嵌入式無線系統(tǒng)應(yīng)用中可靠性和功耗的優(yōu)化方法

1、嵌入式無線系統(tǒng)應(yīng)用中可靠性和功耗的優(yōu)化方法無線技術(shù)是嵌入式進(jìn)程或系統(tǒng)與無線通信接口的組合。方興未艾的嵌入式無線系統(tǒng)，正催生出各種新型工業(yè)、商業(yè)和住所建造應(yīng)用，并且還為消費、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)帶來了諸多具有新功能和特性豐盛的產(chǎn)品。低功耗或者功率是全部這些低數(shù)據(jù)率應(yīng)用的一個十分重要的需求，甚至是大多數(shù)狀況下的一個主要需求。但是，衡量嵌入式無線應(yīng)用的功耗并非如將各部分功耗容易相加即可，盡管通常狀況下，這是對給定應(yīng)用挑選組件的典型辦法。這種以可量化的標(biāo)準(zhǔn)來比較的基本辦法，無法充分反映各組件在系統(tǒng)中的真切關(guān)系和工作狀態(tài)。因此，必需專注于無線系統(tǒng)的功耗，了解給定無線解決計劃在節(jié)能方面的表現(xiàn)。提高牢靠性有助于降

2、低無線系統(tǒng)的功耗，但這個系統(tǒng)屬性通常會被忽略。在這里，牢靠性指得是系統(tǒng)在兩點間一次性舉行數(shù)據(jù)通信的能力。本文將介紹嵌入式無線應(yīng)用中牢靠性和功耗的關(guān)系，以及優(yōu)化牢靠性和功率效率的辦法。牢靠性與功耗的關(guān)系在大多數(shù)嵌入式無線應(yīng)用中，功耗最大的器件是的放射。目前市場上可選的收發(fā)器有無數(shù)樣，單純從數(shù)據(jù)表的介紹來看，它們的額定功耗似乎都差不多，都在2030ma的范圍內(nèi)。但是，假如單純挑選額定功耗最低的器件，更為重要的系統(tǒng)牢靠性屬性則有可能被忽略。牢靠性為什么重要呢?對于將每1ua或每1ma都要考慮在內(nèi)的低功耗應(yīng)用來說，牢靠性是打算該應(yīng)用在高功耗的動態(tài)狀態(tài)(相對于極低功耗的睡眠狀態(tài))能保持多久的最重要因素，

3、由于牢靠性越高，功耗就越低。完善、抱負(fù)的無線系統(tǒng)應(yīng)盡可能快地在兩點間一次性傳輸一組數(shù)據(jù)。固然，系統(tǒng)不行能始終完善地實現(xiàn)這種工作模式，因此有可能會因為干擾或信號強(qiáng)度不足，無法達(dá)到遠(yuǎn)程末端，而必需重新傳輸數(shù)據(jù)。在此狀況下，必需盡可能提高無線系統(tǒng)的牢靠性。無線系統(tǒng)有詳細(xì)的特征描述(參數(shù))，這有助于打算在給定系統(tǒng)中如何牢靠地工作。例如，“rf頻譜應(yīng)用”是指無線通信采納什么rf頻譜舉行通信;“接收敏捷度”是指收發(fā)器識別出通信內(nèi)容的最低程度，以功率分貝比來計算，單位為1mw(dbm);“輸出功率”指技術(shù)通信需要多大的功率，它必需大于潛在干擾的功率，單位為dbm;“rf捷變性”指能否支持在rf頻譜中移動以避

4、開干擾，它由rf通道大小和可用通道數(shù)量打算的;最后一個是“抗干擾性”，即rf技術(shù)能否在存在瀕臨干擾的狀況下確保給定通道的通信，它體現(xiàn)為接收敏感度的增強(qiáng)，也稱作編碼增益(dbm)。rf頻譜應(yīng)用是牢靠性方程中的一個變量，依靠于rf波物理特性打算的環(huán)境。頻率越低，波長越長，rf波也就越難被液體和混凝土等常見創(chuàng)造材料汲取。不過，rf頻譜及其應(yīng)用是一個受政府高度管理的無線通信領(lǐng)域，緣由是避開干擾其他無線通信技術(shù)。惟獨少部分頻段預(yù)留給在本地和國際上這些通信應(yīng)用非限制地用法，也就是所謂的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ism)頻段。在此頻段內(nèi)，常用的最主要頻率是ism頻段的2.4ghz部分。在此頻段中，工業(yè)領(lǐng)域中惡劣的r

5、f環(huán)境會很快汲取波長較短的波，因此必需越發(fā)關(guān)注其它波長的波，以測量牢靠性。可以將接收敏捷度、輸出功率和抗干擾性所有量化，以形成定義牢靠性的變量，即鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算可定義為接收敏捷度加上輸出功率和抗干擾性的肯定值。接收敏捷度越高，輸出功率就越大，抗干擾性就越強(qiáng)，解決計劃的鏈路預(yù)算就越高。而鏈路預(yù)算越高，無線解決計劃受rf汲取和干擾影響的幾率就越低，從而有助于提高牢靠性。收發(fā)器的接收敏捷度和輸出功率往往打算了鏈路預(yù)算的器件級鑒別器，我們可以便利地對其加以評估和比較。但是，抗干擾性很大程度上取決于無線收發(fā)器采納何種技術(shù)來提高其信號有效性。當(dāng)前采納的可以挺直充實這一功能的最佳技術(shù)之一就是挺直序列擴(kuò)頻

