內容簡介
本專著主要結閤綫通信網絡,介紹瞭超低功耗的基本理論和技術、常用降低功耗的策略、超低功耗總綫編碼技術、微處理器超低功耗技術、嵌入式係統超低功耗技術、綫傳感網絡超低功耗技術、WMN網絡超低功耗技術、擴頻通信係統超低功耗技術和其他短距離綫通信超低功耗技術及性能/功耗評估策略。
作者簡介
柴遠波,現為黃河科技學院信息工程研究所所長/教授。中國綫通信標準研究組成員;《電子學報》審稿專傢;《信息技術研究》編輯部主任。作為項目負責人與項目骨乾以及主要研發人員承擔和參與瞭多個重大項目、課題的研發工作,其中3項為國傢科技攻關重中之重項目和863計劃項目,1項産業化項目和1項軍隊攻關項目。獲省部級科技進步奬多項,目前承擔河南省傑齣青年科學基金項目“3G-1x EVDO反嚮鏈路速率控製問題研究”,項目編號074100510023。
目錄
第1章 超低功耗的基本理論 1
1.1 綫通信網絡技術概況 1
1.1.1 綫通信網絡技術的發展曆程 1
1.1.2 蜂窩通信的革命 2
1.1.3 全球蜂窩網絡 3
1.1.4 寬帶 4
1.1.5 未來趨勢 5
1.1.6 綫技術中的問題 6
1.2 綫通信網絡超低功耗的基本概念 6
1.3 功耗産生的原因 7
1.3.1 CMOS 電路的功耗 8
1.3.2 集成電路中的問題 12
1.4 與功耗有關的其他因素 13
1.4.1 拓撲控製 13
1.4.2 功率控製 14
1.5 超低功耗設計的必要性 17
1.6 超低功耗設計的特點 18
1.7 元件工藝的低功耗 20
1.8 降低功耗的措施 21
1.8.1 硬件低功耗和軟件低功耗技術 21
1.8.2 功率控製 23
1.9 小結 25
第2章 降低功耗的策略 26
2.1 係統節能的機製 26
2.1.1 SoC不同層次的低功耗設計 28
2.1.2 低功耗設計的主要方法 28
2.1.3 寄存器級低功耗設計的主要方法 29
2.2 電路級 30
2.2.1 功耗産生的原因 30
2.2.2 與係統功耗有關的因素 30
2.2.3 降低功耗的措施 31
2.2.4 低耗能硬件設計 33
2.2.5 在集成電路設計中采用低功耗電路結構 36
2.3 邏輯級 38
2.3.1 功耗估計的原理 38
2.3.2 功耗模型定義 40
2.3.3 SoC在邏輯級上的低功耗設計 44
2.4 體係結構級 44
2.4.1 體係結構層低功耗技術 45
2.4.2 一些重要的體係結構層低功耗技術 45
2.4.3 部件使用的局部化 47
2.5 軟件低功耗 49
2.5.1 低功耗編譯優化技術 49
2.5.2 傳統編譯優化技術對功耗的優化 51
2.5.3 動態電壓調節算法 52
2.5.4 軟件低功耗設計 54
2.5.5 便攜式産品通過軟件降低功耗的方法 55
2.5.6 軟件能量模型 58
2.5.7 基於多核體係結構的軟件能量優化方法 60
2.5.8 利用軟件降低3G手機功耗 61
2.5.9 利用數字電源係統管理降低數據中心的功耗 63
2.5.10 多軌闆級電源係統 64
2.5.11 用於數字電源係統管理的控製接口 65
2.6 小結 65
第3章 超低功耗總綫編碼技術 66
3.1 總綫低功耗技術概述 66
3.1.1 總綫低功耗技術 66
3.1.2 簡化的總綫能耗模型 72
3.2 常用的總綫低功耗技術 73
3.2.1 如何降低總綫功耗 73
3.2.2 降低總綫功耗的方法 74
3.3 超低功耗總綫編碼 76
3.3.1 深亞微米總綫模型 76
3.3.2 降低功耗方麵的編碼技術 79
3.3.3 降低串擾影響方麵的低功耗編碼技術 87
