低功耗通信系统中的传输能效优化研究

2024-05-17董国权

通信电源技术 2024年6期

董国权

（日海通信服务有限公司，广东广州 510000）

0 引言

低功耗通信作为一种新兴的通信技术，通过优化发射功率、调制编码方案、硬件电路以及网络协议等手段，实现比传统通信系统更高的传输能效[1]。文章主要研究低功耗通信系统的概念、特点及传输能效优化技术，通过仿真实验对比验证所提出方案的有效性，为低功耗通信系统的传输能效进一步优化提供理论依据。

1 低功耗通信系统的概念及特点

低功耗通信系统指能够在极低的功耗条件下进行数据传输与交互的无线通信系统。与传统移动通信系统相比，低功耗通信系统具有发射功率低、抗干扰能力强等特点。其中，传输功率可降至毫瓦量级，远低于现有蜂窝移动通信的发射功率；强噪声环境下的抗干扰能力强，可以保持可靠连接，从而延长设备工作周期。这主要归因于低功耗通信系统采用调制编码技术，如低密度奇偶校验码、Turbo 码以及低密度生成矩阵码等，可在极低信噪比条件下实现理想的误码性能，同时频谱扩散技术的使用增强了抵抗窄带干扰的能力[2]。此外，低功耗通信系统普遍采用基于IEEE 802.15.4 标准的网络协议栈，其中链接层与网络层协议进行深度优化，用于短距离低速率通信的异频网络技术可有效避免其他无线系统的干扰，从而减少再传次数，降低系统能耗。在接收机方面，低功耗通信系统广泛使用超低功耗互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）射频收发器，可实现深度睡眠模式，单片收发器的功耗仅为数微瓦。

2 低功耗通信系统中的传输能效优化技术构建

2.1 系统级能效分析与建模

为构建能够精确反映低功耗特性的系统级能效模型，搭建一个完整的从比特流到射频信号的端对端通信链路模型。

在发送端，选用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）调制技术，并细致地构建快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）模块的时序数学模型，详尽阐述子载波调制、解调以及串并转换的过程。此外，需要确立低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）编码器模型，该模型涵盖码字的随机生成机制、校验和计算方法以及码率适配算法。在频率域方面，运用Volterra 级数来精确模拟功率放大器的非线性行为，包括幅度到幅度的调制失真（Amplitude Modulation to Amplitude Modulation distortion，AM-AM）和幅度调制到相位调制失真（Amplitude Modulation to Phase Modulation distortion，AM-PM）特性曲线。而在信道建模阶段，则依据实际应用场景，采用RAYLEIGH信道模型来体现无线通信中的路径损耗和多径传播效应。

在接收端，建立相应的OFDM 解调器模型，还原发送端的处理过程，并配备相应的LDPC 译码器模型，确保信息的有效解码。此外，建立关键的时钟与载波同步恢复模块以确保正确解调[3]。通过借助MATLAB/Simulink 这类仿真工具，可以实现端到端的完整调制、编码、解码流程的仿真，并在此过程中动态评估在不同参数配置下系统的误码率和能耗表现。一旦获得仿真结果，就可以引入设计可变控制接口的理念，根据实时变化的信道条件和业务需求，灵活切换通信模式和调整参数设定，确保通信质量的同时最大限度地降低总体能耗。

2.2 硬件设计与优化

为进一步优化低功耗通信系统的硬件电路以实现超低功耗，可以从发射端、接收端和射频组件3 个方面进行硬件电路的构建与设计。在发射端数字基带电路，采用时钟门控技术，利用数据处理的时域特性，在非工作状态时切断时钟信号，实现逻辑门电路的动态休眠，大幅降低静态功耗。同时，通过电压可缩放的寄存器电路结构实时调整门控电压，以匹配处理器运算量，降低动态功耗。在射频发射端，采用余弦曲线型集总式振荡器，通过谐振腔的结构设计提高发射效率，同时考虑采用微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）工艺实现振荡器与功放的一体化，缩小尺寸和布线，减少无源损耗。

通过采用矽基Germanium 技术，可以在接收端模拟前端实现低噪声放大器。这种技术可以降低热噪声并提供高增益，从而改善信号质量。此外，可以利用体效应管实现自动增益控制，通过动态调整放大倍数以降低总功耗。为最大限度地减少过载失真对信号质量的影响，需要设计具有宽输入动态范围的模数转换器。该转换器可以在信号转换的过程中有效地处理高幅度信号，从而确保信号质量的稳定性。

在射频组件方面，采用SiGe HBT 工艺制作高线性度放大器，同时采用梯度掺杂的高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）器件实现低噪声放大器；利用MEMS 工艺实现低损耗的射频（Radio Frequency，RF）MEMS 开关；使用碳化硅等新材料制作低损耗滤波器[4]。

2.3 软件与算法优化

为优化低功耗通信系统的软件与算法，降低信号处理带来的计算机耗能，可以从3 个方面着手设计与改进。

一是采用低密度校验码，如低密度奇偶校验（LDPC）码和极低密度生成矩阵（Low Density Generator Matrix，LDGM）码等。这类校验码因其极低的编码复杂度而显著减少数字信号处理所需的乘法计算量，从而有效降低软件实现的功耗。

