Влияние спектра распространения на снижение потребления энергии в беспроводных устройствах

Введение: проблема энергоэффективности в беспроводной связи

Беспроводные устройства повсюду — смартфоны, носимые устройства, датчики умного дома, промышленные узлы IoT и медицинские имплантаты. Все они имеют общее ограничение: ограниченная емкость батареи. Поскольку количество подключенных устройств взлетает выше 20 миллиардов, минимизация потребления энергии без ущерба для производительности стала центральной целью проектирования. Технология широкого спектра, первоначально разработанная для военных противопоказаний и безопасной связи, появилась в качестве критического активатора энергоэффективных беспроводных соединений. Распространяя сигнал по широкому диапазону частот, она уменьшает помехи, снижает частоту ошибок и позволяет устройствам передавать на более низких уровнях мощности. Эта статья объясняет, как методы распространения спектра достигают экономии энергии и почему они являются неотъемлемой частью современных беспроводных стандартов.

Что такое Spread Spectrum?

Спектр распространения — это метод передачи, в котором занятая полоса пропускания намного шире, чем минимум, необходимый для передачи информации. Сигнал распространяется с использованием псевдослучайного кода или шаблона скачка частоты, что делает его устойчивым к узкополосным помехам и трудным для перехвата. Существуют две первичные формы: Спектр скачка частоты (FHSS) и Спектр скачка прямой последовательности (DSSS) . Третий распространенный метод, Ортогональный метод частотного деления (OFDM) , иногда классифицируется как метод спреда спектра, поскольку он разделяет данные по многим поднесущим, хотя он отличается по ключевым аспектам.

Спектр частотного скачка (FHSS)

FHSS быстро переключает несущую частоту между многими каналами по псевдослучайной последовательности, известной как передатчику, так и приемнику. Время нахождения на каждой частоте короткое, как правило, от десятков до сотен миллисекунд. Bluetooth является классическим примером: он прыгает среди 79 каналов в полосе 2,4 ГГц 1600 раз в секунду. Поскольку сигнал постоянно движется, любой узкополосный интерферентор может повреждать только часть передаваемых данных, что позволяет снизить мощность прямой коррекции ошибок и меньше накладных расходов на ретрансляцию.

Спектр прямого распространения последовательности (DSSS)

DSSS умножает поток данных с помощью высокочастотного распространяющегося кода (например, кода Баркера в IEEE 802.11b), расширяя полосу пропускания сигнала. В приемнике тот же код используется для рассеивания сигнала, эффективного восстановления исходных данных при распределении и фильтрации помех. Прирост обработки — отношение пропускной способности спреда к исходной полосе пропускания сигнала — напрямую улучшает отношение сигнал-интерференция, позволяя приемнику работать с меньшей мощностью сигнала. Сотовые сети CDMA (Code Division Multiple Access) полагаются на DSSS, чтобы позволить многим пользователям совместно использовать одну и ту же полосу частот.

OFDM и его связь с распространением спектра

OFDM делит доступный спектр на множество ортогональных поднесущих, каждая из которых несет поток данных с низкими скоростями. Хотя OFDM не является строго методом спред-спектра в традиционном смысле, OFDM достигает аналогичных преимуществ: он устойчив к многолучевому затуханию и узкополосным помехам и может использовать адаптивную модуляцию на каждой поднесущей для экономии энергии. Современные системы Wi-Fi (802.11ac/ax) и сотовой связи 4G/5G объединяют OFDM с схемами распространения или множественного доступа для оптимизации энергоэффективности.

Как спектр распространения снижает потребление энергии

Потребление мощности беспроводного приемопередатчика является функцией передачи мощности, активного времени и эффективности аналоговой и цифровой обработки. Методы спред-спектра влияют на все три фактора. Ниже приведены ключевые механизмы.

