本專著主要結合無線通信網路，介紹了超低功耗的基本理論和技術、常用降低功耗的策略、超低功耗匯流排編碼技術、微處理器超低功耗技術、嵌入式系統超低功耗技術、無線感測網路超低功耗技術、WMN網路超低功耗技術、擴頻通信系統超低功耗技術和其他短距離無線通信超低功耗技術及性能/功耗評估策略。
基本介紹
- 書名：無線通信網路超低功耗技術
- 作者：柴遠波,陳萬里
- ISBN：9787121260056
- 出版社：電子工業出版社
- 出版時間：2015-05-01
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圖書內容
本專著主要結合無線通信網路，介紹了超低功耗的基本理論和技術、常用降低功耗的策略、超低功耗匯流排編碼技術、微處理器超低功耗技術、嵌入式系統超低功耗技術、無線感測網路超低功耗技術、WMN網路超低功耗技術、擴頻通信系統超低功耗技術和其他短距離無線通信超低功耗技術及性能/功耗評估策略。
目 錄
第1章 超低功耗的基本理論 1
1.1 無線通信網路技術概況 1
1.1.1 無線通信網路技術的發展歷程 1
1.1.2 蜂窩通信的革命 2
1.1.3 全球蜂窩網路 3
1.1.4 寬頻 4
1.1.5 未來趨勢 5
1.1.6 無線技術中的問題 6
1.2 無線通信網路超低功耗的基本概念 6
1.3 功耗產生的原因 7
1.3.1 CMOS 電路的功耗 8
1.3.2 積體電路中的問題 12
1.4 與功耗有關的其他因素 13
1.4.1 拓撲控制 13
1.4.2 功率控制 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 硬體低功耗和軟體低功耗技術 21
1.8.2 功率控制 23
1.9 小結 25
第2章 降低功耗的策略 26
2.1 系統節能的機制 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 暫存器級低功耗設計的主要方法 29
2.2 電路級 30
2.2.1 功耗產生的原因 30
2.2.2 與系統功耗有關的因素 30
2.2.3 降低功耗的措施 31
2.2.4 低耗能硬體設計 33
2.2.5 在積體電路設計中採用低功耗電路結構 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 體系結構級 44
2.4.1 體系結構層低功耗技術 45
2.4.2 一些重要的體系結構層低功耗技術 45
2.4.3 部件使用的局部化 47
2.5 軟體低功耗 49
2.5.1 低功耗編譯最佳化技術 49
2.5.2 傳統編譯最佳化技術對功耗的最佳化 51
2.5.3 動態電壓調節算法 52
2.5.4 軟體低功耗設計 54
2.5.5 攜帶型產品通過軟體降低功耗的方法 55
2.5.6 軟體能量模型 58
2.5.7 基於多核體系結構的軟體能量最佳化方法 60
2.5.8 利用軟體降低3G手機功耗 61
2.5.9 利用數字電源系統管理降低數據中心的功耗 63
2.5.10 多軌板級電源系統 64
2.5.11 用於數字電源系統管理的控制接口 65
2.6 小結 65
第3章 超低功耗匯流排編碼技術 66
3.1 匯流排低功耗技術概述 66
3.1.1 匯流排低功耗技術 66
3.1.2 簡化的匯流排能耗模型 72
3.2 常用的匯流排低功耗技術 73
3.2.1 如何降低匯流排功耗 73
3.2.2 降低匯流排功耗的方法 74
3.3 超低功耗匯流排編碼 76
3.3.1 深亞微米匯流排模型 76
3.3.2 降低功耗方面的編碼技術 79
3.3.3 降低串擾影響方面的低功耗編碼技術 87
3.3.4 差錯控制編碼技術 93
3.3.5 統一匯流排編碼 96
3.4 匯流排的編碼效果 99
3.4.1 傳統E/O BI編碼套用 99
3.4.2 針對AHB匯流排的混合型低功耗匯流排編碼方案及硬體實現 101
3.4.3 針對AXI匯流排的低功耗匯流排編碼方案及硬體實現 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 積體電路功耗的來源 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 嵌入式系統超低功耗技術 142
5.1 功耗問題 142
5.1.1 限制晶片性能的改善 142
5.1.2 提高晶片製造成本 143
5.1.3 降低系統可靠性 143
5.1.4 增加系統執行成本 143
5.1.5 影響電池供電時間 143
5.2 積體電路低功耗技術 144
5.2.1 積體電路功耗分析 144
5.2.2 積體電路低功耗設計技術 145
5.3 嵌入式系統低功耗技術 148
5.3.1 低功耗硬體和體系結構技術 150
5.3.2 嵌入式系統低功耗軟體技術 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 嵌入式軟體低功耗設計 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 無線感測器網路超低功耗技術 181
6.1 無線感測器網路概述 181
6.1.1 無線感測器網路的發展及套用前景 181
6.1.2 無線感測器網路面臨的能耗問題 183
6.1.3 無線感測器網路（WSN）結構 184
6.1.4 無線感測器網路的特點 186
6.2 無線感測器網路節點能耗分析 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 硬體系統的超低功耗策略 190
6.3.2 軟體設計中的超低功耗策略 193
6.3.3 節能機制分析 197
6.3.4 典型休眠節能協定 198
6.4 典型WSN節點系統構成與分析 210
6.4.1 典型WSN節點介紹 210
6.4.2 典型WSN節點硬體平台的組成 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 超低功耗系列微控制器的功耗分析 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 通信模組功耗的特殊性 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網路超低功耗技術 223
7.1 WMN網路超低功耗概念 223
7.1.1 什麼是WMN 224
7.1.2 無線網狀網的現狀與發展 225
7.1.3 網狀節點與WMN體系結構 225
7.1.4 WMN的主要特徵 226
7.1.5 WMN將為寬頻套用帶來重大變革 227
7.2 WMN網路超低功耗策略 228
7.2.1 無線Mesh網路 228