6、(dsss)調(diào)制技術(shù)。dsss調(diào)制技術(shù)是一種對發(fā)送信號舉行前向糾錯的辦法，用于減小信號干擾造成數(shù)據(jù)走失的影響。詳細(xì)而言，dsss按照放射器和接收器分享的偽隨機(jī)噪聲碼，將一組數(shù)據(jù)舉行編碼，輸出成較大的比特流。例如，在圖1中，8位數(shù)據(jù)編碼為32個碼片，在此狀況下，4個碼片相當(dāng)于1位。隨后，碼片在rf信號上調(diào)制發(fā)送。接收器將接收信號的碼片解調(diào)，并反向執(zhí)行dsss編碼計劃。即便因為信號噪聲或干擾會浮現(xiàn)解調(diào)錯誤，原始數(shù)據(jù)仍然可以被復(fù)原出來。圖1：挺直序列擴(kuò)頻技術(shù)。最后，rf捷變性可通過避開干擾技術(shù)提高牢靠性，也就是通過rf頻譜跳頻或者移動來避開干擾。解決計劃的自由度越高，就越有利于找到rf干擾較小的環(huán)境

7、，降低干擾。目前用法的rf捷變性技術(shù)主要分為兩大類，一類是偽隨機(jī)或算法型跳頻計劃，可在頻譜內(nèi)持續(xù)跳頻，以盡量削減干擾，另一類是僅在需要時才移動的智能計劃(見圖2)。從牢靠性角度看，第一類捷變性計劃存在的一個問題是，假如rf頻譜內(nèi)比較繁忙，那么可能會無意中跳頻到干擾較高的頻譜部分中去;而智能型技術(shù)則會找到干擾較低的位置并隨即停止移動。不管采納何種捷變性計劃，rf捷變性都取決于rf頻譜的用法和通道的大小。圖2：rf頻譜跳頻技術(shù)的暗示圖。依賴rf頻譜應(yīng)用，捷變性可以有或多或少的空間。例如，因為頻率分配的緣故，低頻解決計劃比高頻解決計劃的空間較小。2.4ghz解決計劃支持約100mhz的可用頻譜，而9

8、00mhz解決計劃僅支持約26mhz的空間。通道大小也是影響rf捷變性的一個重要因素。通道尺寸越小，頻譜中捷變性的空間就越大，從而能以更高的rf捷變性來避開干擾，在干擾信號間找到干擾最小的工作頻率。例如，就2.4ghz無線解決計劃而言，基于802.15.4的解決計劃普通寬度為5mhz，惟獨16個可用的通道，而寬度為1mhz的解決計劃通常支持80個可用通道，因此能在更多通道間移動以避開干擾。因此，牢靠性與rf頻譜應(yīng)用的鏈路預(yù)算與rf捷變性成正比。鏈路預(yù)算越大，rf捷變性就越高，在同一rf頻譜上的給定無線解決計劃的牢靠性就越高。此外，盡管某些解決計劃在給定環(huán)境下針對某一rf頻譜性能精彩，如布滿水管

9、的工廠中的低頻通信，但這種解決計劃的性能仍比不上最大化鏈路預(yù)算和rf捷變性的較高頻率解決計劃。因此，盡管差別很難量化，我們?nèi)院芎唵卫斫獗容^無線解決計劃時的規(guī)律，以及最大化系統(tǒng)睡眠時光并削減功耗的辦法。優(yōu)化牢靠性和功率效率嵌入式無線解決計劃的另一新術(shù)語是功率效率，即系統(tǒng)通過有源和無源技術(shù)來最小化功耗的量度。效率越高，節(jié)省的電力就越多。大多數(shù)時光都處于睡眠模式最低功耗狀態(tài)下的高牢靠性系統(tǒng)，其功率效率普通比擁有較低的發(fā)送和接收狀態(tài)、但牢靠性不足的其他系統(tǒng)更高，由于這些系統(tǒng)處于休眠模式的時光較短。因此，牢靠性是反映系統(tǒng)真切功率效率的主要指標(biāo)。牢靠性和功率效率機(jī)制配合可最大化節(jié)能效果，不過除了上述機(jī)制，

10、還能采納其他技術(shù)來提高功率效率，并盡可能減小對系統(tǒng)牢靠性的影響。這些技術(shù)包括控制動態(tài)數(shù)據(jù)速率、輸出功率級別的活動鏈路和等系統(tǒng)行為。通過最小化不須要的輸出功率，持續(xù)關(guān)注最小化輸出功率以確保只用法通信所必需的最低功耗解決計劃，不僅牢靠，而且節(jié)能。此外，假如解決計劃能按照環(huán)境條件調(diào)整數(shù)據(jù)速率，并盡可能縮短空中通信時光，也可以最小化系統(tǒng)功耗，提高功率效率。這種節(jié)能技術(shù)盡管在技術(shù)領(lǐng)域并不算新生事物，但在確保系統(tǒng)致力于真正最小化系統(tǒng)功耗方面的確是一項新技術(shù)。本文小結(jié)牢靠性是解決計劃節(jié)能效果的主要指標(biāo)，也可優(yōu)化最大化系統(tǒng)休眠時光及最小化通信時光。最后，也指出了比較組件數(shù)據(jù)表的典型辦法不能解決功率效率和牢靠性等系統(tǒng)級功能的緣由。雖然測量系統(tǒng)中用法組件的典型功耗是比較