Улучшенная надежность сигнала снижает требуемую мощность передачи

В узкополосной системе даже слабый интерферентор может уничтожить весь сигнал. Передатчик должен либо увеличить мощность для преодоления помех, либо принять высокие скорости ошибок, что приводит к ретрансляции, которые истощают батарею. Распределенный спектр распределяет энергию по широкой полосе, поэтому интерферер влияет только на небольшую часть сигнала. Прирост обработки DSSS или избыточность FHSS означает, что приемник все еще может декодировать сообщение с более низким отношением сигнал-шум (SNR). В результате передатчик может снизить выходную мощность при сохранении заданной надежности канала. Например, устройство Bluetooth Low Energy (BLE) с использованием FHSS может работать с излучаемой мощностью до 0 дБм (1 мВт), тогда как сопоставимому узкополосному устройству может потребоваться +10 дБм или более для достижения того же диапазона и надежности.

Сокращение ретрансляций сохраняет энергию

Частота ошибок пакетов (PER) напрямую связана с потреблением энергии. Каждая ретрансляция потребляет энергию как для пакета данных, так и для подтверждения. Сопротивление спектра Распространения помехам и затухание резко снижает PER в шумных средах. Исследования показали, что в типичной внутренней среде Wi-Fi, DSSS-основанная 802.11b достигла PER ниже 1% в диапазонах, где узкополосная модуляция будет испытывать потерю пакетов на 10-20%. Меньшее количество ретрансляций означает, что радио проводит меньше времени в режиме передачи, что является самым энергоемким состоянием в приемопередатчике. Этот эффект также снижает спор, снижая вероятность столкновений и дополнительно экономя энергию.

Адаптивная модуляция и кодирование с помощью спектра распространения

Многие современные системы с расширенным спектром включают адаптивную модуляцию и кодирование (AMC). В условиях канала восприятия передатчика и приемника и выбирают самую высокую скорость передачи данных, которая может поддерживаться с низкой ошибкой. В хороших условиях используется модуляция более высокого порядка (например, 256-QAM в Wi-Fi), но когда помехи или затухание ухудшаются, система возвращается в более надежный, спред-подобный режим (например, BPSK с низкой скоростью кодирования). Эта адаптация гарантирует, что передатчик никогда не тратит энергию на более агрессивную модуляцию, чем канал может поддерживать. В LTE и 5G, которые используют OFDMA (производное от спектра спреда), AMC является основной функцией, которая непосредственно снижает потребление энергии для устройств на краю ячейки или в плохом покрытии.

Преимущества безопасности уменьшают накладные расходы

Спектр распространения по своей сути обеспечивает уровень безопасности, поскольку код распространения или шаблон перескакивания неизвестны подслушивающим устройствам. Это снижает потребность в более высоком уровне шифрования и аутентификации, что потребляет дополнительную вычислительную мощность. В то время как современные протоколы все еще применяют шифрование, безопасность физического уровня спреда спектра может снизить вычислительную нагрузку на простые устройства IoT. Например, недорогой датчик с использованием DSSS может избежать тяжелой криптографии, потому что перехват сигнала уже чрезвычайно затруднен без кода распространения. Меньшая обработка означает меньшую нагрузку на процессор и увеличенное время автономной работы.

Эффективная работа усилителя мощности

Усилители мощности (УУП) наиболее эффективны при работе вблизи насыщения. Однако для поддержания линейности сложных схем модуляции часто требуется обратный отсчет. Сигналы спектра спреда, особенно те, которые используют модуляцию с постоянным конвертом (например, FHSS с GFSK), позволяют ПА работать ближе к своей точке пиковой эффективности. Bluetooth и Zigbee, оба на основе FHSS, используют постоянную или почти постоянную модуляцию оболочки, достигая эффективности PA выше 40%. Напротив, сигналы OFDM имеют высокое отношение пиковой мощности к средней (PAPR), что заставляет PA отступать и снижает эффективность. Более новые методы, такие как DFT-распространение OFDM (используется в восходящей линии LTE), смягчают это, комбинируя преимущества распространения с более низким PAPR, экономя значительную мощность на мобильном устройстве.

