嵌入式無線應用的可靠性和功率效率優(yōu)化

由于 2.4GHz 技術在全球范圍內均可免授權使用、數據傳輸速率更快，且相對于不足 1GHz 的技術而言還有許多其他內在的優(yōu)勢，目前得到了上述諸多無線系統(tǒng)的普遍青睞。但這種技術的缺點在于，這些系統(tǒng)不僅要相互之間、而且也要和 Wi-Fi、無繩電話和藍牙等各種正在流行的2.4GHz系統(tǒng)爭搶頻道，各種 2.4GHz 無線系統(tǒng)之間不可避免地會發(fā)生相互干擾，增加通信故障的幾率。因此，射頻工程師只構建可以無線收發(fā)數據的無線電設備和協(xié)議棧而不考慮抗干擾機制顯然已遠遠不夠。設計人員必須采用智能技術，確保嵌入式無線系統(tǒng)在日益擁擠的 2.4GHz 射頻頻譜中能夠切實可靠地工作。

功耗是射頻工程師面臨的另一大關鍵問題。許多嵌入式無線應用都要求電池供電的產品能夠持續(xù)工作達數年之久，而不是僅持續(xù)幾個星期或幾個月。工程師不能僅采用超低電流消耗的射頻組件來優(yōu)化系統(tǒng)效率。大多數低功耗收發(fā)器在睡眠模式中的耗電量都比其在收發(fā)模式中的低 1000 倍，因此工程師必須設法減少過多的重復發(fā)送循環(huán)并盡可能延長系統(tǒng)的睡眠時間。工程師可通過動態(tài)數據速率和動態(tài)輸出功率技術解決可靠性和功率效率問題。

可靠性

您只需觀察設備間成功傳輸的數據包占所有數據包的比例就能判斷出無線鏈接的可靠性。在許多情況下，提高成功傳輸率可能只會增強用戶的使用體驗。但是，在安全和醫(yī)療設備等特定應用中，成功傳輸率是一個不容忽視的關鍵要求。

在典型的低功耗射頻系統(tǒng)中，信道以一定的數據速率發(fā)送和接收數據包。工程師常常采用頻率捷變技術來增強可靠性，讓系統(tǒng)在面臨當前信道噪聲過大、導致數據包丟失的情況下主動選擇噪聲較低的信道。具有頻率捷變的系統(tǒng)要求收發(fā)器能夠快速切換信道，而且需要協(xié)議棧能夠告訴收發(fā)器選擇哪個信道。大多數低功耗 2.4GHz 收發(fā)器都能迅速切換信道，但并非所有的協(xié)議棧都具有內置的頻率捷變。最新型 ZigBee 2007 Pro 規(guī)范和賽普拉斯專有的CyFi Star網絡協(xié)議都具有可防御干擾的頻率捷變。

不過，頻率捷變自身還遠不足以確保 2.4GHz 頻帶內的無憂安全連接。在一些采用頻率捷變的實施方案中，系統(tǒng)僅在數據包大量丟失而引發(fā)網絡連接故障時才切換信道。因為只能在網絡連接發(fā)生故障后才會啟用新的低噪聲信道，這種性能并不理想。鑒于此，頻率捷變尚不足以預防系統(tǒng)故障，而僅能從故障中恢復而已。恢復功能對可以容許隨機數據包丟失的體育休閑類應用可能已經足夠了，但有些應用（如醫(yī)療設備和工業(yè)過程控制）則不能容許數據包有過多的丟失。

頻率捷變的另一不足之處在于其假定相關射頻頻譜中總是存在一條無噪聲的信道。在 2.4GHz 頻帶中，802.11g 路由器等設備要占用 22 MHz 的帶寬，而 802.11n 路由器則會占用多達 40 MHz 的帶寬。僅兩臺 Wi-Fi 路由器就足以占用整個 2.4GHz 頻帶了，而其他系統(tǒng)很難再找到未占用的低噪聲信道，因而降低了頻率捷變的有效性。

