Надёжность и энергопотребление встраиваемых беспроводных приложений


PDF версия

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.

Связь между надёжностью и энергопотреблением

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.

Оптимизация надёжности и энергоэффективности

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.

Заключение

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.

Литература
1. Jim Davis, Reliability vs. power in embedded wireless applications: What datasheets don’t say//www.cypress.com/?rID=35401.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *