内容简介
本专著主要结合线通信网络,介绍了超低功耗的基本理论和技术、常用降低功耗的策略、超低功耗总线编码技术、微处理器超低功耗技术、嵌入式系统超低功耗技术、线传感网络超低功耗技术、WMN网络超低功耗技术、扩频通信系统超低功耗技术和其他短距离线通信超低功耗技术及性能/功耗评估策略。
作者简介
柴远波,现为黄河科技学院信息工程研究所所长/教授。中国线通信标准研究组成员;《电子学报》审稿专家;《信息技术研究》编辑部主任。作为项目负责人与项目骨干以及主要研发人员承担和参与了多个重大项目、课题的研发工作,其中3项为国家科技攻关重中之重项目和863计划项目,1项产业化项目和1项军队攻关项目。获省部级科技进步奖多项,目前承担河南省杰出青年科学基金项目“3G-1x EVDO反向链路速率控制问题研究”,项目编号074100510023。
目录
第1章 超低功耗的基本理论 1
1.1 线通信网络技术概况 1
1.1.1 线通信网络技术的发展历程 1
1.1.2 蜂窝通信的革命 2
1.1.3 全球蜂窝网络 3
1.1.4 宽带 4
1.1.5 未来趋势 5
1.1.6 线技术中的问题 6
1.2 线通信网络超低功耗的基本概念 6
1.3 功耗产生的原因 7
1.3.1 CMOS 电路的功耗 8
1.3.2 集成电路中的问题 12
1.4 与功耗有关的其他因素 13
1.4.1 拓扑控制 13
1.4.2 功率控制 14
1.5 超低功耗设计的必要性 17
1.6 超低功耗设计的特点 18
1.7 元件工艺的低功耗 20
1.8 降低功耗的措施 21
1.8.1 硬件低功耗和软件低功耗技术 21
1.8.2 功率控制 23
1.9 小结 25
第2章 降低功耗的策略 26
2.1 系统节能的机制 26
2.1.1 SoC不同层次的低功耗设计 28
2.1.2 低功耗设计的主要方法 28
2.1.3 寄存器级低功耗设计的主要方法 29
2.2 电路级 30
2.2.1 功耗产生的原因 30
2.2.2 与系统功耗有关的因素 30
2.2.3 降低功耗的措施 31
2.2.4 低耗能硬件设计 33
2.2.5 在集成电路设计中采用低功耗电路结构 36
2.3 逻辑级 38
2.3.1 功耗估计的原理 38
2.3.2 功耗模型定义 40
2.3.3 SoC在逻辑级上的低功耗设计 44
2.4 体系结构级 44
2.4.1 体系结构层低功耗技术 45
2.4.2 一些重要的体系结构层低功耗技术 45
2.4.3 部件使用的局部化 47
2.5 软件低功耗 49
2.5.1 低功耗编译优化技术 49
2.5.2 传统编译优化技术对功耗的优化 51
2.5.3 动态电压调节算法 52
2.5.4 软件低功耗设计 54
2.5.5 便携式产品通过软件降低功耗的方法 55
2.5.6 软件能量模型 58
2.5.7 基于多核体系结构的软件能量优化方法 60
2.5.8 利用软件降低3G手机功耗 61
2.5.9 利用数字电源系统管理降低数据中心的功耗 63
2.5.10 多轨板级电源系统 64
2.5.11 用于数字电源系统管理的控制接口 65
2.6 小结 65
第3章 超低功耗总线编码技术 66
3.1 总线低功耗技术概述 66
3.1.1 总线低功耗技术 66
3.1.2 简化的总线能耗模型 72
3.2 常用的总线低功耗技术 73
3.2.1 如何降低总线功耗 73
3.2.2 降低总线功耗的方法 74
3.3 超低功耗总线编码 76
3.3.1 深亚微米总线模型 76
3.3.2 降低功耗方面的编码技术 79
3.3.3 降低串扰影响方面的低功耗编码技术 87
3.3.4 差错控制编码技术 93
3.3.5 统一总线编码 96
3.4 总线的编码效果 99
3.4.1 传统E/O BI编码应用 99
3.4.2 针对AHB总线的混合型低功耗总线编码方案及硬件实现 101
3.4.3 针对AXI总线的低功耗总线编码方案及硬件实现 103
3.5 小结 105
第4章 微处理器超低功耗技术 106
4.1 微处理器超低功耗的基本理论 106
4.1.1 微处理器超低功耗设计的背景和意义 106
4.1.2 超低功耗设计的必要性 107
4.1.3 超低功耗设计的发展趋势 108
4.1.4 超低功耗微处理器的发展 110
4.2 集成电路功耗的来源 111
4.3 如何降低功耗 113