3.3.4 差錯控製編碼技術 93
3.3.5 統一總綫編碼 96
3.4 總綫的編碼效果 99
3.4.1 傳統E/O BI編碼應用 99
3.4.2 針對AHB總綫的混閤型低功耗總綫編碼方案及硬件實現 101
3.4.3 針對AXI總綫的低功耗總綫編碼方案及硬件實現 103
3.5 小結 105
第4章 微處理器超低功耗技術 106
4.1 微處理器超低功耗的基本理論 106
4.1.1 微處理器超低功耗設計的背景和意義 106
4.1.2 超低功耗設計的必要性 107
4.1.3 超低功耗設計的發展趨勢 108
4.1.4 超低功耗微處理器的發展 110
4.2 集成電路功耗的來源 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 嵌入式處理器TLB部件的低功耗設計 125
4.4.2 FPGA的低功耗方法 129
4.4.3 SoC低功耗的設計 132
4.4.4 VLSI 的低功耗技術研究 138
4.5 小結 141
第5章 嵌入式係統超低功耗技術 142
5.1 功耗問題 142
5.1.1 限製芯片性能的改善 142
5.1.2 提高芯片製造成本 143
5.1.3 降低係統可靠性 143
5.1.4 增加係統執行成本 143
5.1.5 影響電池供電時間 143
5.2 集成電路低功耗技術 144
5.2.1 集成電路功耗分析 144
5.2.2 集成電路低功耗設計技術 145
5.3 嵌入式係統低功耗技術 148
5.3.1 低功耗硬件和體係結構技術 150
5.3.2 嵌入式係統低功耗軟件技術 152
5.3.3 嵌入式處理器低功耗設計 154
5.3.4 外圍設備低功耗設計 160
5.3.5 嵌入式軟件低功耗設計 163
5.4 動態功耗管理 164
5.4.1 動態電源管理(DPM) 164
5.4.2 動態電壓調節(DVS) 173
5.4.3 DVS與DPM的比較 175
5.5 處理器功耗評估方法 175
5.5.1 結構級的功耗評估方法 176
5.5.2 指令集功耗評估方法 178
5.5.3 RTL級和電路級功耗評估方法 179
5.6 小結 180
第6章 綫傳感器網絡超低功耗技術 181
6.1 綫傳感器網絡概述 181
6.1.1 綫傳感器網絡的發展及應用前景 181
6.1.2 綫傳感器網絡麵臨的能耗問題 183
6.1.3 綫傳感器網絡(WSN)結構 184
6.1.4 綫傳感器網絡的特點 186
6.2 綫傳感器網絡節點能耗分析 187
6.2.1 能耗影響因素 188
6.2.2 能耗分析 189
6.3 超低功耗的策略 190
6.3.1 硬件係統的超低功耗策略 190
6.3.2 軟件設計中的超低功耗策略 193
6.3.3 節能機製分析 197
6.3.4 典型休眠節能協議 198
6.4 典型WSN節點係統構成與分析 210
6.4.1 典型WSN節點介紹 210
6.4.2 典型WSN節點硬件平颱的組成 212
6.4.3 節點性能與功耗的關係 217
6.5 超低功耗評判依據 218
6.5.1 超低功耗係列微控製器的功耗分析 218
6.5.2 環境能量補給技術現狀 219
6.5.3 節點的使用壽命 220
6.5.4 通信模塊功耗的特殊性 220
6.5.5 超低功耗的評判準則 221
6.6 WSN電能收集簡介 221
6.7 小結 222
第7章 WMN網絡超低功耗技術 223
7.1 WMN網絡超低功耗概念 223
7.1.1 什麼是WMN 224
7.1.2 綫網狀網的現狀與發展 225
7.1.3 網狀節點與WMN體係結構 225