Приложения в современных беспроводных устройствах

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Ранний Wi-Fi (802.11b) использовал DSSS с дополнительной кабельной передачей кода. Более поздние стандарты (802.11a/g/n/ac/ax) приняли OFDM, но сохранили свойства, подобные распространению, за счет использования нескольких поднесущих и циклических префиксов. В 802.11ax (Wi-Fi 6) ортогональный частотный дивизион множественного доступа (OFDMA) позволяет точке доступа назначать поднесущие нескольким устройствам одновременно, уменьшая разногласие и праздное прослушивание - основной источник потерь мощности. Время пробуждения (TWT) дополнительно экономит мощность за счет планирования передач, а базовая структура OFDM гарантирует, что даже клиенты с низким энергопотреблением могут поддерживать надежную связь. Устройства Wi-Fi 6 могут достичь до 7 × экономии энергии по сравнению с Wi-Fi 5 при определенных шаблонах трафика.

Bluetooth и Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Classic использует FHSS с 79 каналами и скоростью хмеля 1600 хмеля / с. BLE сужает канал, установленный на 40 каналов, и принимает более медленную скорость хмеля для снижения потребления энергии. Характер спред-спектра Bluetooth позволяет ему совместно использовать полосу ISM 2,4 ГГц с Wi-Fi и другими устройствами без изнурительных помех, даже при передаче с очень низкой мощностью (в некоторых режимах до 20 дБм). Мероприятия BLE по рекламе и подключению предназначены для минимизации активного времени; радио просыпается в течение нескольких миллисекунд, передает или принимает пакет и возвращается в сон. Прочность FHSS гарантирует, что даже короткие окна хепа обеспечивают высокие показатели успеха. BLE стал фактически беспроводным стандартом для носимых устройств и датчиков IoT именно потому, что он уравновешивает диапазон, скорость передачи данных и потребление энергии с помощью методов спред-спектра.

Сотовая связь: CDMA, WCDMA, LTE и 5G

CDMA (IS-95) довела DSSS до сотовых сетей, позволяя мягкие передачи и меньшую мощность передачи для мобильных телефонов. WCDMA (UMTS) расширил это с переменными коэффициентами распространения, позволяя адаптивные скорости и управление мощностью. LTE ввел OFDMA для нисходящей линии связи и SC-FDMA для восходящей линии связи, последний вариант с расширенным спектром, который уменьшает PAPR на мобильном устройстве. 5G New Radio (NR) использует OFDM с гибким интервалом поднесущей и обеспечивает массивный MIMO, который концентрирует энергию в узких лучах. Это усиление формирования луча снижает необходимую мощность передачи на устройство. Во всех поколениях сотовой связи комбинация распространения, адаптивной модуляции и жесткого управления мощностью - с помощью принципов распределенного спектра - имеет важное значение для продления срока службы батареи смартфона при поддержке мультимегабитных скоростей передачи данных.

Интернет вещей (IoT) и LPWAN

Сети с малой мощностью (LPWAN), такие как LoRaWAN и Sigfox, используют широкоугольный спектр для достижения дальнего радиуса действия при очень низкой мощности. LoRa (Long Range) использует запатентованную технологию спред-спектра, основанную на чирп-распространении спектра (CSS). Для передачи узкополосного сигнала требуется высокая мощность для проникновения через стены и достижения километров, но распространение LoRa позволяет работать ниже уровня шума, позволяя принимать на чрезвычайно низком уровне SNR. Конечные устройства LoRaWAN могут передавать на скорости до 15 км. Расширяющий фактор может быть динамически настроен: более высокие факторы распространения увеличивают диапазон и надежность, но снижают скорость передачи данных, что позволяет устройству выбирать наиболее энергоэффективный компромисс. Именно поэтому LoRa является ведущим активатором датчиков IoT с батарейным питанием, которые должны работать в течение многих лет на одной ячейке монеты.

