式下，移动用户台同步后，完成入网所需的身份验证、鉴权、注册等活动，最后进入守候状态，守候在信令信道，等候系统寻呼并进入分配的业务信道收发数据。进入守候状态后，将原基站的信令信道在每个TDMA帧（50ms）的时隙0（前12.5ms）发送信令的做法，改为仅在偶数TDMA帧（50ms）的时隙0发送信令。移动用户台处于守候状态时，在偶数帧的时隙0开启接收通路，如果没有收到信令，或没有收到本台所需的信令，则在后续的7个时隙关闭接收通道，可达到1：7的比例进行省电控制，如此设计，在关闭期间可减少约512mA的守候电流。

按此设计，分析系统的呼叫性能和时延，时隙分配相关信息见表2。系统在公共控制信道下发慢随路信令及小区广播，系统每个基站除公共控制信道外，还有14个业务信道，即最多可能会同时有14个下行呼叫信令排队等候下发。

按照1：7的时间比例进行守候，因最多同时只能有14个下行的用户呼叫信令等候排队下发，轮流下发1轮需要14个100ms，即1.4s，考虑传输的可靠性，系统设计最多重传3次，则最大时长不超过4.2s，可满足用户的呼叫等待时间要求。

表2 移动用户台按照1：7比例守候方案时隙分配表

TDMA帧 偶数帧 奇数帧

时隙号 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3

信道 信令 业务 业务 业务 保留 业务 业务 业务

时长/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

TDMA帧 偶数帧 奇数帧

时隙 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3

信道 信令 业务 业务 业务 保留 业务 业务 业务

时长/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

注：表中“信令”方格表示基站时隙0，公共控制信道发时隙，即移动台在此时隙接收；“业务”方格表示基站时隙1～3，业务信道发时隙；“保留”方格表示基站时隙0，因省电目的，保留不发射。

2.5 省电设计效果

对移动用户台进行实际测试，未同步前的守候电流减少了约436mA，TMO模式下同步后的待机电流减少了448mA，比未改进前的1 160mA有较大节省空间提升。同时，同步概率和同步时间都达到了用户要求，初始同步概率达98%以上，初始同步时间600ms，迟后同步时间小于6s。

需要说明的是：通用集群通信系统，由于市场对其产品需求量相对较大，一般都会有可选的协议栈和物理层（含射频）专用套片，集成度较高，因而其守候电流较低。相对而言，由于用户的使用需求，本集群系统占用了VHF频段的2个频率子段，TMO模式下的基站和DMO模式下的主呼台，其发射处于不同的频率子段，对于处于搜索守候状态的移动用户台，需要在2个子段上交替切换进行同步信号搜索。同时由于本系统的工作频段低、相对工作带宽较大、发射功率要求较大，且是跳频系统，定制器件和通用器件比例较大，因而，相对通用集群通信系统，本集群通信系统移动用户台的守候电流会高于一般的集群用户台，但是通过省电设计，已经优于用户的要求。

3 结束语

本方案介绍了基于TDMA同步时序改进的集群移动台省电设计方案，希望可以为其它类似的移动用户终端设备在降低功耗方面提供参考。VHF频段的集群系统移动台的功耗要达到类似民用通用设备的可比水平，还需要进行多方面的深入研究。

参考文献：

[1] 张禄林. 移动终端低功耗设计与研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2004.

[2] 陈逸非，尹长青. 基于嵌入式LINUX的智能手机省电设计[J]. 电脑知识与技术：学术交流， 2006（1）： 35-36.

[3] 张远贵，向新，梅文华，等. 一种基于时间信息TOD的跳频同步方法[J]. 现代电子技术， 2009（2）： 82-84.

[4] 陈永军，吴杰，许华，等. 快速跳频通信系统同步技术研究[J]. 电子设计工程， 2010（11）： 58-61.

[5] 杨丰. 一种LTE终端空闲状态的低功耗技术[J]. 广东通信技术， 2011（9）： 20-21.

