嵌入式無(wú)線(xiàn)系統應用中可靠性和功耗的優(yōu)化方法

嵌入式無(wú)線(xiàn)技術(shù)是嵌入式進(jìn)程或系統與無(wú)線(xiàn)通信接口的組合。方興未艾的嵌入式無(wú)線(xiàn)系統，正催生出各種新型工業(yè)、商業(yè)和住宅建筑自動(dòng)化應用，并且還為消費、醫療和農業(yè)系統帶來(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據率應用的一個(gè)非常重要的需求，甚至是大多數情況下的一個(gè)主要需求。但是，衡量嵌入式無(wú)線(xiàn)應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，這是對給定應用選擇組件的典型方法。這種以可量化的標準來(lái)比較的基本方法，無(wú)法充分反映各組件在系統中的真實(shí)關(guān)系和工作狀態(tài)。因此，必須專(zhuān)注于無(wú)線(xiàn)系統的功耗，了解給定無(wú)線(xiàn)解決方案在節能方面的表現。

提高可靠性有助于降低無(wú)線(xiàn)系統的功耗，但這個(gè)系統屬性通常會(huì )被忽視。在這里，可靠性指得是系統在兩點(diǎn)間一次性進(jìn)行數據通信的能力。本文將介紹嵌入式無(wú)線(xiàn)應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

在大多數嵌入式無(wú)線(xiàn)應用中，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，單純從數據表的介紹來(lái)看，它們的額定功耗似乎都差不多，都在20～30mA的范圍內。但是，如果單純選擇額定功耗最低的器件，更為重要的系統可靠性屬性則有可能被忽視?？煽啃詾槭裁粗匾?對于將每1uA或每1mA電流都要考慮在內的低功耗應用來(lái)說(shuō)，可靠性是決定該應用在高功耗的動(dòng)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，因為可靠性越高，功耗就越低。完美、理想的無(wú)線(xiàn)系統應盡可能快地在兩點(diǎn)間一次性傳輸一組數據。當然，系統不可能始終完美地實(shí)現這種工作模式，因此有可能會(huì )由于干擾或信號強度不足，無(wú)法達到遠程末端，而必須重新傳輸數據。在此情況下，必須盡可能提高無(wú)線(xiàn)系統的可靠性。

無(wú)線(xiàn)系統有具體的特征描述(參數)，這有助于決定在給定系統中如何可靠地工作。例如，“RF頻譜應用”是指無(wú)線(xiàn)通信采用什么RF頻譜進(jìn)行通信;“接收靈敏度”是指收發(fā)器識別出通信內容的最低程度，以功率分貝比來(lái)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，它體現為接收敏感度的增加，也稱(chēng)作編碼增益(dBm)。

RF頻譜應用是可靠性方程中的一個(gè)變量，依賴(lài)于RF波物理特性決定的環(huán)境。頻率越低，波長(cháng)越長(cháng)，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頻譜及其應用是一個(gè)受政府高度管理的無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，原因是避免干擾其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。只有少部分頻段預留給在本地和國際上這些通信應用非限制地使用，也就是所謂的工業(yè)、科學(xué)和醫療(ISM)頻段。在此頻段內，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(cháng)較短的波，因此必須更加關(guān)注其它波長(cháng)的波，以測量可靠性。

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，即鏈路預算。鏈路預算可定義為接收靈敏度加上輸出功率和抗干擾性的絕對值。接收靈敏度越高，輸出功率就越大，抗干擾性就越強，解決方案的鏈路預算就越高。而鏈路預算越高，無(wú)線(xiàn)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算的器件級鑒別器，我們可以方便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(wú)線(xiàn)收發(fā)器采用何種技術(shù)來(lái)提高其信號有效性。當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頻(DSSS)調制技術(shù)。

DSSS調制技術(shù)是一種對發(fā)送信號進(jìn)行前向糾錯的方法，用于減小信號干擾造成數據丟失的影響。具體而言，DSSS根據發(fā)射器和接收器共享的偽隨機噪聲碼，將一組數據進(jìn)行編碼，輸出成較大的比特流。例如，在圖1中，8位數據編碼為32個(gè)碼片，在此情況下，4個(gè)碼片相當于1位。隨后，碼片在RF信號上調制發(fā)送。接收器將接收信號的碼片解調，并反向執行DSSS編碼方案。即便由于信號噪聲或干擾會(huì )出現解調錯誤，原始數據仍然可以被恢復出來(lái)。

圖1：直接序列擴頻技術(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(lèi)，一類(lèi)是偽隨機或算法型跳頻方案，可在頻譜內持續跳頻，以盡量減少干擾，另一類(lèi)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(lèi)捷變性方案存在的一個(gè)問(wèn)題是，如果RF頻譜內比較繁忙，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，在干擾信號間找到干擾最小的工作頻率。例如，就2.4GHz無(wú)線(xiàn)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頻譜應用的鏈路預算與RF捷變性成正比。鏈路預算越大，RF捷變性就越高，在同一RF頻譜上的給定無(wú)線(xiàn)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)境下針對某一RF頻譜性能出色，如布滿(mǎn)水管的工廠(chǎng)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，我們仍很容易理解比較無(wú)線(xiàn)解決方案時(shí)的邏輯，以及最大化系統睡眠時(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(xiàn)解決方案的另一新術(shù)語(yǔ)是功率效率，即系統通過(guò)有源和無(wú)源技術(shù)來(lái)最小化功耗的量度。效率越高，節約的電力就越多。大多數時(shí)間都處于睡眠模式最低功耗狀態(tài)下的高可靠性系統，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更高，因為這些系統處于休眠模式的時(shí)間較短。因此，可靠性是反映系統真實(shí)功率效率的主要指標。

可靠性和功率效率機制協(xié)作可最大化節能效果，不過(guò)除了上述機制，還能采用其他技術(shù)來(lái)提高功率效率，并盡可能減小對系統可靠性的影響。這些技術(shù)包括控制動(dòng)態(tài)數據速率、輸出功率級別的活動(dòng)鏈路和電源管理等系統行為。通過(guò)最小化不必要的輸出功率，持續關(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，而且節能。此外，如果解決方案能根據環(huán)境條件調節數據速率，并盡可能縮短空中通信時(shí)間，也可以最小化系統功耗，提高功率效率。這種節能技術(shù)盡管在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)領(lǐng)域并不算新生事物，但在確保系統致力于真正最小化系統功耗方面確實(shí)是一項新技術(shù)。

本文小結

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