7.1.4 WMN的主要特徵 226
7.1.5 WMN將為寬帶應用帶來重大變革 227
7.2 WMN網絡超低功耗策略 228
7.2.1 綫Mesh網絡 228
7.2.2 WMN係統組成分析 228
7.2.3 能耗分析與節能策略 229
7.2.4 設計WMN路由協議 231
7.2.5 WMN路由結構 232
7.2.6 路由技術的概念 233
7.2.7 Internet路由協議 233
7.2.8 Ad hoc網絡路由協議 233
7.2.9 WMN路由協議 234
7.3 WMN高性能路由協議 235
7.3.1 TBR協議 236
7.3.2 綫Mesh網絡 237
7.3.3 綫Mesh網絡的研究現狀 238
7.3.4 機會路由協議 243
7.3.5 有嚮雙嚮非對稱鏈路質量路由協議 245
7.3.6 綫Mesh網絡中的跨層路由 246
7.3.7 WRP協議 249
7.3.8 算法分析和比較 253
7.3.9 綫Mesh路由算法――SQOR 256
7.4 認知綫網絡功率控製技術 256
7.4.1 功率控製概述 257
7.4.2 移動通信中的功率控製 258
7.4.3 TD-LTE係統的功率控製 261
7.4.4 TD-LTE功率控製的特點 262
7.4.5 功率控製技術的意義 263
7.4.6 功率控製的分類及介紹 264
7.4.7 控製的組級分類 266
7.4.8 多速率技術與功率控製技術之間的製約關係 267
7.5 WMN網絡休眠與激活 269
7.5.1 外部傳感器/儀錶電源管理 271
7.5.2 同步休眠 273
7.5.3 混閤休眠 276
7.5.4 功耗估算 278
7.5.5 異步喚醒過程功耗估算 279
7.5.6 一種改進的綫通信係統喚醒方法 280
7.6 小結 289
第8章 擴頻通信係統超低功耗技術(3G/4G) 290
8.1 功耗的影響 290
8.2 綫通信網節能管理綜述 293
8.2.1 綫通信網節能管理框架 293
8.2.2 節能觸發和恢復策略研究現狀及存在的問題 298
8.2.3 綫通信網能耗組成研究現狀及存在的問題 299
8.3 基於覆蓋定義信號功率調整的自主節能管理機製 300
8.3.1 概論 300
8.3.2 基於CD信號功率調整的自主集中式節能管理機製 301
8.4 節能 304
8.4.1 節能優化的數學模型 304
8.4.2 基於改進模擬退火的求解方法 305
8.4.3 節能機製的有效性評估 308
8.5 基於業務信道功率調整的自主節能管理機製 309
8.5.1 SEM-TC功能架構及流程 310
8.5.2 基於業務信道功率的綫通信網能耗模型 312
8.5.3 局部OP補償方法 313
8.5.4 節能的優化數學模型 314
8.6 基於多參數聯閤調整的自主節能管理機製 315
8.6.1 SEM-MP功能架構、流程、關鍵技術分析 316
8.6.2 區域化的基站狀態確定方法 316
8.6.3 節能的優化數學模型 317
8.6.4 基於高效粒子群的求解方法 318
8.7 基於幾何拓撲的多階段分布式自主節能機製 320
8.8 基於幾何拓撲的分布式自主節能管理機製 321
8.9 異構網絡局部覆蓋補償方法分析 324
8.10 未來的研究工作 329
8.11 小結 329
第9章 其他短距離綫通信超低功耗技術 330
9.1 ZigBee原理及應用 331
9.1.1 ZigBee簡介 331
9.1.2 ZigBee網絡拓撲結構 331
9.1.3 ZigBee技術的特點 332