4.4 目前常用的低功耗元器件 125
4.4.1 嵌入式处理器TLB部件的低功耗设计 125
4.4.2 FPGA的低功耗方法 129
4.4.3 SoC低功耗的设计 132
4.4.4 VLSI 的低功耗技术研究 138
4.5 小结 141
第5章 嵌入式系统超低功耗技术 142
5.1 功耗问题 142
5.1.1 限制芯片性能的改善 142
5.1.2 提高芯片制造成本 143
5.1.3 降低系统可靠性 143
5.1.4 增加系统执行成本 143
5.1.5 影响电池供电时间 143
5.2 集成电路低功耗技术 144
5.2.1 集成电路功耗分析 144
5.2.2 集成电路低功耗设计技术 145
5.3 嵌入式系统低功耗技术 148
5.3.1 低功耗硬件和体系结构技术 150
5.3.2 嵌入式系统低功耗软件技术 152
5.3.3 嵌入式处理器低功耗设计 154
5.3.4 外围设备低功耗设计 160
5.3.5 嵌入式软件低功耗设计 163
5.4 动态功耗管理 164
5.4.1 动态电源管理(DPM) 164
5.4.2 动态电压调节(DVS) 173
5.4.3 DVS与DPM的比较 175
5.5 处理器功耗评估方法 175
5.5.1 结构级的功耗评估方法 176
5.5.2 指令集功耗评估方法 178
5.5.3 RTL级和电路级功耗评估方法 179
5.6 小结 180
第6章 线传感器网络超低功耗技术 181
6.1 线传感器网络概述 181
6.1.1 线传感器网络的发展及应用前景 181
6.1.2 线传感器网络面临的能耗问题 183
6.1.3 线传感器网络(WSN)结构 184
6.1.4 线传感器网络的特点 186
6.2 线传感器网络节点能耗分析 187
6.2.1 能耗影响因素 188
6.2.2 能耗分析 189
6.3 超低功耗的策略 190
6.3.1 硬件系统的超低功耗策略 190
6.3.2 软件设计中的超低功耗策略 193
6.3.3 节能机制分析 197
6.3.4 典型休眠节能协议 198
6.4 典型WSN节点系统构成与分析 210
6.4.1 典型WSN节点介绍 210
6.4.2 典型WSN节点硬件平台的组成 212
6.4.3 节点性能与功耗的关系 217
6.5 超低功耗评判依据 218
6.5.1 超低功耗系列微控制器的功耗分析 218
6.5.2 环境能量补给技术现状 219
6.5.3 节点的使用寿命 220
6.5.4 通信模块功耗的特殊性 220
6.5.5 超低功耗的评判准则 221
6.6 WSN电能收集简介 221
6.7 小结 222
第7章 WMN网络超低功耗技术 223
7.1 WMN网络超低功耗概念 223
7.1.1 什么是WMN 224
7.1.2 线网状网的现状与发展 225
7.1.3 网状节点与WMN体系结构 225
7.1.4 WMN的主要特征 226
7.1.5 WMN将为宽带应用带来重大变革 227
7.2 WMN网络超低功耗策略 228
7.2.1 线Mesh网络 228
7.2.2 WMN系统组成分析 228
7.2.3 能耗分析与节能策略 229
7.2.4 设计WMN路由协议 231
7.2.5 WMN路由结构 232
7.2.6 路由技术的概念 233
7.2.7 Internet路由协议 233
7.2.8 Ad hoc网络路由协议 233
7.2.9 WMN路由协议 234
7.3 WMN高性能路由协议 235
7.3.1 TBR协议 236
7.3.2 线Mesh网络 237
7.3.3 线Mesh网络的研究现状 238
7.3.4 机会路由协议 243
7.3.5 有向双向非对称链路质量路由协议 245
7.3.6 线Mesh网络中的跨层路由 246
7.3.7 WRP协议 249
7.3.8 算法分析和比较 253
7.3.9 线Mesh路由算法――SQOR 256
7.4 认知线网络功率控制技术 256
7.4.1 功率控制概述 257
7.4.2 移动通信中的功率控制 258
7.4.3 TD-LTE系统的功率控制 261
7.4.4 TD-LTE功率控制的特点 262
7.4.5 功率控制技术的意义 263
7.4.6 功率控制的分类及介绍 264
7.4.7 控制的组级分类 266