作者简介

张文学：硕士毕业于中山大学电子系，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，长期从事抗干扰技术研究及实现、无线通信设备研发工作。endprint

2.4 TMO模式下同步后的空闲状态省电设计分析

TMO模式下，移动用户台同步后，完成入网所需的身份验证、鉴权、注册等活动，最后进入守候状态，守候在信令信道，等候系统寻呼并进入分配的业务信道收发数据。进入守候状态后，将原基站的信令信道在每个TDMA帧（50ms）的时隙0（前12.5ms）发送信令的做法，改为仅在偶数TDMA帧（50ms）的时隙0发送信令。移动用户台处于守候状态时，在偶数帧的时隙0开启接收通路，如果没有收到信令，或没有收到本台所需的信令，则在后续的7个时隙关闭接收通道，可达到1：7的比例进行省电控制，如此设计，在关闭期间可减少约512mA的守候电流。

按此设计，分析系统的呼叫性能和时延，时隙分配相关信息见表2。系统在公共控制信道下发慢随路信令及小区广播，系统每个基站除公共控制信道外，还有14个业务信道，即最多可能会同时有14个下行呼叫信令排队等候下发。

按照1：7的时间比例进行守候，因最多同时只能有14个下行的用户呼叫信令等候排队下发，轮流下发1轮需要14个100ms，即1.4s，考虑传输的可靠性，系统设计最多重传3次，则最大时长不超过4.2s，可满足用户的呼叫等待时间要求。

表2 移动用户台按照1：7比例守候方案时隙分配表

TDMA帧 偶数帧 奇数帧

时隙号 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3

信道 信令 业务 业务 业务 保留 业务 业务 业务

时长/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

TDMA帧 偶数帧 奇数帧

时隙 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3

信道 信令 业务 业务 业务 保留 业务 业务 业务

时长/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

注：表中“信令”方格表示基站时隙0，公共控制信道发时隙，即移动台在此时隙接收；“业务”方格表示基站时隙1～3，业务信道发时隙；“保留”方格表示基站时隙0，因省电目的，保留不发射。

2.5 省电设计效果

对移动用户台进行实际测试，未同步前的守候电流减少了约436mA，TMO模式下同步后的待机电流减少了448mA，比未改进前的1 160mA有较大节省空间提升。同时，同步概率和同步时间都达到了用户要求，初始同步概率达98%以上，初始同步时间600ms，迟后同步时间小于6s。

需要说明的是：通用集群通信系统，由于市场对其产品需求量相对较大，一般都会有可选的协议栈和物理层（含射频）专用套片，集成度较高，因而其守候电流较低。相对而言，由于用户的使用需求，本集群系统占用了VHF频段的2个频率子段，TMO模式下的基站和DMO模式下的主呼台，其发射处于不同的频率子段，对于处于搜索守候状态的移动用户台，需要在2个子段上交替切换进行同步信号搜索。同时由于本系统的工作频段低、相对工作带宽较大、发射功率要求较大，且是跳频系统，定制器件和通用器件比例较大，因而，相对通用集群通信系统，本集群通信系统移动用户台的守候电流会高于一般的集群用户台，但是通过省电设计，已经优于用户的要求。

3 结束语

本方案介绍了基于TDMA同步时序改进的集群移动台省电设计方案，希望可以为其它类似的移动用户终端设备在降低功耗方面提供参考。VHF频段的集群系统移动台的功耗要达到类似民用通用设备的可比水平，还需要进行多方面的深入研究。

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[5] 杨丰. 一种LTE终端空闲状态的低功耗技术[J]. 广东通信技术， 2011（9）： 20-21.