9.1.4 ZigBee協議棧體係結構 333
9.1.5 ZigBee網絡的應用 335
9.1.6 ZigBee的實際應用 336
9.2 Z-Wave原理及應用 336
9.2.1 Z-Wave簡介 336
9.2.2 Z-Wave的技術特點 337
9.2.3 Z-Wave協議體係結構分析 338
9.2.4 Z-Wave協議的體係結構和網絡控製節點 340
9.2.5 應用實例 342
9.2.6 發展前景 343
9.3 Wi-Fi原理及應用 343
9.3.1 Wi-Fi概況 343
9.3.2 Wi-Fi網絡基本架構 344
9.3.3 Wi-Fi網絡中通過規避乾擾來提升網絡容量的方法 346
9.3.4 Wi-Fi發展前景 347
9.4 RFID原理及應用 349
9.4.1 RFID技術概況 349
9.4.2 RFID應用現狀 350
9.4.3 RFID係統的基本組成 351
9.4.4 RFID係統的工作原理 353
9.4.5 RFID訪問安全 354
9.4.6 應用實例 355
9.5 UWB原理及應用 357
9.5.1 UWB概況 357
9.5.2 UWB頻譜規範 359
9.5.3 UWB調製方式 360
9.5.4 UWB與其他短距離綫技術的比較 363
9.5.5 UWB的應用 363
9.5.6 UWB的發展前景 364
9.6 Wibree原理及應用 365
9.6.1 Wibree概況 365
9.6.2 低功耗藍牙技術 366
9.6.3 低功耗藍牙協議棧研究 366
9.7 小結 370
第10章 性能/功耗評估策略 371
10.1 低功耗設計方法 371
10.1.1 綫傳感器網絡低功耗設計方法 372
10.1.2 單片機低功耗設計方法 376
10.1.3 低功耗硬件電路的主要設計方法 377
10.1.4 嵌入式軟件的低功耗技術 380
10.2 功耗優化和分析工具 383
10.2.1 CMOS數字電路功耗優化和分析工具 383
10.2.2 數字電路係統級功耗優化和分析工具 387
10.2.3 數字電路算法功耗優化和分析工具 389
10.2.4 數字電路RTL級功耗優化和分析工具 390
10.2.5 數字電路門級功耗優化和分析工具 391
10.2.6 數字電路晶體管級功耗優化和分析工具 392
10.2.7 綫網絡路由協議功耗優化和分析工具 394
10.3 超低功耗評估策略 395
10.3.1 綫網絡低功耗設計策略研究 395
10.3.2 綫網絡動態電壓調節(DVS)低功耗策略 399
10.3.3 動態電源策略設計 400
10.3.4 基於網絡編碼的數據分發策略 401
10.4 實用低功耗設計手段 402
10.4.1 軟件技術低功耗設計手段 402
10.4.2 通用模擬電路仿真器低功耗設計手段 403
10.4.3 SimpleScalar模擬仿真器低功耗設計手段 405
10.4.4 動態電壓調節算法低功耗設計手段 406
10.4.5 基於處理器和存儲器協調的能量優化方法 408
10.4.6 時鍾門控和功耗門控技術低功耗設計手段 409
10.4.7 Cache配置低功耗設計手段 410
10.4.8 嵌入式處理器TLB部件的低功耗設計手段 411
10.4.9 組閤電路漏電低功耗設計手段 411
10.4.10 時序電路漏電低功耗設計手段 412
10.4.11 綫網絡終端節點傳感器低功耗設計手段 414
10.5 小結 417
附錄A 英文縮寫名詞對照錶 418
參考文獻 422
前言/序言
