低功耗通信系統(tǒng)中的傳輸能效優(yōu)化研究

董國權(quán)

（日海通信服務(wù)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

低功耗通信作為一種新興的通信技術(shù)，通過優(yōu)化發(fā)射功率、調(diào)制編碼方案、硬件電路以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等手段，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)通信系統(tǒng)更高的傳輸能效[1]。文章主要研究低功耗通信系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)及傳輸能效優(yōu)化技術(shù)，通過仿真實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證所提出方案的有效性，為低功耗通信系統(tǒng)的傳輸能效進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 低功耗通信系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)

低功耗通信系統(tǒng)指能夠在極低的功耗條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與交互的無線通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)相比，低功耗通信系統(tǒng)具有發(fā)射功率低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。其中，傳輸功率可降至毫瓦量級，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有蜂窩移動通信的發(fā)射功率；強(qiáng)噪聲環(huán)境下的抗干擾能力強(qiáng)，可以保持可靠連接，從而延長設(shè)備工作周期。這主要?dú)w因于低功耗通信系統(tǒng)采用調(diào)制編碼技術(shù)，如低密度奇偶校驗(yàn)碼、Turbo 碼以及低密度生成矩陣碼等，可在極低信噪比條件下實(shí)現(xiàn)理想的誤碼性能，同時(shí)頻譜擴(kuò)散技術(shù)的使用增強(qiáng)了抵抗窄帶干擾的能力[2]。此外，低功耗通信系統(tǒng)普遍采用基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，其中鏈接層與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議進(jìn)行深度優(yōu)化，用于短距離低速率通信的異頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可有效避免其他無線系統(tǒng)的干擾，從而減少再傳次數(shù)，降低系統(tǒng)能耗。在接收機(jī)方面，低功耗通信系統(tǒng)廣泛使用超低功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）射頻收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)深度睡眠模式，單片收發(fā)器的功耗僅為數(shù)微瓦。

2 低功耗通信系統(tǒng)中的傳輸能效優(yōu)化技術(shù)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)級能效分析與建模

為構(gòu)建能夠精確反映低功耗特性的系統(tǒng)級能效模型，搭建一個(gè)完整的從比特流到射頻信號的端對端通信鏈路模型。

在發(fā)送端，選用正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調(diào)制技術(shù)，并細(xì)致地構(gòu)建快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）模塊的時(shí)序數(shù)學(xué)模型，詳盡闡述子載波調(diào)制、解調(diào)以及串并轉(zhuǎn)換的過程。此外，需要確立低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼器模型，該模型涵蓋碼字的隨機(jī)生成機(jī)制、校驗(yàn)和計(jì)算方法以及碼率適配算法。在頻率域方面，運(yùn)用Volterra 級數(shù)來精確模擬功率放大器的非線性行為，包括幅度到幅度的調(diào)制失真（Amplitude Modulation to Amplitude Modulation distortion，AM-AM）和幅度調(diào)制到相位調(diào)制失真（Amplitude Modulation to Phase Modulation distortion，AM-PM）特性曲線。而在信道建模階段，則依據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，采用RAYLEIGH信道模型來體現(xiàn)無線通信中的路徑損耗和多徑傳播效應(yīng)。

在接收端，建立相應(yīng)的OFDM 解調(diào)器模型，還原發(fā)送端的處理過程，并配備相應(yīng)的LDPC 譯碼器模型，確保信息的有效解碼。此外，建立關(guān)鍵的時(shí)鐘與載波同步恢復(fù)模塊以確保正確解調(diào)[3]。通過借助MATLAB/Simulink 這類仿真工具，可以實(shí)現(xiàn)端到端的完整調(diào)制、編碼、解碼流程的仿真，并在此過程中動態(tài)評估在不同參數(shù)配置下系統(tǒng)的誤碼率和能耗表現(xiàn)。一旦獲得仿真結(jié)果，就可以引入設(shè)計(jì)可變控制接口的理念，根據(jù)實(shí)時(shí)變化的信道條件和業(yè)務(wù)需求，靈活切換通信模式和調(diào)整參數(shù)設(shè)定，確保通信質(zhì)量的同時(shí)最大限度地降低總體能耗。