二是利用贪心算法和启发式搜索算法联合优化信道编码、调制、波形设计等模块。在考虑误码性能、计算复杂度和传输效率等指标的基础上，构建一个误码性能与复杂度的代价函数，并通过迭代优化算法搜索最小化该目标函数的编码调制方案，以实现最佳性能与功耗的平衡。

三是利用接收信号的时间相关性，采用贝叶斯估计预测数据位，实现软判决Viterbi 译码，避免暴力搜索，从而减小解码的运算量。具体地，可以通过Predict（预测）模块评估当前解码路径的后验概率，然后Refine（提炼）模块根据反馈进行精炼。具体的后验概率公式为

式中：dk表示第k个数据位；y1n表示从1 到n的观测数据序列；k表示对接收信号yk的估计。

2.4 网络协议与协议栈优化

为提升低功耗通信网络协议与协议栈的性能，减少通信过程中的控制开销和传输冗余，可以从以下几个维度进行深入优化。首先，优化网络拓扑结构，采用集群树型拓扑来替代传统的多跳网状拓扑，可以显著降低节点间的控制交互和路由开销，通过数据聚合技术，进一步减少节点间的通信量。同时，根据业务需求和节点分布的具体情况，合理划分集群，以降低集群内部节点间的竞争碰撞概率[5]。其次，优化接入机制提高网络效率，采用时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的接入方式，替代基于碰撞的载波侦听多址（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）机制，可以有效避免重传带来的额外能耗。在时间同步协议的辅助下，节点能够按照预定的时隙发送数据，从而减少冲突。同时，通过时隙调度算法的优化，可以更加合理地分配时隙资源，平衡网络中各节点的能量消耗。最后，应用跨层优化技术，结合物理层的链路适应技术，可以根据信道状况动态调整媒体接入控制（Media Access Control Address，MAC）参数，以减少重传次数。可以采用的适应性参数调整方程为

式中：Pe表示物理层帧错误率；W表示竞争窗口大小。根据信道误码率Pe的变化，动态调整W大小，降低碰撞概率，减少重传消耗。

3 实验验证与性能评估

3.1 实验设计

步骤一，搭建基于软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR）平台的测试平台。平台采用Xilinx Zynq ZC706 评估板，集成MPSoC 处理器，频谱范围为10 MHz ～3 GHz，最大输出功率为10 dBm。平台可加载LDPC 编译码算法模块、自适应正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）模块和网络分层协议栈。

步骤二，采用MATLAB 建立城市宏蜂窝环境的系统级仿真平台，包含小区半径为500 m、路径损耗系数为3.5 的无线信道模型；支持30 个移动节点，节点速度为3 ～30 km/h 不等，并集成先进的调制编码技术和网络协议模型。

步骤三，确定评估指标，主要包括时延、丢包率、吞吐量、误码率（Bit Error Rate，BER）以及系统功耗。其中，功耗按照发射端、接收端、信道传输3 部分模型化。定义系统能效为吞吐量与总功耗的比值。

步骤四，设置主要参数包括节点速度、发送功率、代码率等，以评估技术在不同场景下的效果。

步骤五，比较算法优化前后性能。评价优化算法在保证BER 为10-5的约束下，系统吞吐量提高与功耗降低的效果。重复实验获得性能提升的统计值，从而对比分析优化后技术（TECH-B）与优化前技术（TECH-A）的性能。

3.2 实验结果与讨论

测试所设计的实验评估方案，获得低功耗通信系统传输应用优化技术前后性能参数的统计结果，具体结果如表1 所示。

表1 优化技术应用前后测试结果对比

从表1 可以看出，采用优化技术后，系统在目标BER 为10-5的条件下，当信道质量较好即信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）为15 dB 时，可采用更高阶的64QAM 调制，编码率提升至4/5，吞吐量从原来的5.2 Mb/s 提升到7.8 Mb/s，提升50%。同时，系统传输功率从10 mW 降低到8 mW，接收端解码功率也有所降低，总体系统功耗从800 mW 降至780 mW。当信道质量轻微下降（SNR 为10dB）时，系统可适时降低调制阶数到16QAM，编码率降为2/3，保证误码性能的同时，避免更多不必要的再传消耗。相比之下，网络协议优化技术更多地体现在系统的稳定性与健壮性方面。此外，采用传输功率控制技术后，在节点速度较快情况下（30 km/h），系统的丢包率有明显改善，从10%降为5%，同时系统吞吐量有一定增加。这是由于传输功率控制技术可以动态调整各个节点的发送功率，使链路质量维持在一个合适的水平，避免过大或过小的传输功率导致不必要的丢包或过多冗余。实验结果表明，文章提出的基于自适应调制编码、传输功率控制以及网络协议优化等技术方法，可以在一定程度上提升低功耗通信系统的传输能效与稳定性。