優(yōu)化可靠性

盡管頻率捷變自身還不足以提供全面的可靠性，不過我們可通過實施動態(tài)數據速率來增強穩(wěn)健性，從而確保 2.4GHz 頻帶內的無憂安全連接。“動態(tài)數據速率”是指系統(tǒng)實時自動變換數據傳輸速率的能力。顯而易見，人們似乎總是傾向使用最大傳輸速率。例如，就手機而言，Apple iPhone可以在移動環(huán)境增強型數據速率全局系統(tǒng) (EDGE)、第三代 (3G) 和 Wi-Fi 協(xié)議之間無縫切換，從而為用戶提供盡可能高的數據速率。

圖1，32片順序。

實踐證明，DSSS 在有隨機噪聲或者可能會出現短暫突發(fā)干擾而導致個別片出錯的環(huán)境中非常有效。如果系統(tǒng)在噪聲干擾持續(xù)破壞隨機位的環(huán)境中不使用 DSSS，數據包可能根本無法得以成功傳輸。
DSSS并不總是可以適應于各類環(huán)境的最穩(wěn)健的技術。由于 DSSS 降低了數據速率，因此延長了無線電空中傳輸的時間，而這也增加了與其他網絡沖突的幾率。例如，如果系統(tǒng)運行的信道空間與傳輸視頻文件的 Wi-Fi 路由器的信道相同，就會引發(fā)沖突，導致 Wi-Fi 數據包破壞系統(tǒng)數據包。所以當與Wi-Fi系統(tǒng)處于同一工作環(huán)境時，更有效的方法是盡量提高傳輸速率，并設法在Wi-Fi數據包之間找到短的間隙期間內進行轉輸。

不同數據速率在不同類型的干擾情況下其穩(wěn)健性有所不同，因此可靠的系統(tǒng)可采用動態(tài)數據速率技術根據當前環(huán)境而進行實時調節(jié)。收發(fā)器和協(xié)議棧必須協(xié)同監(jiān)視環(huán)境，并隨時選擇能夠優(yōu)化可靠性的數據速率。為了實現收發(fā)器和協(xié)議棧之間的協(xié)作，收發(fā)器必須支持快速、非編碼數據速率以及較慢的編碼數據速率。此外，由于數據速率是不可預見的，接收設備必須能夠判定發(fā)射無線電正在使用的數據速率。為了將數據速率通知給接收無線電，發(fā)射無線電可在數據包開銷的開始部分加入數據速率信息，這樣接收設備就能切換到適當的接收模式接收數據包的數據負載部分。

然后，我們需要根據收發(fā)器的這些屬性來確定使用何種數據速率的協(xié)議棧結合起來。協(xié)議棧的這一部分非常復雜，主要負責處理始終跟蹤數據速率性能的算法，以計算出哪種數據速率更好。這種集成智能使得系統(tǒng)能實現最佳的可靠性。動態(tài)數據速率技術可以為頻率捷變等其他方法提供一層額外的干擾防御功能。從某種意義上說，動態(tài)數據速率技術有助于避免發(fā)生故障，而頻率捷變則有助于故障恢復。

數據速率切換時，輸出功率級也可動態(tài)改變，從而進一步提高無線連接的可靠性。例如，如果系統(tǒng)檢測到數據包故障率提高，那么可提高輸出功率來解決干擾。輸出功率越高，耗電量就會越多。因此，我們應當采用動態(tài)輸出功率的實用方法，而不是立即使用最大輸出功率，來慢慢提高輸出功率，直至數據包故障率降低。

功率效率

設計電池供電型無線設備的嵌入式系統(tǒng)工程師主要關心的是收發(fā)器的電流消耗規(guī)范。例如，工程師可能需要在以下兩種收發(fā)器之間做出選擇：一種在收發(fā)模式下耗電 10 mA，在睡眠模式下耗電 0.5 μA，而另一種的耗電量則翻了一番，收發(fā)模式和睡眠模式下分別為 20 mA 和 1 μA。我們可能認為工程師會選擇功率減半的收發(fā)器，不過這還需要從其他角度加以考慮。