信息科學與工程係列專著:無綫通信網絡超低功耗技術 圖書簡介 在信息技術飛速發展的浪潮中,無綫通信網絡已然成為支撐現代社會運轉的基石。從智能手機的普及到物聯網的蓬勃興起,再到5G乃至未來6G技術的演進,對通信速率、連接密度和可靠性的需求從未停止增長。然而,伴隨而來的是日益嚴峻的能源消耗問題。傳統的無綫通信係統往往是能源的“大戶”,其巨大的能耗不僅帶來瞭高昂的運營成本,更對環境可持續性構成瞭嚴峻挑戰。為瞭剋服這一瓶頸,實現更廣泛、更持久的無綫連接,將超低功耗技術引入無綫通信網絡的設計與優化,已成為信息科學與工程領域最前沿、最具戰略意義的研究方嚮之一。 本書《信息科學與工程係列專著:無綫通信網絡超低功耗技術》深入剖析瞭當前無綫通信網絡麵臨的功耗挑戰,並係統性地介紹瞭一係列創新的超低功耗技術和策略。本書旨在為從事無綫通信係統設計、網絡規劃、器件研發以及相關學術研究的工程師、研究人員和學生提供一個全麵、深入的理論框架和實踐指南。我們不僅關注單一技術節點的功耗優化,更著眼於從係統整體、網絡協同的層麵,探索更為高效的能源管理和利用之道。 核心內容概述 本書共分為多個章節,循序漸進地闡述瞭無綫通信網絡超低功耗技術的核心理念、關鍵技術和應用前景。 第一篇:無綫通信網絡功耗挑戰與基本原理 第一章:引言與背景 詳細闡述瞭無綫通信網絡在現代社會中的地位和作用,分析瞭其快速發展帶來的功耗增長趨勢。 深入探討瞭功耗問題對網絡部署、運營成本、環境影響以及未來通信技術發展(如海量物聯網、邊緣計算等)的製約。 明確瞭研究無綫通信網絡超低功耗技術的重要意義和緊迫性。 展望瞭本書將要介紹的主要內容和研究範式。 第二章:無綫通信係統功耗分解與分析 對現有的無綫通信係統(包括基站、終端設備、傳輸鏈路等)的典型功耗構成進行瞭詳細的分解。 深入分析瞭射頻前端、基帶處理、電源管理、數據傳輸協議等各個環節的功耗來源和影響因素。 引入瞭能量效率、功耗密度等關鍵性能指標,並給齣瞭量化的評估方法。 探討瞭不同網絡架構(如宏基站、微基站、分布式天綫係統等)和不同通信技術(如4G、5G、Wi-Fi、Bluetooth等)在功耗特性上的差異。 第三章:信息論與通信能效 從信息論的視角,重新審視通信的能效問題。 介紹瞭香農-哈特利定理等基礎理論,並探討瞭在有限能量約束下如何實現最大信息傳輸速率。 討論瞭信道編碼、調製解調技術等如何影響通信的能量效率。 引入瞭信息論中的一些前沿概念,如能量效率容量、能量效率譜密度等,為理解和設計低功耗通信係統奠定理論基礎。 第二篇:關鍵超低功耗技術 第四章:射頻前端的低功耗設計 重點關注射頻前端作為功耗大戶的優化策略。 詳細介紹瞭低功耗功率放大器(PA)的設計技術,包括基於效率提升的設計(如包絡跟蹤、Doherty PA)、基於低電壓供電的設計以及新型半導體材料的應用。 探討瞭低功耗低噪聲放大器(LNA)、混頻器、濾波器等射頻器件的設計思路和優化方法。 介紹瞭天綫技術的革新,如智能天綫、可重構天綫等在降低功耗方麵的作用。 分析瞭射頻前端模塊化、集成化設計如何降低整體功耗。 第五章:基帶處理與數字信號處理的低功耗優化 聚焦基帶處理環節的功耗削減。 深入研究瞭低功耗數字信號處理器(DSP)的設計架構和指令集優化。 介紹瞭高效的算法設計,例如在信道估計、均衡、糾錯解碼等過程中如何采用計算量更小的算法。 討論瞭功耗感知的資源分配與調度策略,如何在滿足性能要求的前提下最小化計算資源的使用。 分析瞭硬件加速技術和可重構計算在降低基帶處理功耗方麵的潛力。 探討瞭低功耗FPGA和ASIC在基帶處理中的應用。 第六章:新興通信體製的低功耗設計 深入研究瞭當前和未來通信技術中蘊含的低功耗創新。 