7.4.8 多速率技术与功率控制技术之间的制约关系 267
7.5 WMN网络休眠与激活 269
7.5.1 外部传感器/仪表电源管理 271
7.5.2 同步休眠 273
7.5.3 混合休眠 276
7.5.4 功耗估算 278
7.5.5 异步唤醒过程功耗估算 279
7.5.6 一种改进的线通信系统唤醒方法 280
7.6 小结 289
第8章 扩频通信系统超低功耗技术(3G/4G) 290
8.1 功耗的影响 290
8.2 线通信网节能管理综述 293
8.2.1 线通信网节能管理框架 293
8.2.2 节能触发和恢复策略研究现状及存在的问题 298
8.2.3 线通信网能耗组成研究现状及存在的问题 299
8.3 基于覆盖定义信号功率调整的自主节能管理机制 300
8.3.1 概论 300
8.3.2 基于CD信号功率调整的自主集中式节能管理机制 301
8.4 节能 304
8.4.1 节能优化的数学模型 304
8.4.2 基于改进模拟退火的求解方法 305
8.4.3 节能机制的有效性评估 308
8.5 基于业务信道功率调整的自主节能管理机制 309
8.5.1 SEM-TC功能架构及流程 310
8.5.2 基于业务信道功率的线通信网能耗模型 312
8.5.3 局部OP补偿方法 313
8.5.4 节能的优化数学模型 314
8.6 基于多参数联合调整的自主节能管理机制 315
8.6.1 SEM-MP功能架构、流程、关键技术分析 316
8.6.2 区域化的基站状态确定方法 316
8.6.3 节能的优化数学模型 317
8.6.4 基于高效粒子群的求解方法 318
8.7 基于几何拓扑的多阶段分布式自主节能机制 320
8.8 基于几何拓扑的分布式自主节能管理机制 321
8.9 异构网络局部覆盖补偿方法分析 324
8.10 未来的研究工作 329
8.11 小结 329
第9章 其他短距离线通信超低功耗技术 330
9.1 ZigBee原理及应用 331
9.1.1 ZigBee简介 331
9.1.2 ZigBee网络拓扑结构 331
9.1.3 ZigBee技术的特点 332
9.1.4 ZigBee协议栈体系结构 333
9.1.5 ZigBee网络的应用 335
9.1.6 ZigBee的实际应用 336
9.2 Z-Wave原理及应用 336
9.2.1 Z-Wave简介 336
9.2.2 Z-Wave的技术特点 337
9.2.3 Z-Wave协议体系结构分析 338
9.2.4 Z-Wave协议的体系结构和网络控制节点 340
9.2.5 应用实例 342
9.2.6 发展前景 343
9.3 Wi-Fi原理及应用 343
9.3.1 Wi-Fi概况 343
9.3.2 Wi-Fi网络基本架构 344
9.3.3 Wi-Fi网络中通过规避干扰来提升网络容量的方法 346
9.3.4 Wi-Fi发展前景 347
9.4 RFID原理及应用 349
9.4.1 RFID技术概况 349
9.4.2 RFID应用现状 350
9.4.3 RFID系统的基本组成 351
9.4.4 RFID系统的工作原理 353
9.4.5 RFID访问安全 354
9.4.6 应用实例 355
9.5 UWB原理及应用 357
9.5.1 UWB概况 357
9.5.2 UWB频谱规范 359
9.5.3 UWB调制方式 360
9.5.4 UWB与其他短距离线技术的比较 363
9.5.5 UWB的应用 363
9.5.6 UWB的发展前景 364
9.6 Wibree原理及应用 365
9.6.1 Wibree概况 365
9.6.2 低功耗蓝牙技术 366
9.6.3 低功耗蓝牙协议栈研究 366
9.7 小结 370
第10章 性能/功耗评估策略 371
10.1 低功耗设计方法 371
10.1.1 线传感器网络低功耗设计方法 372
10.1.2 单片机低功耗设计方法 376
10.1.3 低功耗硬件电路的主要设计方法 377
10.1.4 嵌入式软件的低功耗技术 380
10.2 功耗优化和分析工具 383
10.2.1 CMOS数字电路功耗优化和分析工具 383
10.2.2 数字电路系统级功耗优化和分析工具 387
10.2.3 数字电路算法功耗优化和分析工具 389
10.2.4 数字电路RTL级功耗优化和分析工具 390