7.2.2 WMN系統組成分析 228
7.2.3 能耗分析與節能策略 229
7.2.4 設計WMN路由協定 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路由協定 233
7.2.8 Ad hoc網路路由協定 233
7.2.9 WMN路由協定 234
7.3 WMN高性能路由協定 235
7.3.1 TBR協定 236
7.3.2 無線Mesh網路 237
7.3.3 無線Mesh網路的研究現狀 238
7.3.4 機會路由協定 243
7.3.5 有向雙向非對稱鏈路質量路由協定 245
7.3.6 無線Mesh網路中的跨層路由 246
7.3.7 WRP協定 249
7.3.8 算法分析和比較 253
7.3.9 無線Mesh路由算法——SQOR 256
7.4 認知無線網路功率控制技術 256
7.4.1 功率控制概述 257
7.4.2 移動通信中的功率控制 258
7.4.3 TD-LTE系統的功率控制 261
7.4.4 TD-LTE功率控制的特點 262
7.4.5 功率控制技術的意義 263
7.4.6 功率控制的分類及介紹 264
7.4.7 控制的組級分類 266
7.4.8 多速率技術與功率控制技術之間的制約關係 267
7.5 WMN網路休眠與激活 269
7.5.1 外部感測器/儀表電源管理 271
7.5.2 同步休眠 273
7.5.3 混合休眠 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 一種改進的無線通信系統喚醒方法 280
7.6 小結 289
第8章 擴頻通信系統超低功耗技術（3G/4G） 290
8.1 功耗的影響 290
8.2 無線通信網節能管理綜述 293
8.2.1 無線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 無線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制 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制 301
8.4 節能 304
8.4.1 節能最佳化的數學模型 304
8.4.2 基於改進模擬退火的求解方法 305
8.4.3 節能機制的有效性評估 308
8.5 基於業務信道功率調整的自主節能管理機制 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無線通信網能耗模型 312
8.5.3 局部OP補償方法 313
8.5.4 節能的最佳化數學模型 314
8.6 基於多參數聯合調整的自主節能管理機制 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 節能的最佳化數學模型 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散式自主節能機制 320
8.8 基於幾何拓撲的分散式自主節能管理機制 321
8.9 異構網路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 其他短距離無線通信超低功耗技術 330
9.1 ZigBee原理及套用 331
9.1.1 ZigBee簡介 331
9.1.2 ZigBee網路拓撲結構 331
9.1.3 ZigBee技術的特點 332
9.1.4 ZigBee協定棧體系結構 333
9.1.5 ZigBee網路的套用 335
9.1.6 ZigBee的實際套用 336
9.2 Z-Wave原理及套用 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協定體系結構分析 338
9.2.4 Z-Wave協定的體系結構和網路控制節點 340
9.2.5 套用實例 342
9.2.6 發展前景 343
9.3 Wi-Fi原理及套用 343
9.3.1 Wi-Fi概況 343
9.3.2 Wi-Fi網路基本架構 344
9.3.3 Wi-Fi網路中通過規避干擾來提升網路容量的方法 346
9.3.4 Wi-Fi發展前景 347
9.4 RFID原理及套用 349
9.4.1 RFID技術概況 349
9.4.2 RFID套用現狀 350
9.4.3 RFID系統的基本組成 351
9.4.4 RFID系統的工作原理 353
9.4.5 RFID訪問安全 354
9.4.6 套用實例 355
9.5 UWB原理及套用 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與其他短距離無線技術的比較 363
9.5.5 UWB的套用 363
9.5.6 UWB的發展前景 364
9.6 Wibree原理及套用 365
9.6.1 Wibree概況 365
9.6.2 低功耗藍牙技術 366
9.6.3 低功耗藍牙協定棧研究 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 無線感測器網路低功耗設計方法 372
10.1.2 單片機低功耗設計方法 376
10.1.3 低功耗硬體電路的主要設計方法 377
10.1.4 嵌入式軟體的低功耗技術 380
10.2 功耗最佳化和分析工具 383
10.2.1 CMOS數字電路功耗最佳化和分析工具 383
10.2.2 數字電路系統級功耗最佳化和分析工具 387
10.2.3 數字電路算法功耗最佳化和分析工具 389
10.2.4 數字電路RTL級功耗最佳化和分析工具 390
10.2.5 數字電路門級功耗最佳化和分析工具 391
10.2.6 數字電路電晶體級功耗最佳化和分析工具 392
10.2.7 無線網路路由協定功耗最佳化和分析工具 394
10.3 超低功耗評估策略 395
10.3.1 無線網路低功耗設計策略研究 395
10.3.2 無線網路動態電壓調節（DVS）低功耗策略 399
10.3.3 動態電源策略設計 400
10.3.4 基於網路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 軟體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最佳化方法 408
10.4.6 時鐘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 組合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 無線網路終端節點感測器低功耗設計手段 414
10.5 小結 417
附錄A 英文縮寫名詞對照表 418
參考文獻 422