2.2 硬件設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化低功耗通信系統(tǒng)的硬件電路以實(shí)現(xiàn)超低功耗，可以從發(fā)射端、接收端和射頻組件3 個(gè)方面進(jìn)行硬件電路的構(gòu)建與設(shè)計(jì)。在發(fā)射端數(shù)字基帶電路，采用時(shí)鐘門控技術(shù)，利用數(shù)據(jù)處理的時(shí)域特性，在非工作狀態(tài)時(shí)切斷時(shí)鐘信號，實(shí)現(xiàn)邏輯門電路的動態(tài)休眠，大幅降低靜態(tài)功耗。同時(shí)，通過電壓可縮放的寄存器電路結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)調(diào)整門控電壓，以匹配處理器運(yùn)算量，降低動態(tài)功耗。在射頻發(fā)射端，采用余弦曲線型集總式振蕩器，通過諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高發(fā)射效率，同時(shí)考慮采用微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）工藝實(shí)現(xiàn)振蕩器與功放的一體化，縮小尺寸和布線，減少無源損耗。

通過采用矽基Germanium 技術(shù)，可以在接收端模擬前端實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器。這種技術(shù)可以降低熱噪聲并提供高增益，從而改善信號質(zhì)量。此外，可以利用體效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)自動增益控制，通過動態(tài)調(diào)整放大倍數(shù)以降低總功耗。為最大限度地減少過載失真對信號質(zhì)量的影響，需要設(shè)計(jì)具有寬輸入動態(tài)范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可以在信號轉(zhuǎn)換的過程中有效地處理高幅度信號，從而確保信號質(zhì)量的穩(wěn)定性。

在射頻組件方面，采用SiGe HBT 工藝制作高線性度放大器，同時(shí)采用梯度摻雜的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）器件實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器；利用MEMS 工藝實(shí)現(xiàn)低損耗的射頻（Radio Frequency，RF）MEMS 開關(guān)；使用碳化硅等新材料制作低損耗濾波器[4]。

2.3 軟件與算法優(yōu)化

為優(yōu)化低功耗通信系統(tǒng)的軟件與算法，降低信號處理帶來的計(jì)算機(jī)耗能，可以從3 個(gè)方面著手設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

一是采用低密度校驗(yàn)碼，如低密度奇偶校驗(yàn)（LDPC）碼和極低密度生成矩陣（Low Density Generator Matrix，LDGM）碼等。這類校驗(yàn)碼因其極低的編碼復(fù)雜度而顯著減少數(shù)字信號處理所需的乘法計(jì)算量，從而有效降低軟件實(shí)現(xiàn)的功耗。

二是利用貪心算法和啟發(fā)式搜索算法聯(lián)合優(yōu)化信道編碼、調(diào)制、波形設(shè)計(jì)等模塊。在考慮誤碼性能、計(jì)算復(fù)雜度和傳輸效率等指標(biāo)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)誤碼性能與復(fù)雜度的代價(jià)函數(shù)，并通過迭代優(yōu)化算法搜索最小化該目標(biāo)函數(shù)的編碼調(diào)制方案，以實(shí)現(xiàn)最佳性能與功耗的平衡。

三是利用接收信號的時(shí)間相關(guān)性，采用貝葉斯估計(jì)預(yù)測數(shù)據(jù)位，實(shí)現(xiàn)軟判決Viterbi 譯碼，避免暴力搜索，從而減小解碼的運(yùn)算量。具體地，可以通過Predict（預(yù)測）模塊評估當(dāng)前解碼路徑的后驗(yàn)概率，然后Refine（提煉）模塊根據(jù)反饋進(jìn)行精煉。具體的后驗(yàn)概率公式為

式中：dk表示第k個(gè)數(shù)據(jù)位；y1n表示從1 到n的觀測數(shù)據(jù)序列；k表示對接收信號yk的估計(jì)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與協(xié)議棧優(yōu)化

為提升低功耗通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與協(xié)議棧的性能，減少通信過程中的控制開銷和傳輸冗余，可以從以下幾個(gè)維度進(jìn)行深入優(yōu)化。首先，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用集群樹型拓?fù)鋪硖娲鷤鹘y(tǒng)的多跳網(wǎng)狀拓?fù)?，可以顯著降低節(jié)點(diǎn)間的控制交互和路由開銷，通過數(shù)據(jù)聚合技術(shù)，進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)間的通信量。同時(shí)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和節(jié)點(diǎn)分布的具體情況，合理劃分集群，以降低集群內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間的競爭碰撞概率[5]。其次，優(yōu)化接入機(jī)制提高網(wǎng)絡(luò)效率，采用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的接入方式，替代基于碰撞的載波偵聽多址（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）機(jī)制，可以有效避免重傳帶來的額外能耗。在時(shí)間同步協(xié)議的輔助下，節(jié)點(diǎn)能夠按照預(yù)定的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，從而減少沖突。同時(shí)，通過時(shí)隙調(diào)度算法的優(yōu)化，可以更加合理地分配時(shí)隙資源，平衡網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的能量消耗。最后，應(yīng)用跨層優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合物理層的鏈路適應(yīng)技術(shù)，可以根據(jù)信道狀況動態(tài)調(diào)整媒體接入控制（Media Access Control Address，MAC）參數(shù)，以減少重傳次數(shù)?？梢圆捎玫倪m應(yīng)性參數(shù)調(diào)整方程為

