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基于OMAP的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處理器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者:陳卓,朱杰,袁曉兵,沈杰 時(shí)間:2008-07-23 來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用 收藏

  2.2 節(jié)點(diǎn)功耗與算法的關(guān)系

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/86128.htm

  2.2.1 算法對(duì)節(jié)點(diǎn)各模塊功耗的影響

  (1)處理器模塊
  對(duì)整個(gè)處理器模塊,由式(5)、式(6)經(jīng)分析可得:
Eproc=EDSP_min+EARM_min
     =VDSP×MDSP×0.43+VARM(0.1×MDSP+0.2×MARM) (7)

且VDSP=VARM
Eproc=VARM(0.53×MDSP+0.2×MARM) (8)

  由式(8)知,主導(dǎo)處理器模塊功耗為MDSP,所以減小MDSP是減少部分功耗最直接的方式。

  (2)無(wú)線收發(fā)模塊
  降低無(wú)線收發(fā)模塊的功耗,需要在信源階段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別或壓縮,降低數(shù)據(jù)量以降低數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間;在選擇調(diào)制解調(diào)方案時(shí),應(yīng)選擇可獲得較高數(shù)據(jù)速率并且所需解調(diào)的Eb/N0相對(duì)較低的方案。

  2.2.2 節(jié)點(diǎn)算法的選擇

  在進(jìn)行算法選擇時(shí)應(yīng)在完成功能的基礎(chǔ)上,選擇可以降低功耗的算法。下面針對(duì)本節(jié)點(diǎn)對(duì)算法選擇進(jìn)行分析,先討論三類算法在節(jié)約功耗條件下的復(fù)雜度。

  (1)模式識(shí)別
  模式識(shí)別可以處理采集到的信號(hào),給出一個(gè)對(duì)信號(hào)的判斷結(jié)果,在無(wú)線收發(fā)時(shí)只需要傳送這個(gè)結(jié)果。

  經(jīng)過(guò)一次模式識(shí)別,數(shù)據(jù)量可從1K個(gè)8位采樣點(diǎn)降到1個(gè)16位的word。當(dāng)設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)速率為20kbps時(shí),采用BPSK,(2,1,5)卷積編碼的方案,發(fā)射傳輸時(shí)間由160ms降低到0.8ms。由于實(shí)際發(fā)送時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀,所以傳輸時(shí)間大概為5ms。若以節(jié)省功耗為標(biāo)準(zhǔn),則:

ERF_save>EPRO_use
 -〉VRF×40×160>VARM(0.53×MDSP+0.2×MARM)(9)
 -〉40×160>0.53×MDSP
 -〉MDSP<12

  即只要選擇的算法低于12M個(gè)指令周期就可以節(jié)省能量。

  模式識(shí)別的計(jì)算量主要集中在特征值的提取上,比較有代表性的算法為基于功率譜(512點(diǎn)FFT)的算法或基于小波分析(db6)的算法。兩種算法的運(yùn)算量與在DSP內(nèi)處理的時(shí)間如表2。


  由于在傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中對(duì)功耗的要求更為嚴(yán)格,所以選擇基于功率譜分析的算法。在實(shí)現(xiàn)時(shí)利用55核的硬件特性,可降至22K個(gè)周期數(shù),1毫秒就可處理完畢。

  (2)圖像壓縮
  節(jié)點(diǎn)傳輸圖像時(shí)必須進(jìn)行圖像壓縮,一幅320×240的BMP圖像約1.8Mbit,在基本不損失信息的情況下可壓縮至95Kbit。
  Mcompression約為135 290M條指令周期,而對(duì)其壓縮后,在算法未優(yōu)化的情況下計(jì)算量約為120K條指令周期,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Mcompression。這同時(shí)也說(shuō)明,在傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中傳遞圖像時(shí),主要能耗集中在無(wú)線收發(fā)模塊。此時(shí)提高數(shù)據(jù)速率是必須的,因?yàn)樘岣咚俾什⒉粫?huì)使無(wú)線收發(fā)模塊的功耗上升,卻可以減少發(fā)送時(shí)間以節(jié)約能量。

  故模式識(shí)別與圖像壓縮是無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)必不可少的,算法選擇時(shí)壓縮比是比復(fù)雜度更重要的選擇依據(jù)。

  (3)通信相關(guān)
  
  ①編碼方式

  為了在一定的誤碼率下達(dá)到低功率傳輸,需要采用FEC編碼減少差錯(cuò)概率。卷積編碼是目前應(yīng)用最廣泛的編碼方式,表3為對(duì)1Kbit數(shù)據(jù)采用不同參數(shù)的卷積編碼時(shí)的譯碼運(yùn)算量與編碼后長(zhǎng)度的比較。

 

  分析圖4可知,(2,1,7)比(2,1,3)的卷積編碼性能提升了2dB以上,而(2,1,9)相比(2,1,7)卻只提高了不到1dB。在處理時(shí)間上,(2,1,9)即使在程序經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的處理時(shí)間為75毫秒,占處理器模塊中DSP核處理時(shí)間的90%以上。所以選擇性能接近但運(yùn)算量卻低很多的(2,1,7)的卷積編碼。

  ②調(diào)制方式
  傳感網(wǎng)的信號(hào)經(jīng)過(guò)無(wú)線信道時(shí)一般不采用高階調(diào)制。在QPSK和BPSK的選擇上,由于QPSK可以同時(shí)在IQ兩路傳輸數(shù)據(jù),使無(wú)線收發(fā)模塊的Tworking減少1/2,從而減少功耗。這樣數(shù)據(jù)的傳輸速率為40kbps。

  各算法耗費(fèi)時(shí)間如表4。


  2.3 與現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的比較

  現(xiàn)將本模塊與現(xiàn)有模塊在以模式識(shí)別的應(yīng)用中進(jìn)行比較,對(duì)1K數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別及編解碼所消耗的計(jì)算周期如下:

普通MCU計(jì)算周期:6.4M指令周期
5912計(jì)算周期:1.1M指令周期

  由此可得進(jìn)行1000次的上述處理所需要的時(shí)間及消耗的電流如表5。


  通過(guò)對(duì)比可以看出,本節(jié)點(diǎn)處理器模塊在處理相同計(jì)算量的運(yùn)算時(shí),所耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)小于現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn),而所消耗的電流也在現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)中較小。因此證明本節(jié)點(diǎn)處理器模塊在現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)中是最適合大數(shù)據(jù)量處理的。

參考文獻(xiàn)

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