低功耗廣域網(LPWAN)技術: 詳細介紹LoRa、NB-IoT、Sigfox等LPWAN技術的功耗優勢,分析其在通信協議、數據傳輸方式、工作模式等方麵的低功耗設計原理。 短距離低功耗通信技術: 探討Bluetooth Low Energy (BLE)、Zigbee等技術的功耗優化特點,以及它們在物聯網場景中的廣泛應用。 新型調製與編碼技術: 研究低功耗通信所需的特種調製方式(如BFSK, Chirp spread spectrum等)和編碼方案,以及它們如何平衡數據速率與功耗。 能量收集與無綫供電: 探索從環境中收集能量(如射頻能量、太陽能、振動能等)並用於無綫設備的無綫供電技術,實現設備的“自給自足”,從而極大降低對傳統電池的依賴。 第七章:網絡層與協議棧的低功耗優化 將功耗優化從單點設備擴展到整個網絡。 喚醒/休眠機製: 詳細介紹各種智能的喚醒/休眠調度策略,包括基於時間、基於事件、基於預測的休眠機製,以及如何實現高效的喚醒同步。 數據傳輸優化: 研究如何通過數據壓縮、聚閤、邊緣預處理等方式,減少無綫傳輸的數據量,從而降低能耗。 路由協議優化: 探討針對低功耗網絡的路由協議設計,如能量感知的路由選擇、多路徑傳輸等。 網絡協同與節能: 分析基站間的協同休眠、基站負載均衡、小區間乾擾協調等網絡層麵的節能技術。 服務質量(QoS)與能耗的權衡: 研究如何在保證通信服務質量的同時,實現最優的能耗管理。 第八章:電源管理與能源效率提升 深入探討高效的電源管理技術。 低功耗DC-DC轉換器和LDO: 介紹高性能、低功耗電源管理集成電路(PMIC)的設計與選擇。 動態電壓與頻率調整(DVFS): 詳細闡述如何在不同工作負載下動態調整處理器的電壓和頻率,以實現功耗的最小化。 電池技術與管理: 探討新型低功耗電池技術(如固態電池、微型電池等)的應用,以及智能電池管理係統(BMS)在延長設備續航中的作用。 能量存儲與分配: 研究能量存儲單元(如超級電容)的應用,以及如何根據實時能量可用性進行動態的能量分配。 第三篇:應用與展望 第九章:超低功耗技術在物聯網(IoT)中的應用 重點分析超低功耗技術如何支撐大規模物聯網部署。 智能傢居與智能城市: 探討在傳感器網絡、智能照明、環境監測等場景中的功耗優化方案。 工業物聯網(IIoT): 分析在工業自動化、遠程監控、設備管理等領域,低功耗通信和計算的需求與解決方案。 可穿戴設備與健康監測: 討論在智能手錶、健康追蹤器等需要極低功耗和長續航的設備中的技術實現。 智慧農業與環境監測: 闡述在偏遠地區和惡劣環境下,低功耗無綫傳感網絡的部署與功耗管理。 第十章:超低功耗技術在未來通信網絡中的挑戰與機遇 展望下一代通信技術(如6G)對超低功耗技術提齣的新要求。 通信與計算的融閤: 探討邊緣智能、分布式AI等新興應用場景對低功耗通信和處理能力的需求。 人工智能與機器學習在能效優化中的應用: 研究如何利用AI/ML技術對網絡流量進行預測、優化資源調度、實現智能的休眠策略等。 新興材料與器件: 探討新型半導體材料(如GaN, Ga2O3)、超材料等在實現超低功耗方麵的潛力。 可持續通信: 展望構建綠色、低碳、可持續發展的未來無綫通信網絡。 第十一章:結論與未來發展方嚮 總結本書提齣的關鍵技術和方法。 歸納當前研究的不足和未來需要重點突破的方嚮。 為相關領域的研究者提供下一步的研究思路和建議。 再次強調超低功耗技術在推動信息科學與工程領域發展中的核心地位。 本書力求理論與實踐相結閤,通過深入的理論分析、翔實的案例研究以及對前沿技術趨勢的洞察,為讀者提供一個全麵、係統的參考。我們相信,本書的齣版將有助於推動無綫通信網絡在能效方麵的進步,為構建更智能、更廣泛、更可持續的互聯世界貢獻力量。