低功耗通信系統中的傳輸能效優化研究

董國權

（日海通信服務有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引 言

低功耗通信作為一種新興的通信技術，通過優化發射功率、調制編碼方案、硬件電路以及網絡協議等手段，實現比傳統通信系統更高的傳輸能效[1]。文章主要研究低功耗通信系統的概念、特點及傳輸能效優化技術，通過仿真實驗對比驗證所提出方案的有效性，為低功耗通信系統的傳輸能效進一步優化提供理論依據。

1 低功耗通信系統的概念及特點

低功耗通信系統指能夠在極低的功耗條件下進行數據傳輸與交互的無線通信系統。與傳統移動通信系統相比，低功耗通信系統具有發射功率低、抗干擾能力強等特點。其中，傳輸功率可降至毫瓦量級，遠低于現有蜂窩移動通信的發射功率；強噪聲環境下的抗干擾能力強，可以保持可靠連接，從而延長設備工作周期。這主要歸因于低功耗通信系統采用調制編碼技術，如低密度奇偶校驗碼、Turbo 碼以及低密度生成矩陣碼等，可在極低信噪比條件下實現理想的誤碼性能，同時頻譜擴散技術的使用增強了抵抗窄帶干擾的能力[2]。此外，低功耗通信系統普遍采用基于IEEE 802.15.4 標準的網絡協議棧，其中鏈接層與網絡層協議進行深度優化，用于短距離低速率通信的異頻網絡技術可有效避免其他無線系統的干擾，從而減少再傳次數，降低系統能耗。在接收機方面，低功耗通信系統廣泛使用超低功耗互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）射頻收發器，可實現深度睡眠模式，單片收發器的功耗僅為數微瓦。

2 低功耗通信系統中的傳輸能效優化技術構建

2.1 系統級能效分析與建模

為構建能夠精確反映低功耗特性的系統級能效模型，搭建一個完整的從比特流到射頻信號的端對端通信鏈路模型。

在發送端，選用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調制技術，并細致地構建快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）模塊的時序數學模型，詳盡闡述子載波調制、解調以及串并轉換的過程。此外，需要確立低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）編碼器模型，該模型涵蓋碼字的隨機生成機制、校驗和計算方法以及碼率適配算法。在頻率域方面，運用Volterra 級數來精確模擬功率放大器的非線性行為，包括幅度到幅度的調制失真（Amplitude Modulation to Amplitude Modulation distortion，AM-AM）和幅度調制到相位調制失真（Amplitude Modulation to Phase Modulation distortion，AM-PM）特性曲線。而在信道建模階段，則依據實際應用場景，采用RAYLEIGH信道模型來體現無線通信中的路徑損耗和多徑傳播效應。

在接收端，建立相應的OFDM 解調器模型，還原發送端的處理過程，并配備相應的LDPC 譯碼器模型，確保信息的有效解碼。此外，建立關鍵的時鐘與載波同步恢復模塊以確保正確解調[3]。通過借助MATLAB/Simulink 這類仿真工具，可以實現端到端的完整調制、編碼、解碼流程的仿真，并在此過程中動態評估在不同參數配置下系統的誤碼率和能耗表現。一旦獲得仿真結果，就可以引入設計可變控制接口的理念，根據實時變化的信道條件和業務需求，靈活切換通信模式和調整參數設定，確保通信質量的同時最大限度地降低總體能耗。

2.2 硬件設計與優化

為進一步優化低功耗通信系統的硬件電路以實現超低功耗，可以從發射端、接收端和射頻組件3 個方面進行硬件電路的構建與設計。在發射端數字基帶電路，采用時鐘門控技術，利用數據處理的時域特性，在非工作狀態時切斷時鐘信號，實現邏輯門電路的動態休眠，大幅降低靜態功耗。同時，通過電壓可縮放的寄存器電路結構實時調整門控電壓，以匹配處理器運算量，降低動態功耗。在射頻發射端，采用余弦曲線型集總式振蕩器，通過諧振腔的結構設計提高發射效率，同時考慮采用微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）工藝實現振蕩器與功放的一體化，縮小尺寸和布線，減少無源損耗。

通過采用矽基Germanium 技術，可以在接收端模擬前端實現低噪聲放大器。這種技術可以降低熱噪聲并提供高增益，從而改善信號質量。此外，可以利用體效應管實現自動增益控制，通過動態調整放大倍數以降低總功耗。為最大限度地減少過載失真對信號質量的影響，需要設計具有寬輸入動態范圍的模數轉換器。該轉換器可以在信號轉換的過程中有效地處理高幅度信號，從而確保信號質量的穩定性。

在射頻組件方面，采用SiGe HBT 工藝制作高線性度放大器，同時采用梯度摻雜的高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）器件實現低噪聲放大器；利用MEMS 工藝實現低損耗的射頻（Radio Frequency，RF）MEMS 開關；使用碳化硅等新材料制作低損耗濾波器[4]。

2.3 軟件與算法優化

為優化低功耗通信系統的軟件與算法，降低信號處理帶來的計算機耗能，可以從3 個方面著手設計與改進。

一是采用低密度校驗碼，如低密度奇偶校驗（LDPC）碼和極低密度生成矩陣（Low Density Generator Matrix，LDGM）碼等。這類校驗碼因其極低的編碼復雜度而顯著減少數字信號處理所需的乘法計算量，從而有效降低軟件實現的功耗。

