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

嵌入式無(wú)線技術(shù)是嵌入式進(jìn)程或系統(tǒng)與無(wú)線通信接口的組合。方興未艾的嵌入式無(wú)線系統(tǒng)，正催生出各種新型工業(yè)、商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化應(yīng)用，并且還為消費(fèi)、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)系統(tǒng)帶來(lái)了諸多具有新功能和特性豐富的產(chǎn)品。低功耗或者功率是所有這些低數(shù)據(jù)率應(yīng)用的一個(gè)非常重要的需求，甚至是大多數(shù)情況下的一個(gè)主要需求。但是，衡量嵌入式無(wú)線應(yīng)用的功耗并非如將各部分功耗簡(jiǎn)單相加即可，盡管通常情況下，這是對(duì)給定應(yīng)用選擇組件的典型方法。這種以可量化的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)比較的基本方法，無(wú)法充分反映各組件在系統(tǒng)中的真實(shí)關(guān)系和工作狀態(tài)。因此，必須專注于無(wú)線系統(tǒng)的功耗，了解給定無(wú)線解決方案在節(jié)能方面的表現(xiàn)。

提高可靠性有助于降低無(wú)線系統(tǒng)的功耗，但這個(gè)系統(tǒng)屬性通常會(huì)被忽視。在這里，可靠性指得是系統(tǒng)在兩點(diǎn)間一次性進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的能力。本文將介紹嵌入式無(wú)線應(yīng)用中可靠性和功耗的關(guān)系，以及優(yōu)化可靠性和功率效率的方法。

可靠性與功耗的關(guān)系

在大多數(shù)嵌入式無(wú)線應(yīng)用中，功耗最大的器件是收發(fā)器的發(fā)射電路。目前市場(chǎng)上可選的收發(fā)器有很多樣，單純從數(shù)據(jù)表的介紹來(lái)看，它們的額定功耗似乎都差不多，都在20～30mA的范圍內(nèi)。但是，如果單純選擇額定功耗最低的器件，更為重要的系統(tǒng)可靠性屬性則有可能被忽視?？煽啃詾槭裁粗匾?對(duì)于將每1uA或每1mA電流都要考慮在內(nèi)的低功耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可靠性是決定該應(yīng)用在高功耗的動(dòng)態(tài)狀態(tài)(相對(duì)于極低功耗的睡眠狀態(tài))能保持多久的最重要因素，因?yàn)榭煽啃栽礁撸木驮降?。完美、理想的無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)盡可能快地在兩點(diǎn)間一次性傳輸一組數(shù)據(jù)。當(dāng)然，系統(tǒng)不可能始終完美地實(shí)現(xiàn)這種工作模式，因此有可能會(huì)由于干擾或信號(hào)強(qiáng)度不足，無(wú)法達(dá)到遠(yuǎn)程末端，而必須重新傳輸數(shù)據(jù)。在此情況下，必須盡可能提高無(wú)線系統(tǒng)的可靠性。

無(wú)線系統(tǒng)有具體的特征描述(參數(shù))，這有助于決定在給定系統(tǒng)中如何可靠地工作。例如，“RF頻譜應(yīng)用”是指無(wú)線通信采用什么RF頻譜進(jìn)行通信;“接收靈敏度”是指收發(fā)器識(shí)別出通信內(nèi)容的最低程度，以功率分貝比來(lái)計(jì)算，單位為1mW(dBm);“輸出功率”指技術(shù)通信需要多大的功率，它必須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(dòng)以避免干擾，它由RF通道大小和可用通道數(shù)量決定的;最后一個(gè)是“抗干擾性”，即RF技術(shù)能否在存在面臨干擾的情況下確保給定通道的通信，它體現(xiàn)為接收敏感度的增加，也稱作編碼增益(dBm)。

RF頻譜應(yīng)用是可靠性方程中的一個(gè)變量，依賴于RF波物理特性決定的環(huán)境。頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，RF波也就越難被液體和混凝土等常見(jiàn)制造材料吸收。不過(guò)，RF頻譜及其應(yīng)用是一個(gè)受政府高度管理的無(wú)線通信領(lǐng)域，原因是避免干擾其他無(wú)線通信技術(shù)。只有少部分頻段預(yù)留給在本地和國(guó)際上這些通信應(yīng)用非限制地使用，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RF環(huán)境會(huì)很快吸收波長(zhǎng)較短的波，因此必須更加關(guān)注其它波長(zhǎng)的波，以測(cè)量可靠性。

可以將接收靈敏度、輸出功率和抗干擾性全部量化，以形成定義可靠性的變量，即鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算可定義為接收靈敏度加上輸出功率和抗干擾性的絕對(duì)值。接收靈敏度越高，輸出功率就越大，抗干擾性就越強(qiáng)，解決方案的鏈路預(yù)算就越高。而鏈路預(yù)算越高，無(wú)線解決方案受RF吸收和干擾影響的幾率就越低，從而有助于提高可靠性。收發(fā)器的接收靈敏度和輸出功率往往決定了鏈路預(yù)算的器件級(jí)鑒別器，我們可以方便地對(duì)其加以評(píng)估和比較。但是，抗干擾性很大程度上取決于無(wú)線收發(fā)器采用何種技術(shù)來(lái)提高其信號(hào)有效性。當(dāng)前采用的可以直接改善這一功能的最佳技術(shù)之一就是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)調(diào)制技術(shù)。