作者简介

张文学：硕士毕业于中山大学电子系，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，长期从事抗干扰技术研究及实现、无线通信设备研发工作。endprint

2.4 TMO模式下同步后的空闲状态省电设计分析

TMO模式下，移动用户台同步后，完成入网所需的身份验证、鉴权、注册等活动，最后进入守候状态，守候在信令信道，等候系统寻呼并进入分配的业务信道收发数据。进入守候状态后，将原基站的信令信道在每个TDMA帧（50ms）的时隙0（前12.5ms）发送信令的做法，改为仅在偶数TDMA帧（50ms）的时隙0发送信令。移动用户台处于守候状态时，在偶数帧的时隙0开启接收通路，如果没有收到信令，或没有收到本台所需的信令，则在后续的7个时隙关闭接收通道，可达到1：7的比例进行省电控制，如此设计，在关闭期间可减少约512mA的守候电流。

按此设计，分析系统的呼叫性能和时延，时隙分配相关信息见表2。系统在公共控制信道下发慢随路信令及小区广播，系统每个基站除公共控制信道外，还有14个业务信道，即最多可能会同时有14个下行呼叫信令排队等候下发。

按照1：7的时间比例进行守候，因最多同时只能有14个下行的用户呼叫信令等候排队下发，轮流下发1轮需要14个100ms，即1.4s，考虑传输的可靠性，系统设计最多重传3次，则最大时长不超过4.2s，可满足用户的呼叫等待时间要求。

表2 移动用户台按照1：7比例守候方案时隙分配表

TDMA帧 偶数帧 奇数帧

时隙号 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3

信道 信令 业务 业务 业务 保留 业务 业务 业务

时长/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

TDMA帧 偶数帧 奇数帧

时隙 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3 时隙0 时隙1 时隙2 时隙3

信道 信令 业务 业务 业务 保留 业务 业务 业务

时长/ms 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5 12.5

注：表中“信令”方格表示基站时隙0，公共控制信道发时隙，即移动台在此时隙接收；“业务”方格表示基站时隙1～3，业务信道发时隙；“保留”方格表示基站时隙0，因省电目的，保留不发射。

2.5 省电设计效果

对移动用户台进行实际测试，未同步前的守候电流减少了约436mA，TMO模式下同步后的待机电流减少了448mA，比未改进前的1 160mA有较大节省空间提升。同时，同步概率和同步时间都达到了用户要求，初始同步概率达98%以上，初始同步时间600ms，迟后同步时间小于6s。

需要说明的是：通用集群通信系统，由于市场对其产品需求量相对较大，一般都会有可选的协议栈和物理层（含射频）专用套片，集成度较高，因而其守候电流较低。相对而言，由于用户的使用需求，本集群系统占用了VHF频段的2个频率子段，TMO模式下的基站和DMO模式下的主呼台，其发射处于不同的频率子段，对于处于搜索守候状态的移动用户台，需要在2个子段上交替切换进行同步信号搜索。同时由于本系统的工作频段低、相对工作带宽较大、发射功率要求较大，且是跳频系统，定制器件和通用器件比例较大，因而，相对通用集群通信系统，本集群通信系统移动用户台的守候电流会高于一般的集群用户台，但是通过省电设计，已经优于用户的要求。

3 结束语

本方案介绍了基于TDMA同步时序改进的集群移动台省电设计方案，希望可以为其它类似的移动用户终端设备在降低功耗方面提供参考。VHF频段的集群系统移动台的功耗要达到类似民用通用设备的可比水平，还需要进行多方面的深入研究。

参考文献：

[1] 张禄林. 移动终端低功耗设计与研究[D]. 北京： 北京邮电大学， 2004.

[2] 陈逸非，尹长青. 基于嵌入式LINUX的智能手机省电设计[J]. 电脑知识与技术：学术交流， 2006（1）： 35-36.

[3] 张远贵，向新，梅文华，等. 一种基于时间信息TOD的跳频同步方法[J]. 现代电子技术， 2009（2）： 82-84.

[4] 陈永军，吴杰，许华，等. 快速跳频通信系统同步技术研究[J]. 电子设计工程， 2010（11）： 58-61.

[5] 杨丰. 一种LTE终端空闲状态的低功耗技术[J]. 广东通信技术， 2011（9）： 20-21.

作者简介

张文学：硕士毕业于中山大学电子系，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，长期从事抗干扰技术研究及实现、无线通信设备研发工作。endprint