二是利用貪心算法和啟發式搜索算法聯合優化信道編碼、調制、波形設計等模塊。在考慮誤碼性能、計算復雜度和傳輸效率等指標的基礎上，構建一個誤碼性能與復雜度的代價函數，并通過迭代優化算法搜索最小化該目標函數的編碼調制方案，以實現最佳性能與功耗的平衡。

三是利用接收信號的時間相關性，采用貝葉斯估計預測數據位，實現軟判決Viterbi 譯碼，避免暴力搜索，從而減小解碼的運算量。具體地，可以通過Predict（預測）模塊評估當前解碼路徑的后驗概率，然后Refine（提煉）模塊根據反饋進行精煉。具體的后驗概率公式為

式中：dk表示第k個數據位；y1n表示從1 到n的觀測數據序列；k表示對接收信號yk的估計。

2.4 網絡協議與協議棧優化

為提升低功耗通信網絡協議與協議棧的性能，減少通信過程中的控制開銷和傳輸冗余，可以從以下幾個維度進行深入優化。首先，優化網絡拓撲結構，采用集群樹型拓撲來替代傳統的多跳網狀拓撲，可以顯著降低節點間的控制交互和路由開銷，通過數據聚合技術，進一步減少節點間的通信量。同時，根據業務需求和節點分布的具體情況，合理劃分集群，以降低集群內部節點間的競爭碰撞概率[5]。其次，優化接入機制提高網絡效率，采用時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）的接入方式，替代基于碰撞的載波偵聽多址（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）機制，可以有效避免重傳帶來的額外能耗。在時間同步協議的輔助下，節點能夠按照預定的時隙發送數據，從而減少沖突。同時，通過時隙調度算法的優化，可以更加合理地分配時隙資源，平衡網絡中各節點的能量消耗。最后，應用跨層優化技術，結合物理層的鏈路適應技術，可以根據信道狀況動態調整媒體接入控制（Media Access Control Address，MAC）參數，以減少重傳次數。可以采用的適應性參數調整方程為

式中：Pe表示物理層幀錯誤率；W表示競爭窗口大小。根據信道誤碼率Pe的變化，動態調整W大小，降低碰撞概率，減少重傳消耗。

3 實驗驗證與性能評估

3.1 實驗設計

步驟一，搭建基于軟件定義無線電（Software Defined Radio，SDR）平臺的測試平臺。平臺采用Xilinx Zynq ZC706 評估板，集成MPSoC 處理器，頻譜范圍為10 MHz ～3 GHz，最大輸出功率為10 dBm。平臺可加載LDPC 編譯碼算法模塊、自適應正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）模塊和網絡分層協議棧。

步驟二，采用MATLAB 建立城市宏蜂窩環境的系統級仿真平臺，包含小區半徑為500 m、路徑損耗系數為3.5 的無線信道模型；支持30 個移動節點，節點速度為3 ～30 km/h 不等，并集成先進的調制編碼技術和網絡協議模型。

步驟三，確定評估指標，主要包括時延、丟包率、吞吐量、誤碼率（Bit Error Rate，BER）以及系統功耗。其中，功耗按照發射端、接收端、信道傳輸3 部分模型化。定義系統能效為吞吐量與總功耗的比值。

步驟四，設置主要參數包括節點速度、發送功率、代碼率等，以評估技術在不同場景下的效果。

步驟五，比較算法優化前后性能。評價優化算法在保證BER 為10-5的約束下，系統吞吐量提高與功耗降低的效果。重復實驗獲得性能提升的統計值，從而對比分析優化后技術（TECH-B）與優化前技術（TECH-A）的性能。

3.2 實驗結果與討論

測試所設計的實驗評估方案，獲得低功耗通信系統傳輸應用優化技術前后性能參數的統計結果，具體結果如表1 所示。

表1 優化技術應用前后測試結果對比

從表1 可以看出，采用優化技術后，系統在目標BER 為10-5的條件下，當信道質量較好即信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）為15 dB 時，可采用更高階的64QAM 調制，編碼率提升至4/5，吞吐量從原來的5.2 Mb/s 提升到7.8 Mb/s，提升50%。同時，系統傳輸功率從10 mW 降低到8 mW，接收端解碼功率也有所降低，總體系統功耗從800 mW 降至780 mW。當信道質量輕微下降（SNR 為10dB）時，系統可適時降低調制階數到16QAM，編碼率降為2/3，保證誤碼性能的同時，避免更多不必要的再傳消耗。相比之下，網絡協議優化技術更多地體現在系統的穩定性與健壯性方面。此外，采用傳輸功率控制技術后，在節點速度較快情況下（30 km/h），系統的丟包率有明顯改善，從10%降為5%，同時系統吞吐量有一定增加。這是由于傳輸功率控制技術可以動態調整各個節點的發送功率，使鏈路質量維持在一個合適的水平，避免過大或過小的傳輸功率導致不必要的丟包或過多冗余。實驗結果表明，文章提出的基于自適應調制編碼、傳輸功率控制以及網絡協議優化等技術方法，可以在一定程度上提升低功耗通信系統的傳輸能效與穩定性。

4 結 論

文章探討低功耗通信系統的傳輸能效優化技術，可以看出系統級建模與優化、硬件電路技術進步、軟件與算法改進以及網絡協議協同優化等多種手段的協同應用，可對改善通信系統的能量利用效率產生顯著作用。綜合運用這些跨層次的優化與新技術，不僅能獲得數倍乃至數量級的功耗減少，還可在復雜環境下提升系統穩定性與健壯性。