嵌入式無線應(yīng)用的可靠性和功率效率優(yōu)化

由于 2.4GHz 技術(shù)在全球范圍內(nèi)均可免授權(quán)使用、數(shù)據(jù)傳輸速率更快，且相對于不足 1GHz 的技術(shù)而言還有許多其他內(nèi)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(shù)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(gòu)建可以無線收發(fā)數(shù)據(jù)的無線電設(shè)備和協(xié)議棧而不考慮抗干擾機制顯然已遠遠不夠。設(shè)計人員必須采用智能技術(shù)，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(guān)鍵問題。許多嵌入式無線應(yīng)用都要求電池供電的產(chǎn)品能夠持續(xù)工作達數(shù)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(shù)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(shè)法減少過多的重復(fù)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(shù)據(jù)速率和動態(tài)輸出功率技術(shù)解決可靠性和功率效率問題。

可靠性

您只需觀察設(shè)備間成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包占所有數(shù)據(jù)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(shè)備等特定應(yīng)用中，成功傳輸率是一個不容忽視的關(guān)鍵要求。

在典型的低功耗射頻系統(tǒng)中，信道以一定的數(shù)據(jù)速率發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。工程師常常采用頻率捷變技術(shù)來增強可靠性，讓系統(tǒng)在面臨當(dāng)前信道噪聲過大、導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(shù)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(nèi)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)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(shù)據(jù)包大量丟失而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接故障時才切換信道。因為只能在網(wǎng)絡(luò)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(yù)防系統(tǒng)故障，而僅能從故障中恢復(fù)而已。恢復(fù)功能對可以容許隨機數(shù)據(jù)包丟失的體育休閑類應(yīng)用可能已經(jīng)足夠了，但有些應(yīng)用（如醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)過程控制）則不能容許數(shù)據(jù)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(guān)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(shè)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(shù)據(jù)速率來增強穩(wěn)健性，從而確保 2.4GHz 頻帶內(nèi)的無憂安全連接。“動態(tài)數(shù)據(jù)速率”是指系統(tǒng)實時自動變換數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)短暫突發(fā)干擾而導(dǎo)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(shù)據(jù)包可能根本無法得以成功傳輸。
DSSS并不總是可以適應(yīng)于各類環(huán)境的最穩(wěn)健的技術(shù)。由于 DSSS 降低了數(shù)據(jù)速率，因此延長了無線電空中傳輸?shù)臅r間，而這也增加了與其他網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致 Wi-Fi 數(shù)據(jù)包破壞系統(tǒng)數(shù)據(jù)包。所以當(dāng)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(shè)法在Wi-Fi數(shù)據(jù)包之間找到短的間隙期間內(nèi)進行轉(zhuǎn)輸。

不同數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率技術(shù)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境而進行實時調(diào)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(shù)據(jù)速率。為了實現(xiàn)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(shù)據(jù)速率以及較慢的編碼數(shù)據(jù)速率。此外，由于數(shù)據(jù)速率是不可預(yù)見的，接收設(shè)備必須能夠判定發(fā)射無線電正在使用的數(shù)據(jù)速率。為了將數(shù)據(jù)速率通知給接收無線電，發(fā)射無線電可在數(shù)據(jù)包開銷的開始部分加入數(shù)據(jù)速率信息，這樣接收設(shè)備就能切換到適當(dāng)?shù)慕邮漳Ｊ浇邮諗?shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)負(fù)載部分。

然后，我們需要根據(jù)收發(fā)器的這些屬性來確定使用何種數(shù)據(jù)速率的協(xié)議棧結(jié)合起來。協(xié)議棧的這一部分非常復(fù)雜，主要負(fù)責(zé)處理始終跟蹤數(shù)據(jù)速率性能的算法，以計算出哪種數(shù)據(jù)速率更好。這種集成智能使得系統(tǒng)能實現(xiàn)最佳的可靠性。動態(tài)數(shù)據(jù)速率技術(shù)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(shù)據(jù)速率技術(shù)有助于避免發(fā)生故障，而頻率捷變則有助于故障恢復(fù)。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)當(dāng)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(shù)據(jù)包故障率降低。

功率效率

設(shè)計電池供電型無線設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)工程師主要關(guān)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(rèn)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(yīng)用而言，假定第一部收發(fā)器在 90% 的時間內(nèi)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(shù)，由于抗噪性的提高，其重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)所需要的時間少于第一部收發(fā)器。就相同的應(yīng)用而言，如果第二部收發(fā)器由于采用了DSSS 技術(shù)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(dāng)您發(fā)現(xiàn)該收發(fā)器由于持續(xù)發(fā)生的數(shù)據(jù)包丟失而不得不花費所有的時間重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)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(rèn)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(shù)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(yīng)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(shù)據(jù)速率技術(shù)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(shè)想一下無線網(wǎng)絡(luò)運行在無噪聲通道中的情況。如果系統(tǒng)使用較低的 DSSS 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率（如 1 Mbps），通過盡快提高發(fā)射速度，系統(tǒng)用于傳輸?shù)臅r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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)運行在干擾較嚴(yán)重的典型 2.4GHz 環(huán)境中，非 DSSS 的較高數(shù)據(jù)速率更易導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失，進而不得不多次重發(fā)數(shù)據(jù)包。如果系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)包丟失而必須持續(xù)重復(fù)發(fā)送，則其處于耗電比較嚴(yán)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(shù)低功耗射頻技術(shù)使用的都是需要或無需編碼的固定數(shù)據(jù)速率。因而，如果出現(xiàn)的干擾與其數(shù)據(jù)速率不適應(yīng)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(shù)據(jù)速率技術(shù)，無線系統(tǒng)就能在不同環(huán)境自動選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率。
系統(tǒng)輸出功率的動態(tài)變化還能實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(fù)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(shù)據(jù)包故障率的最低水平。要實現(xiàn)這一方案，我們可慢慢降低輸出功率，直到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)。