就某個應用而言，假定第一部收發(fā)器在 90% 的時間內都處于睡眠狀態(tài)，其平均耗電量約為1mA (10mA×10%+0.5μA×90%)。此外，我們再假定另一個收發(fā)器使用了 DSSS 技術，由于抗噪性的提高，其重復發(fā)送數據所需要的時間少于第一部收發(fā)器。就相同的應用而言，如果第二部收發(fā)器由于采用了DSSS 技術而睡眠時間比第一部收發(fā)器多出5% 的話，則第二部收發(fā)器的平均耗電量也約為 1mA (20mA×5%+1μA×95%)。這時您會選擇哪款收發(fā)器呢？如果您選擇了第一部收發(fā)器，那么當您發(fā)現該收發(fā)器由于持續(xù)發(fā)生的數據包丟失而不得不花費所有的時間重復發(fā)送數據包時，您可能就會后悔不迭了。

人們對功耗的最大誤解莫過于認為低電流就意味著低功耗。實際上，功耗取決于對收發(fā)器的管理水平，而不僅僅取決于電流消耗規(guī)格。大多數低功耗射頻收發(fā)器在收發(fā)模式下的耗電量都比其在睡眠模式下的耗電量高出約 10,000 至 20,000 倍。因此，協(xié)議棧應盡力讓收發(fā)器盡可能長地處于睡眠狀態(tài)之中。

優(yōu)化效率

采用動態(tài)數據速率技術可最大化無線電處于睡眠模式中的時間，進而優(yōu)化系統(tǒng)的功率效率。我們不妨來設想一下無線網絡運行在無噪聲通道中的情況。如果系統(tǒng)使用較低的 DSSS 數據傳輸速率（如 250 kbps），由于在無噪聲環(huán)境中無須進行 DSSS 編碼（圖 2），則系統(tǒng)就會花費過多時間用于傳輸。再如，如果采用非 DSSS 的較高數據速率（如 1 Mbps），通過盡快提高發(fā)射速度，系統(tǒng)用于傳輸的時間就會降至最低，從而延長睡眠模式時間。因此，如果信道中的干擾較小或沒有干擾，那么無編碼的較高數據速率顯然是最小化功耗的更佳選擇。

圖2，無噪聲環(huán)境中無須進行 DSSS 編碼。

然而，如果無線網絡運行在干擾較嚴重的典型 2.4GHz 環(huán)境中，非 DSSS 的較高數據速率更易導致數據包丟失，進而不得不多次重發(fā)數據包。如果系統(tǒng)由于數據包丟失而必須持續(xù)重復發(fā)送，則其處于耗電比較嚴重的發(fā)射模式中的時間自然就會延長。如果系統(tǒng)采用較低的 DSSS 傳輸速率，那么系統(tǒng)就能容許干擾并避免重發(fā)，從而延長系統(tǒng)處于超低功耗睡眠模式中的時間。

大多數低功耗射頻技術使用的都是需要或無需編碼的固定數據速率。因而，如果出現的干擾與其數據速率不適應的話，系統(tǒng)的運行效率肯定就會變差。而如果采用動態(tài)數據速率技術，無線系統(tǒng)就能在不同環(huán)境自動選擇適當的數據速率，盡力降低功耗并確保始終高效運行。如果系統(tǒng)檢測到信道中無噪聲，就會隨即切換到較快的數據速率；如果系統(tǒng)檢測到信道噪聲較高，則會選擇速度較慢、卻更穩(wěn)健的數據速率。
系統(tǒng)輸出功率的動態(tài)變化還能實現最佳功率效率。提高系統(tǒng)的輸出功率有助于解決干擾，減少數據包重發(fā)情況的發(fā)生。不過，提高輸出功率自然就會增加電流消耗。理想的情況是，系統(tǒng)采用的協(xié)議棧能夠計算出通過提高輸出功率和減少重復發(fā)送究竟能節(jié)約多少用電，并將節(jié)約下來的電量與提高輸出功率所需的電量加以比較。另一種節(jié)電方案是將輸出功率降到仍足以讓系統(tǒng)維持同等數據包故障率的最低水平。要實現這一方案，我們可慢慢降低輸出功率，直到數據包故障率即將上升為止，從而確定最低輸出功率。

就優(yōu)化無線嵌入式系統(tǒng)可靠性和功率效率而言，動態(tài)數據速率和動態(tài)輸出功率是基本的,卻也是非常行之有效的兩種技術。