讨论一下无线通信中的低功耗休眠策略

发表于 2016-1-14 19:35

无线休眠是一门技术活，根据能量守恒定律，任何设备在接收数据的时候，要打开接收电路，这里面主要是低噪放，很耗电。
休眠/接收的占空比，是一门技术活，如果打开接收电路的时候，没有数据，那么电能就白白消耗。如果有数据的时候没打开接收，那么就是丢包，传输失败。

发表于 2016-1-14 19:43

关于zigbee/IEEE802.15.4的低功耗策略。
IEEE802.15.4有几种低功耗模式，zigbee用到了其中一种。
这种方法需要把无线设备分成两类，一类不能休眠，另一类可以无止境的休眠（有争议，实际可以做到）。
不能休眠的叫FFD，能休眠的叫RFD。RFD需要一个FFD作为父节点，可以把RFD看做FFD上面一个附属设备。
RFD按周期唤醒，唤醒后，向FFD发送一个POLL指令，轮询FFD是否有消息发给自己。轮询只消耗2ms不到，包括发送POLL的CSMA等待，POLL的符号传输时间，等待POLL的ACK的时间。如果ACK中标记有数据，RFD才会继续接收，而且还会有一个超时时间，大约20ms。
在正常情况下，RFD每5秒钟发送一次Poll，休眠/接收占空比，2ms/5000ms = 1/2500。

PS：楼下各位给一下BLE4.0 ，6lowPAN，WIFI的低功耗策略。另外有数据表明，6lowPAN可以做到1/1000的占空比，是如果实现的？

发表于 2016-1-15 09:43

为了省电，R12采用一种叫power saving mode (PSM，省电模式)的方案。如果设备支持PSM，在附着或TAU（Tracking Area Update）过程中，PSM向网络申请一个激活定时器值。当设备从连接状态转移到空闲状态后，该定时器开始运行。当定时器终止，设备进入省电模式。当设备进入省电模式，设备不再接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中。设备将一直保持这种省电模式，直到设备需要主动向网络发送信息（比如周期性TAU，发送上行数据等）。

据说，采用这种方案，两节5号电池可以用10年以上。

发表于 2016-1-16 00:22

使用低功率的前提是:需要传输数据量很小，比如几秒钟才发送一包数据。大多数的应用是一对多模式，即一台主机与多个从机进行通信，主机一般情况是不需要进行休眠的。从机分工作模式主要分为主动上传与被查询两种。在一个主机对应着二三十个从机，且从机几分钟才上报一次数据的情况下建议采用从主动上传的模式，因为主动上报数发生碰撞而丢包的概率较小，发送数据包前还可以先检测信号强度来进一步降低碰撞，如丢包了可随机延时一段时间后再重发直到成功为止，这种模式的好处时功率低，程序实现上容易，系统稳定性好。若需要从机实时（几秒）响应主机呼唤，则可采用从机在接收-休眠两种状态循环切换的方式（在CC1101上叫做WOR，在SI4432上叫LDC），如果每个接收-休眠周期中，接收时间超过发送两个数据包所需的时间，那么主机连续发送数据包，持续时长略超过一个周期可将从机可靠唤醒，随后可根据约定好的协议传输数据；当然为了降低功耗，需要减小每个周期中处在接收状态的时间，此时可以利用引导码中断或者是同步码中断来实现。这种模式不足之处在于容易将大部分从机都唤醒，功耗相对高，实际产品上调试较麻烦。在以上两种模式的应用实例中，单模块部分的平均电流一般设计在几十uA，整机平均电流不超过100uA，当以平均电流为100uA，用1000mAh的电池供电时来计算，可以工作1000mAh /100uA =10000小时，约一年半。降低接收状态在每个周期的比例，或者用接收电流小的芯片（如SX1212）可显著提高电池使用寿命。另外，如果用普通电池供电，而理论上计算得到供电时间很长（如超过5年）是不怎么靠谱的，因为很多电池就算不使用自放电到都**不了5年。理论上计算出来的时间总是会比实际使用的时间要短，因为有一些额外的耗电往往被忽略了，例电板在生产时清洗不干净造成漏电，使用在回南天或者是潮湿的环境（沿海地区较常见），都可能会造成uA级的电流耗电

发表于 2016-1-16 18:18

RF-7 发表于 2016-1-16 00:22
使用低功率的前提是:需要传输数据量很小，比如几秒钟才发送一包数据。大多数的应用是一对多模式，即一台主 ...

WOR需要主机连续发射，在ETC，抄表这样的应用中，只有高速公路，电力公司这样的单位才能用，否则无线电管理委员会要找麻烦。还记得深圳地铁的2.4G事件不？

发表于 2016-1-16 18:20

RF-7 发表于 2016-1-16 00:22
使用低功率的前提是:需要传输数据量很小，比如几秒钟才发送一包数据。大多数的应用是一对多模式，即一台主 ...

另外，zigbee有效避免不该唤醒的设备唤醒了的缺点。

发表于 2017-2-9 17:41

如果按照1/2500的休眠/接收占空比，一节南孚电池大概可以支撑多久？1年？

发表于 2017-2-12 17:48

zhumuhong 发表于 2017-2-9 17:41
如果按照1/2500的休眠/接收占空比，一节南孚电池大概可以支撑多久？1年？

自己计算

发表于 2017-3-1 16:02

实际测试过吗？不知道能节省多少能耗开销，不过思路很好，我按照这个思路验证一下，看看能节省多少

发表于 2017-3-2 15:47

zhumuhong 发表于 2017-3-1 16:02
实际测试过吗？不知道能节省多少能耗开销，不过思路很好，我按照这个思路验证一下，看看能节省多少 ...

以ZigBee为例，使用CC2530平台，休眠节点1秒轮询一次，等效电流100uA（空轮询，没有实际数据通讯，可以看作待机），轮询时间延长到5秒，等效电流20uA。

发表于 2017-3-26 20:32

如果此时节点掉网，进入Orphan状态，还能马上进入休眠吗？
掉网扫描的电流至少20mA吧？

发表于 2017-3-26 20:38

进入PM2的睡眠状态，到底能实现多少电流？200uA~300uA吗？

发表于 2017-3-30 16:17

mobox 发表于 2017-3-26 20:38
进入PM2的睡眠状态，到底能实现多少电流？200uA~300uA吗？

1uA

发表于 2017-3-30 16:18

mobox 发表于 2017-3-26 20:32
如果此时节点掉网，进入Orphan状态，还能马上进入休眠吗？
掉网扫描的电流至少20mA吧？ ...

27mA*0.061s

[无线通信] 讨论一下无线通信中的低功耗休眠策略

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