10.2.5 数字电路门级功耗优化和分析工具 391
10.2.6 数字电路晶体管级功耗优化和分析工具 392
10.2.7 线网络路由协议功耗优化和分析工具 394
10.3 超低功耗评估策略 395
10.3.1 线网络低功耗设计策略研究 395
10.3.2 线网络动态电压调节(DVS)低功耗策略 399
10.3.3 动态电源策略设计 400
10.3.4 基于网络编码的数据分发策略 401
10.4 实用低功耗设计手段 402
10.4.1 软件技术低功耗设计手段 402
10.4.2 通用模拟电路仿真器低功耗设计手段 403
10.4.3 SimpleScalar模拟仿真器低功耗设计手段 405
10.4.4 动态电压调节算法低功耗设计手段 406
10.4.5 基于处理器和存储器协调的能量优化方法 408
10.4.6 时钟门控和功耗门控技术低功耗设计手段 409
10.4.7 Cache配置低功耗设计手段 410
10.4.8 嵌入式处理器TLB部件的低功耗设计手段 411
10.4.9 组合电路漏电低功耗设计手段 411
10.4.10 时序电路漏电低功耗设计手段 412
10.4.11 线网络终端节点传感器低功耗设计手段 414
10.5 小结 417
附录A 英文缩写名词对照表 418
参考文献 422
前言/序言
信息科学与工程系列专著:无线通信网络超低功耗技术 图书简介 在信息技术飞速发展的浪潮中,无线通信网络已然成为支撑现代社会运转的基石。从智能手机的普及到物联网的蓬勃兴起,再到5G乃至未来6G技术的演进,对通信速率、连接密度和可靠性的需求从未停止增长。然而,伴随而来的是日益严峻的能源消耗问题。传统的无线通信系统往往是能源的“大户”,其巨大的能耗不仅带来了高昂的运营成本,更对环境可持续性构成了严峻挑战。为了克服这一瓶颈,实现更广泛、更持久的无线连接,将超低功耗技术引入无线通信网络的设计与优化,已成为信息科学与工程领域最前沿、最具战略意义的研究方向之一。 本书《信息科学与工程系列专著:无线通信网络超低功耗技术》深入剖析了当前无线通信网络面临的功耗挑战,并系统性地介绍了一系列创新的超低功耗技术和策略。本书旨在为从事无线通信系统设计、网络规划、器件研发以及相关学术研究的工程师、研究人员和学生提供一个全面、深入的理论框架和实践指南。我们不仅关注单一技术节点的功耗优化,更着眼于从系统整体、网络协同的层面,探索更为高效的能源管理和利用之道。 核心内容概述 本书共分为多个章节,循序渐进地阐述了无线通信网络超低功耗技术的核心理念、关键技术和应用前景。 第一篇:无线通信网络功耗挑战与基本原理 第一章:引言与背景 详细阐述了无线通信网络在现代社会中的地位和作用,分析了其快速发展带来的功耗增长趋势。 深入探讨了功耗问题对网络部署、运营成本、环境影响以及未来通信技术发展(如海量物联网、边缘计算等)的制约。 明确了研究无线通信网络超低功耗技术的重要意义和紧迫性。 展望了本书将要介绍的主要内容和研究范式。 第二章:无线通信系统功耗分解与分析 对现有的无线通信系统(包括基站、终端设备、传输链路等)的典型功耗构成进行了详细的分解。 深入分析了射频前端、基带处理、电源管理、数据传输协议等各个环节的功耗来源和影响因素。 引入了能量效率、功耗密度等关键性能指标,并给出了量化的评估方法。 探讨了不同网络架构(如宏基站、微基站、分布式天线系统等)和不同通信技术(如4G、5G、Wi-Fi、Bluetooth等)在功耗特性上的差异。 第三章:信息论与通信能效 从信息论的视角,重新审视通信的能效问题。 介绍了香农-哈特利定理等基础理论,并探讨了在有限能量约束下如何实现最大信息传输速率。 讨论了信道编码、调制解调技术等如何影响通信的能量效率。 引入了信息论中的一些前沿概念,如能量效率容量、能量效率谱密度等,为理解和设计低功耗通信系统奠定理论基础。 第二篇:关键超低功耗技术 第四章:射频前端的低功耗设计 重点关注射频前端作为功耗大户的优化策略。 详细介绍了低功耗功率放大器(PA)的设计技术,包括基于效率提升的设计(如包络跟踪、Doherty PA)、基于低电压供电的设计以及新型半导体材料的应用。 探讨了低功耗低噪声放大器(LNA)、混频器、滤波器等射频器件的设计思路和优化方法。 介绍了天线技术的革新,如智能天线、可重构天线等在降低功耗方面的作用。 