嵌入式無(wú)線應(yīng)用的可靠性和功率效率優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　不過(guò)，就嵌入式無(wú)線系統(tǒng)而言，人們認(rèn)為較低的數(shù)據(jù)速率比較高的數(shù)據(jù)速率更加可靠，因此，相對(duì)于更高的吞吐量，人們會(huì)更加傾向于選擇更高的可靠性。例如，直接序列擴(kuò)頻 (DSSS) 調(diào)制技術(shù)會(huì)將數(shù)據(jù)編碼為較長(zhǎng)的“片”序列，這雖然會(huì)降低有效的數(shù)據(jù)速率，但能確保在面臨干擾的情況下恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。DSSS 發(fā)射器將一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)編碼為接收器可識(shí)別的 32片序列（圖 1）。由于 32 個(gè)片代表一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)，因此有效數(shù)據(jù)速率會(huì)降低為原來(lái)的四分之一。不過(guò)，即便干擾導(dǎo)致某些片丟失或者損壞，接收設(shè)備也能識(shí)別出 32片序列中的足夠部分，從而確定原始數(shù)據(jù)字節(jié)。運(yùn)行在 2.4GHz 頻帶中的 IEEE 802.15.4 收發(fā)器采用的是 DSSS 協(xié)議，其固定數(shù)據(jù)速率為 250 kbps。賽普拉斯的 CyFi 收發(fā)器最高數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá) 1 Mbps，但其同時(shí)也具有250 kbps 和 125 kbps 的 DSSS 數(shù)據(jù)速率。

　　實(shí)踐證明，DSSS 在有隨機(jī)噪聲或者可能會(huì)出現(xiàn)短暫突發(fā)干擾而導(dǎo)致個(gè)別片出錯(cuò)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(jī)位的環(huán)境中不使用 DSSS，數(shù)據(jù)包可能根本無(wú)法得以成功傳輸。
DSSS并不總是可以適應(yīng)于各類(lèi)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(zhǎng)了無(wú)線電空中傳輸?shù)臅r(shí)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(yùn)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(huì)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(shí)，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(jìn)行轉(zhuǎn)輸。

　　不同數(shù)據(jù)速率在不同類(lèi)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率技術(shù)根據(jù)當(dāng)前環(huán)境而進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)選擇能夠優(yōu)化可靠性的數(shù)據(jù)速率。為了實(shí)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(jiàn)的，接收設(shè)備必須能夠判定發(fā)射無(wú)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(wú)線電，發(fā)射無(wú)線電可在數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)的開(kāi)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(lái)確定使用何種數(shù)據(jù)速率的協(xié)議棧結(jié)合起來(lái)。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(jì)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(shí)現(xiàn)最佳的可靠性。動(dòng)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(shuō)，動(dòng)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(shí)，輸出功率級(jí)也可動(dòng)態(tài)改變，從而進(jìn)一步提高無(wú)線連接的可靠性。例如，如果系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)包故障率提高，那么可提高輸出功率來(lái)解決干擾。輸出功率越高，耗電量就會(huì)越多。因此，我們應(yīng)當(dāng)采用動(dòng)態(tài)輸出功率的實(shí)用方法，而不是立即使用最大輸出功率，來(lái)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(jì)電池供電型無(wú)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(huì)選擇功率減半的收發(fā)器，不過(guò)這還需要從其他角度加以考慮。

　　就某個(gè)應(yīng)用而言，假定第一部收發(fā)器在 90% 的時(shí)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?cè)偌俣硪粋€(gè)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(shí)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(shí)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(shí)您會(huì)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(fèi)所有的時(shí)間重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，您可能就會(huì)后悔不迭了。

　　人們對(duì)功耗的最大誤解莫過(guò)于認(rèn)為低電流就意味著低功耗。實(shí)際上，功耗取決于對(duì)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(zhǎng)地處于睡眠狀態(tài)之中。

　　優(yōu)化效率

　　采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率技術(shù)可最大化無(wú)線電處于睡眠模式中的時(shí)間，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)的功率效率。我們不妨來(lái)設(shè)想一下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在無(wú)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(wú)噪聲環(huán)境中無(wú)須進(jìn)行 DSSS 編碼（圖 2），則系統(tǒng)就會(huì)花費(fèi)過(guò)多時(shí)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(guò)盡快提高發(fā)射速度，系統(tǒng)用于傳輸?shù)臅r(shí)間就會(huì)降至最低，從而延長(zhǎng)睡眠模式時(shí)間。因此，如果信道中的干擾較小或沒(méi)有干擾，那么無(wú)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(wú)噪聲環(huán)境中無(wú)須進(jìn)行 DSSS 編碼。

　　然而，如果無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(jìn)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(shí)間自然就會(huì)延長(zhǎng)。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(zhǎng)系統(tǒng)處于超低功耗睡眠模式中的時(shí)間。

　　大多數(shù)低功耗射頻技術(shù)使用的都是需要或無(wú)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(yùn)行效率肯定就會(huì)變差。而如果采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率技術(shù)，無(wú)線系統(tǒng)就能在不同環(huán)境自動(dòng)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(yùn)行。如果系統(tǒng)檢測(cè)到信道中無(wú)噪聲，就會(huì)隨即切換到較快的數(shù)據(jù)速率；如果系統(tǒng)檢測(cè)到信道噪聲較高，則會(huì)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(dòng)態(tài)變化還能實(shí)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(guò)，提高輸出功率自然就會(huì)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(jì)算出通過(guò)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(lái)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(shí)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(wú)線嵌入式系統(tǒng)可靠性和功率效率而言，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)速率和動(dòng)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)。