DSSS調(diào)制技術(shù)是一種對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行前向糾錯(cuò)的方法，用于減小信號(hào)干擾造成數(shù)據(jù)丟失的影響。具體而言，DSSS根據(jù)發(fā)射器和接收器共享的偽隨機(jī)噪聲碼，將一組數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)碼片，在此情況下，4個(gè)碼片相當(dāng)于1位。隨后，碼片在RF信號(hào)上調(diào)制發(fā)送。接收器將接收信號(hào)的碼片解調(diào)，并反向執(zhí)行DSSS編碼方案。即便由于信號(hào)噪聲或干擾會(huì)出現(xiàn)解調(diào)錯(cuò)誤，原始數(shù)據(jù)仍然可以被恢復(fù)出來(lái)。

圖1：直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。

最后，RF捷變性可通過(guò)避免干擾技術(shù)提高可靠性，也就是通過(guò)RF頻譜跳頻或者移動(dòng)來(lái)避免干擾。解決方案的自由度越高，就越有利于找到RF干擾較小的環(huán)境，降低干擾。目前使用的RF捷變性技術(shù)主要分為兩大類，一類是偽隨機(jī)或算法型跳頻方案，可在頻譜內(nèi)持續(xù)跳頻，以盡量減少干擾，另一類是僅在需要時(shí)才移動(dòng)的智能方案(見(jiàn)圖2)。從可靠性角度看，第一類捷變性方案存在的一個(gè)問(wèn)題是，如果RF頻譜內(nèi)比較繁忙，那么可能會(huì)無(wú)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(huì)找到干擾較低的位置并隨即停止移動(dòng)。不管采用何種捷變性方案，RF捷變性都取決于RF頻譜的使用和通道的大小。

圖2：RF頻譜跳頻技術(shù)的示意圖。

依靠RF頻譜應(yīng)用，捷變性可以有或多或少的空間。例如，由于頻率分配的緣故，低頻解決方案比高頻解決方案的空間較小。2.4GHz解決方案支持約100MHz的可用頻譜，而900MHz解決方案僅支持約26MHz的空間。通道大小也是影響RF捷變性的一個(gè)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(lái)避免干擾，在干擾信號(hào)間找到干擾最小的工作頻率。例如，就2.4GHz無(wú)線解決方案而言，基于802.15.4的解決方案一般寬度為5MHz，只有16個(gè)可用的通道，而寬度為1MHz的解決方案通常支持80個(gè)可用通道，因此能在更多通道間移動(dòng)以避免干擾。

因此，可靠性與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(wú)線解決方案的可靠性就越高。此外，盡管某些解決方案在給定環(huán)境下針對(duì)某一RF頻譜性能出色，如布滿水管的工廠中的低頻通信，但這種解決方案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方案。因此，盡管差別很難量化，我們?nèi)院苋菀桌斫獗容^無(wú)線解決方案時(shí)的邏輯，以及最大化系統(tǒng)睡眠時(shí)間并減少功耗的方法。

優(yōu)化可靠性和功率效率

嵌入式無(wú)線解決方案的另一新術(shù)語(yǔ)是功率效率，即系統(tǒng)通過(guò)有源和無(wú)源技術(shù)來(lái)最小化功耗的量度。效率越高，節(jié)約的電力就越多。大多數(shù)時(shí)間都處于睡眠模式最低功耗狀態(tài)下的高可靠性系統(tǒng)，其功率效率一般比擁有較低的發(fā)送和接收狀態(tài)、但可靠性不足的其他系統(tǒng)更高，因?yàn)檫@些系統(tǒng)處于休眠模式的時(shí)間較短。因此，可靠性是反映系統(tǒng)真實(shí)功率效率的主要指標(biāo)。

可靠性和功率效率機(jī)制協(xié)作可最大化節(jié)能效果，不過(guò)除了上述機(jī)制，還能采用其他技術(shù)來(lái)提高功率效率，并盡可能減小對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。這些技術(shù)包括控制動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率、輸出功率級(jí)別的活動(dòng)鏈路和電源管理等系統(tǒng)行為。通過(guò)最小化不必要的輸出功率，持續(xù)關(guān)注最小化輸出功率以確保只使用通信所必須的最低功耗解決方案，不僅可靠，而且節(jié)能。此外，如果解決方案能根據(jù)環(huán)境條件調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)速率，并盡可能縮短空中通信時(shí)間，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)盡管在無(wú)線電技術(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)功耗方面確實(shí)是一項(xiàng)新技術(shù)。

本文小結(jié)

可靠性是解決方案節(jié)能效果的主要指標(biāo)，也可優(yōu)化最大化系統(tǒng)休眠時(shí)間及最小化通信時(shí)間。最后，也指出了比較組件數(shù)據(jù)表的典型方法不能解決功率效率和可靠性等系統(tǒng)級(jí)功能的原因。雖然測(cè)量系統(tǒng)中使用組件的典型功耗是比較無(wú)線解決方案更傳統(tǒng)的方法，但其不能全面反映出特定解決方案最小化系統(tǒng)功耗的情況。例如，大多數(shù)時(shí)間都處于最低功耗的睡眠模式下的高可靠性系統(tǒng)，比擁有較低發(fā)送和接收功率級(jí)別但不太可靠的其他系統(tǒng)更節(jié)能，并能保存最大量的系統(tǒng)電力。這是因?yàn)檫@些不太可靠的系統(tǒng)處于休眠模式的時(shí)間較短，而重復(fù)發(fā)射或通信的時(shí)間較多。