在嵌入式無線系統(tǒng)應用中可靠性和功耗的關系及優(yōu)化方法

嵌入式無線技術是嵌入式進程或系統(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)和住宅建筑自動化應用，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富的產(chǎn)品。低功耗或者功率是所有這些低數(shù)據(jù)率應用的一個非常重要的需求，甚至是大多數(shù)情況下的一個主要需求。但是，衡量嵌入式無線應用的功耗并非如將各部分功耗簡單相加即可，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比較的基本方法，無法充分反映各組件在系統(tǒng)中的真實關系和工作狀態(tài)。因此，必須專注于無線系統(tǒng)的功耗，了解給定無線解決方案在節(jié)能方面的表現(xiàn)。

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

　　可靠性與功耗的關系

　　在大多數(shù)嵌入式無線應用中，功耗最大的器件是收發(fā)器的發(fā)射電路。目前市場上可選的收發(fā)器有很多樣，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(tǒng)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說，可靠性是決定該應用在高功耗的動態(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，因為可靠性越高，功耗就越低。完美、理想的無線系統(tǒng)應盡可能快地在兩點間一次性傳輸一組數(shù)據(jù)。當然，系統(tǒng)不可能始終完美地實現(xiàn)這種工作模式，因此有可能會由于干擾或信號強度不足，無法達到遠程末端，而必須重新傳輸數(shù)據(jù)。在此情況下，必須盡可能提高無線系統(tǒng)的可靠性。

　　無線系統(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頻譜應用”是指無線通信采用什么RF頻譜進行通信;“接收靈敏度”是指收發(fā)器識別出通信內容的最低程度，以功率分貝比來計算，單位為1mW(dBm);“輸出功率”指技術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;最后一個是“抗干擾性”，即RF技術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頻譜應用是可靠性方程中的一個變量，依賴于RF波物理特性決定的環(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制造材料吸收。不過，RF頻譜及其應用是一個受政府高度管理的無線通信領域，原因是避免干擾其他無線通信技術。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)、科學和醫(yī)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)領域中惡劣的RF環(huán)境會很快吸收波長較短的波，因此必須更加關注其它波長的波，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線收發(fā)器采用何種技術來提高其信號有效性。當前采用的可以直接改善這一功能的最佳技術之一就是直接序列擴頻(DSSS)調制技術。

　　DSSS調制技術是一種對發(fā)送信號進行前向糾錯的方法，用于減小信號干擾造成數(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噪聲碼，將一組數(shù)據(jù)進行編碼，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，在此情況下，4個碼片相當于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(zhí)行DSSS編碼方案。即便由于信號噪聲或干擾會出現(xiàn)解調錯誤，原始數(shù)據(jù)仍然可以被恢復出來。

　　圖1：直接序列擴頻技術。

　　最后，RF捷變性可通過避免干擾技術提高可靠性，也就是通過RF頻譜跳頻或者移動來避免干擾。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捷變性技術主要分為兩大類，一類是偽隨機或算法型跳頻方案，可在頻譜內持續(xù)跳頻，以盡量減少干擾，另一類是僅在需要時才移動的智能方案(見圖2)。從可靠性角度看，第一類捷變性方案存在的一個問題是，如果RF頻譜內比較繁忙，那么可能會無意中跳頻到干擾較高的頻譜部分中去;而智能型技術則會找到干擾較低的位置并隨即停止移動。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頻譜跳頻技術的示意圖。[!--empirenews.page--]
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個可用的通道，而寬度為1MHz的解決方案通常支持80個可用通道，因此能在更多通道間移動以避免干擾。

　　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線解決方案時的邏輯，以及最大化系統(tǒng)睡眠時間并減少功耗的方法。

　　優(yōu)化可靠性和功率效率

　　嵌入式無線解決方案的另一新術語是功率效率，即系統(tǒng)通過有源和無源技術來最小化功耗的量度。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，因為這些系統(tǒng)處于休眠模式的時間較短。因此，可靠性是反映系統(tǒng)真實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(jié)能效果，不過除了上述機制，還能采用其他技術來提高功率效率，并盡可能減小對系統(tǒng)可靠性的影響。這些技術包括控制動態(tài)數(shù)據(jù)速率、輸出功率級別的活動鏈路和電源管理等系統(tǒng)行為。通過最小化不必要的輸出功率，持續(xù)關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)境條件調節(jié)數(shù)據(jù)速率，并盡可能縮短空中通信時間，也可以最小化系統(tǒng)功耗，提高功率效率。這種節(jié)能技術盡管在無線電技術領域并不算新生事物，但在確保系統(tǒng)致力于真正最小化系統(tǒng)功耗方面確實是一項新技術。

　　本文小結

　　可靠性是解決方案節(jié)能效果的主要指標，也可優(yōu)化最大化系統(tǒng)休眠時間及最小化通信時間。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)級功能的原因。雖然測量系統(tǒng)中使用組件的典型功耗是比較無線解決方案更傳統(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。這是因為這些不太可靠的系統(tǒng)處于休眠模式的時間較短，而重復發(fā)射或通信的時間較多。