Сравнительный анализ: Спектр распространения против модуляции узкополосной связи

Чтобы оценить экономию электроэнергии, полезно сравнить систему с расширенным спектром с эквивалентной узкополосной связью.Предположим, что оба должны достичь скорости передачи данных 1 кбит/с с частотой ошибок 10-3 на расстоянии 100 метров в типичной внутренней среде с умеренными помехами от Wi-Fi и микроволновых печей.

Разница в 10 дБ соответствует фактору 10 в потреблении энергии — резкой экономии для устройства с батарейным питанием. Кроме того, уменьшенные ретрансляции также сокращают активное время приемника, экономя дополнительную энергию.

Вызовы и компромиссы

Спектр распространения не является волшебной пулей. Сам процесс распространения потребляет энергию — цифровая обработка базовой полосы для DSSS требует высокоскоростных корреляторов, а FHSS требует быстродействующих синтезаторов. В очень простых устройствах с ультранизкой мощностью накладные расходы на спектр распространения могут перевешивать экономию мощности передачи. Для очень коротких линий связи (например, связь ближнего поля на несколько сантиметров) узкополосная связь может быть более энергоэффективной, потому что потеря пути является низкой, а высокий коэффициент распространения не нужен. Кроме того, некоторые методы спреда спектра страдают от более высокой задержки из-за времени, необходимого для синхронизации (особенно FHSS), что может быть проблематичным для приложений реального времени. Тем не менее, для подавляющего большинства случаев использования беспроводной связи — где диапазон, помехи и сосуществование нескольких устройств являются факторами — преимущества мощности спектра распространения намного превышают накладные расходы.

Будущие направления: распространение спектра в 6G и за его пределами

По мере развития беспроводной связи в направлении 6G концепции спред-спектра пересматриваются в контексте терагерцовой (THz) связи и связи видимого света (VLC). На частотах ТГц доступны очень большие полосы пропускания (многогигагерц), что делает спред-спектр привлекательным для сосуществования с другими службами. Однако энергопотребление высокочастотных компонентов остается проблемой. Исследователи изучают новые формы волн, такие как обобщенный частотный дивизион мультиплексирования (GFDM) и Filter Bank Multi-Carrier (FBMC), которые сочетают преимущества OFDM с распространением-подобным смягчением помех. Для массивного IoT идея неортогонального множественного доступа (NOMA) использует форму распространения в области мощности для поддержки многих устройств с минимальными сигнальными накладными расходами. Эти методы направлены на дальнейшее снижение мощности на бит, позволяя батареям работать десятилетиями или даже быть устраненными за счет сбора энергии.

Заключение

Технология распространения спектра, вне зависимости от того, реализована ли она в виде FHSS, DSSS, OFDM или CSS, стала краеугольным камнем энергоэффективной беспроводной связи. Улучшая надежность сигнала, снижая ретрансляцию, обеспечивая адаптивную модуляцию и позволяя снизить мощность передачи, спред-спектр напрямую продлевает срок службы батареи в устройствах от смартфонов до крошечных датчиков. Его применение в стандартах Wi-Fi, Bluetooth, сотовой связи и LPWAN демонстрирует его универсальность и эффективность. По мере того, как спрос на беспроводную связь продолжает расти, спред-спектр останется необходимым для балансировки производительности и энергопотребления. Инженеры и системные дизайнеры должны рассматривать спред-спектр не только как средство для предотвращения помех, но и как мощный инструмент для минимизации использования энергии во все более беспроводном мире.

Для дальнейшего чтения см. обзор FCC спред-спектра в нелицензированных диапазонах , статью IEEE о потреблении энергии в системах спред-спектра и Bluetooth Technology Overview для подробной информации о FHSS в BLE. Дополнительные сведения об OFDM и энергоэффективности можно найти в документах Wi-Fi Alliance по Wi-Fi 6 .