式中：Pe表示物理層幀錯(cuò)誤率；W表示競爭窗口大小。根據(jù)信道誤碼率Pe的變化，動態(tài)調(diào)整W大小，降低碰撞概率，減少重傳消耗。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評估

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

步驟一，搭建基于軟件定義無線電（Software Defined Radio，SDR）平臺的測試平臺。平臺采用Xilinx Zynq ZC706 評估板，集成MPSoC 處理器，頻譜范圍為10 MHz ～3 GHz，最大輸出功率為10 dBm。平臺可加載LDPC 編譯碼算法模塊、自適應(yīng)正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）模塊和網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議棧。

步驟二，采用MATLAB 建立城市宏蜂窩環(huán)境的系統(tǒng)級仿真平臺，包含小區(qū)半徑為500 m、路徑損耗系數(shù)為3.5 的無線信道模型；支持30 個(gè)移動節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)速度為3 ～30 km/h 不等，并集成先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型。

步驟三，確定評估指標(biāo)，主要包括時(shí)延、丟包率、吞吐量、誤碼率（Bit Error Rate，BER）以及系統(tǒng)功耗。其中，功耗按照發(fā)射端、接收端、信道傳輸3 部分模型化。定義系統(tǒng)能效為吞吐量與總功耗的比值。

步驟四，設(shè)置主要參數(shù)包括節(jié)點(diǎn)速度、發(fā)送功率、代碼率等，以評估技術(shù)在不同場景下的效果。

步驟五，比較算法優(yōu)化前后性能。評價(jià)優(yōu)化算法在保證BER 為10-5的約束下，系統(tǒng)吞吐量提高與功耗降低的效果。重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲得性能提升的統(tǒng)計(jì)值，從而對比分析優(yōu)化后技術(shù)（TECH-B）與優(yōu)化前技術(shù)（TECH-A）的性能。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

測試所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)評估方案，獲得低功耗通信系統(tǒng)傳輸應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)前后性能參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用前后測試結(jié)果對比

從表1 可以看出，采用優(yōu)化技術(shù)后，系統(tǒng)在目標(biāo)BER 為10-5的條件下，當(dāng)信道質(zhì)量較好即信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）為15 dB 時(shí)，可采用更高階的64QAM 調(diào)制，編碼率提升至4/5，吞吐量從原來的5.2 Mb/s 提升到7.8 Mb/s，提升50%。同時(shí)，系統(tǒng)傳輸功率從10 mW 降低到8 mW，接收端解碼功率也有所降低，總體系統(tǒng)功耗從800 mW 降至780 mW。當(dāng)信道質(zhì)量輕微下降（SNR 為10dB）時(shí)，系統(tǒng)可適時(shí)降低調(diào)制階數(shù)到16QAM，編碼率降為2/3，保證誤碼性能的同時(shí)，避免更多不必要的再傳消耗。相比之下，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化技術(shù)更多地體現(xiàn)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性與健壯性方面。此外，采用傳輸功率控制技術(shù)后，在節(jié)點(diǎn)速度較快情況下（30 km/h），系統(tǒng)的丟包率有明顯改善，從10%降為5%，同時(shí)系統(tǒng)吞吐量有一定增加。這是由于傳輸功率控制技術(shù)可以動態(tài)調(diào)整各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率，使鏈路質(zhì)量維持在一個(gè)合適的水平，避免過大或過小的傳輸功率導(dǎo)致不必要的丟包或過多冗余。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章提出的基于自適應(yīng)調(diào)制編碼、傳輸功率控制以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化等技術(shù)方法，可以在一定程度上提升低功耗通信系統(tǒng)的傳輸能效與穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

文章探討低功耗通信系統(tǒng)的傳輸能效優(yōu)化技術(shù)，可以看出系統(tǒng)級建模與優(yōu)化、硬件電路技術(shù)進(jìn)步、軟件與算法改進(jìn)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)同優(yōu)化等多種手段的協(xié)同應(yīng)用，可對改善通信系統(tǒng)的能量利用效率產(chǎn)生顯著作用。綜合運(yùn)用這些跨層次的優(yōu)化與新技術(shù)，不僅能獲得數(shù)倍乃至數(shù)量級的功耗減少，還可在復(fù)雜環(huán)境下提升系統(tǒng)穩(wěn)定性與健壯性。