Типовое измерение энергопотребления компонентов беспроводной системы с целью оптимального выбора не даёт разработчику полного представления о том, насколько хорошо в том или ином решении минимизирован расход энергии. В статье обсуждается вопрос о том, как, повысив надёжность системы, снизить потребляемую мощность. Статья представляет собой перевод [1].
Беспроводные встраиваемые системы находят всё большее применение в промышленности, коммерции, в решениях по автоматизации домов, а также в потребительской, медицинской и даже сельскохозяйственной технике. Энергопотребление является важным, а во многих случаях и определяющим требованием этих приложений с низкой скоростью передачи данных.
Измерение потребляемой энергии встраиваемой беспроводной системой не сводится к суммированию расхода мощности каждой из её частей. Несмотря на то, что этот типовой метод применялся при выборе и сравнении компонентов для конкретного приложения, он не годится для реальной оценки того, как эти компоненты будут взаимодействовать и работать как единая система. В каждом конкретном случае необходимо понять, как беспроводное решение способствует минимизации энергопотребления. Часто пренебрегаемым, но важным параметром системы является надёжность, которая способствует снижению мощности, потребляемой беспроводной системой. В этом смысле надёжность определяется как мера способности приложения передавать данные из точки А в точку Б с первой же попытки. В статье обсуждается вопрос о том, как связаны надёжность и потребляемая мощность встраиваемых беспроводных приложений, а также как оптимизировать эти характеристики.
Наиболее дорогостоящей частью, если говорить о потреблении энергии, в большинстве встраиваемых беспроводных приложений является блок приёмопередатчика. В настоящее время на рынке предлагается множество компонентов приёмопередатчика, которые имеют схожие значения номинальной мощности в диапазоне 20…30 мА. Однако если разработчик остановит свой выбор на компонентах с самым низким значением номинальной мощности, он рискует обойти вниманием более важный параметр — надёжность. Чем же он так важен? Для маломощного приложения, в котором на учёте каждый микроампер или миллиампер, надёжность является единственным наиболее важным параметром, определяющим то, насколько часто система будет находиться в активном состоянии и состоянии пониженного потребления (режиме сна). Таким образом, чем выше надёжность, тем ниже расходуемая энергия. Идеальная беспроводная система передаёт набор данных из точки А в Б один раз и с максимально возможной скоростью. Разумеется, ни одна система не функционирует так всё время: из-за помех или недостаточно сильного сигнала, который требуется передать в отдалённые пункты, ей приходится повторно передавать данные.
Беспроводные системы имеют следующие специальные характеристики, позволяющие определить надёжность: используемый ВЧ-диапазон связи; чувствительность приёмника, измеряемая как отношение мощности в децибелах к 1 мВт, дБм; выходная мощность сигнала, дБм; возможность быстрой перестройки ВЧ, позволяющая избежать помех в ВЧ-диапазоне и функционально зависяющая от размера ВЧ-канала и количества доступных каналов, и, наконец, помехозащищённость — способность поддерживать связь в заданном канале несмотря на помехи (т.н. эффективность кодирования, дБм).
Используемый ВЧ-спектр зависит от окружающей среды в силу физической природы волн и является одной из переменных в уравнении надёжности. Чем ниже частота волны, тем больше её длина и меньше степень поглощения материалами, обычно применяемыми в производстве, например жидкостями и железобетоном. Радиодиапазон и его использование регулируется правительством, чтобы свести к минимуму взаимодействие сигналов с другими беспроводными сетями. Лишь некоторая часть спектра зарезервирована на основе международных соглашений для нелицензированного использования — это т.н. индустриальный, научный и медицинский диапазон (ISM — Industrial, Scientific, Medical), занимающий полосу частот от 2400 до 2483,5 МГц в США и Европе и от 2471 до 2497 МГц в Японии. На этой частоте волны малой длины быстро поглощаются существующей окружающей средой промышленных сетей, что заставляет разработчиков обратиться к другим параметрам для измерения надёжности системы.
Чувствительность приёмника, выходную мощность и помехозащищённость можно измерять совокупно, используя более важный показатель надёжности — энергетический потенциал линии связи. Таким образом, чем больше эти три составляющие, тем выше энергетический потенциал линии связи и тем меньше на беспроводную систему влияют эффект поглощения и помехи, а значит, выше надёжность.
Чувствительность приёмника и выходная мощность являются дискриминаторами на компонентном уровне, которые можно легко оценить и сравнить. Помехозащищённость способствует повышению живучести беспроводного приёмопередатчика. Одной из часто применяемых технологий в настоящее время, позволяющих улучшить эту функцию, является модуляция DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum — расширение спектра методом прямой последовательности).
DSSS-модуляция — метод прямого исправления ошибок в передающемся сигнале, сводящий к минимуму потери данных из-за наложения сигналов. В частности, метод DSSS кодирует набор данных в поток битов большего размера на основе псевдослучайного кода, используемого передатчиком и приёмником. Например, на рисунке 1 8 битов данных кодируются в 32 элементарных посылки , т.е. 4 посылки эквивалентны 1 биту. Затем эти посылки модулируются в ВЧ-сигнал и передаются. Приёмник демодулирует их из принятого сигнала и реверсирует DSSS-схему кодирования. Даже несмотря на ошибки при демодуляции, вызванные шумом сигнала или наложением, имеется возможность восстановить изначальные данные.