分析了射频前端模块化、集成化设计如何降低整体功耗。 第五章:基带处理与数字信号处理的低功耗优化 聚焦基带处理环节的功耗削减。 深入研究了低功耗数字信号处理器(DSP)的设计架构和指令集优化。 介绍了高效的算法设计,例如在信道估计、均衡、纠错解码等过程中如何采用计算量更小的算法。 讨论了功耗感知的资源分配与调度策略,如何在满足性能要求的前提下最小化计算资源的使用。 分析了硬件加速技术和可重构计算在降低基带处理功耗方面的潜力。 探讨了低功耗FPGA和ASIC在基带处理中的应用。 第六章:新兴通信体制的低功耗设计 深入研究了当前和未来通信技术中蕴含的低功耗创新。 低功耗广域网(LPWAN)技术: 详细介绍LoRa、NB-IoT、Sigfox等LPWAN技术的功耗优势,分析其在通信协议、数据传输方式、工作模式等方面的低功耗设计原理。 短距离低功耗通信技术: 探讨Bluetooth Low Energy (BLE)、Zigbee等技术的功耗优化特点,以及它们在物联网场景中的广泛应用。 新型调制与编码技术: 研究低功耗通信所需的特种调制方式(如BFSK, Chirp spread spectrum等)和编码方案,以及它们如何平衡数据速率与功耗。 能量收集与无线供电: 探索从环境中收集能量(如射频能量、太阳能、振动能等)并用于无线设备的无线供电技术,实现设备的“自给自足”,从而极大降低对传统电池的依赖。 第七章:网络层与协议栈的低功耗优化 将功耗优化从单点设备扩展到整个网络。 唤醒/休眠机制: 详细介绍各种智能的唤醒/休眠调度策略,包括基于时间、基于事件、基于预测的休眠机制,以及如何实现高效的唤醒同步。 数据传输优化: 研究如何通过数据压缩、聚合、边缘预处理等方式,减少无线传输的数据量,从而降低能耗。 路由协议优化: 探讨针对低功耗网络的路由协议设计,如能量感知的路由选择、多路径传输等。 网络协同与节能: 分析基站间的协同休眠、基站负载均衡、小区间干扰协调等网络层面的节能技术。 服务质量(QoS)与能耗的权衡: 研究如何在保证通信服务质量的同时,实现最优的能耗管理。 第八章:电源管理与能源效率提升 深入探讨高效的电源管理技术。 低功耗DC-DC转换器和LDO: 介绍高性能、低功耗电源管理集成电路(PMIC)的设计与选择。 动态电压与频率调整(DVFS): 详细阐述如何在不同工作负载下动态调整处理器的电压和频率,以实现功耗的最小化。 电池技术与管理: 探讨新型低功耗电池技术(如固态电池、微型电池等)的应用,以及智能电池管理系统(BMS)在延长设备续航中的作用。 能量存储与分配: 研究能量存储单元(如超级电容)的应用,以及如何根据实时能量可用性进行动态的能量分配。 第三篇:应用与展望 第九章:超低功耗技术在物联网(IoT)中的应用 重点分析超低功耗技术如何支撑大规模物联网部署。 智能家居与智能城市: 探讨在传感器网络、智能照明、环境监测等场景中的功耗优化方案。 工业物联网(IIoT): 分析在工业自动化、远程监控、设备管理等领域,低功耗通信和计算的需求与解决方案。 可穿戴设备与健康监测: 讨论在智能手表、健康追踪器等需要极低功耗和长续航的设备中的技术实现。 智慧农业与环境监测: 阐述在偏远地区和恶劣环境下,低功耗无线传感网络的部署与功耗管理。 第十章:超低功耗技术在未来通信网络中的挑战与机遇 展望下一代通信技术(如6G)对超低功耗技术提出的新要求。 通信与计算的融合: 探讨边缘智能、分布式AI等新兴应用场景对低功耗通信和处理能力的需求。 人工智能与机器学习在能效优化中的应用: 研究如何利用AI/ML技术对网络流量进行预测、优化资源调度、实现智能的休眠策略等。 新兴材料与器件: 探讨新型半导体材料(如GaN, Ga2O3)、超材料等在实现超低功耗方面的潜力。 可持续通信: 展望构建绿色、低碳、可持续发展的未来无线通信网络。 第十一章:结论与未来发展方向 总结本书提出的关键技术和方法。 归纳当前研究的不足和未来需要重点突破的方向。 为相关领域的研究者提供下一步的研究思路和建议。 再次强调超低功耗技术在推动信息科学与工程领域发展中的核心地位。 本书力求理论与实践相结合,通过深入的理论分析、翔实的案例研究以及对前沿技术趋势的洞察,为读者提供一个全面、系统的参考。我们相信,本书的出版将有助于推动无线通信网络在能效方面的进步,为构建更智能、更广泛、更可持续的互联世界贡献力量。