Рис. 1. Расширение спектра методом прямой последовательности (DSSS)
|
Наконец, возможность быстрой перестройки ВЧ позволяет повысить надёжность за счёт скачкообразной перестройки частоты или перемещения в пределах ВЧ-спектра, чтобы избежать помех. Чем большей свободой обладает решение, тем лучше оно приспособлено для работы в незанятом другими источниками сигналов спектре и меньше подвержено влиянию помех. К числу технологий быстрой подстройки частоты, применяемых в настоящее время, относятся псевдослучайные или алгоритмические схемы перехода, которые позволяют непрерывно перемещаться по спектру, сводя к минимуму помехи, а также интеллектуальные схемы перехода только в случае необходимости (см. рис. 2).
Рис. 2. Переключение каналов
|
С точки зрения обеспечения надёжности, недостаток первой схемы быстрой перестройки состоит в непреднамеренных перескоках на участки ВЧ-спектра с большим уровнем шума, тогда как в интеллектуальных системах обнаруживается тихий участок, и переходы прекращаются. Независимо от применяемой схемы, быстрая перестройка ВЧ в равной мере является функцией используемого ВЧ-спектра и размера канала. В зависимости от используемого ВЧ-спектра, имеется большее или меньшее пространство для манёвра.
Например, системы, работающие на меньших частотах, имеют меньшее пространство из-за ограничений на распределение частот. У 2,4-ГГц решений ширина доступного спектра составляет около 100 МГц, в то время как у 900-МГц эта ширина приблизительно равна 26 МГц. Размер канала — ещё один главный фактор при определении возможности быстрой ВЧ-перестройки: чем меньше этот размер и больше пространство для перестройки в данном спектре, тем лучше эта возможность, а также способность избежать помех и настроиться на требуемую частоту между двумя источниками помех. Например, беспроводные 2,4-ГГц решения на основе стандарта 802.15.4, как правило, имеют ширину полосы 5 МГц и только 16 доступных каналов, тогда как у решений с шириной полосы 1 МГц обычно доступны 80 каналов, что обеспечивает большую возможность совершить перескок и избежать помех.
Следовательно, надёжность качественно представляет собой сумму энергетического потенциала линии связи и возможности быстрой перестройки частоты по отношению к используемому ВЧ-спектру. Чем больше этот потенциал и выше способность перестройки частоты, тем надёжнее то или иное беспроводное решение в одном и том же частотном диапазоне. Несмотря на то, что некая система может быть оптимизирована для определённой окружающей среды, например функционировать на низкой частоте на заводе с большим числом водопроводных труб, эта система проиграет решению с более высокими рабочими частотами из-за того, что у него энергетический потенциал линии связи и возможность быстрой перестройки частоты повышены до максимального значения. Таким образом, при сравнении беспроводных решений необходимо, в конце концов, сравнивать методы, позволяющие максимально увеличить время сна системы и снизить дорогостоящие энергорасходы.
Ещё одним важным фактором расчёта встраиваемых беспроводных систем является энергоэффективность — мера по минимизации потребления мощности: чем выше эта эффективность, тем меньше расходуемая энергия. Высоконадёжная система, находящаяся большее время в спящем режиме, обладает большей энергоэффективностью, чем та, которая меньше расходует энергии на приём и передачу сигнала, но обладает меньшей надёжностью, т.к. реже находится в спящем режиме. Следовательно, надёжность является главным показателем того, насколько действительно энергоэффективна система.
Механизмы обеспечения надёжности и энергоэффективности в своей совокупности позволяют максимально снизить расход энергии. Помимо них существуют и другие методы увеличения энергоэффективности, минимально сказывающиеся на надёжности системы. К их числу относятся такие режимы системы как активный канал и управление энергопотреблением, которые управляют динамическими скоростями передачи данных и уровнями выходной мощности. Решение, в котором расходуемая впустую выходная мощность понижается до такого минимального значения, при котором ещё обеспечивается связь, не только надёжное, но и энергоэффективное. Новизна этих хорошо известных энергосберегающих технологий в том, что они действительно минимизируют потребление энергии системой.
Таким образом, надёжность является главным показателем того, насколько решение энергоэффективно и как его можно оптимизировать, чтобы максимально увеличить время пребывания системы в режиме сна и свести к минимуму время активного состояния. Наконец, в статье ясно показано, как стандартные методы сравнения технических характеристик компонентов не работают при учёте таких функций системного уровня как энергоэффективность и надёжность. Несмотря на то, что измерение расхода энергии компонентами системы является стандартным методом сравнения беспроводных решений, разработчики не получают полного представления о том, насколько эффективно конкретное решение минимизирует расход энергии системой. Например, высоконадёжная система, которая большую часть времени проводит в режиме сна, обладает большей энергоэффективностью, чем те системы, которые затрачивают меньше мощности на приём-передачу сигнала, но отличаются меньшей надёжностью. Так происходит потому, что эти системы меньшее время находятся в режиме спячки и больше времени затрачивают на повторную передачу сигнала, т.е. больше пребывают в активном режиме.