信息科学与工程系列专著 无线通信网络超低功耗技术
作者： 柴远波，陈万里 主编
出版时间：2015年版
内容简介
本专著主要结合线通信网络，介绍了超低功耗的基本理论和技术、常用降低功耗的策略、超低功耗总线编码技术、微处理器超低功耗技术、嵌入式系统超低功耗技术、线传感网络超低功耗技术、WMN网络超低功耗技术、扩频通信系统超低功耗技术和其他短距离线通信超低功耗技术及性能/功耗评估策略。
目录
目 录
第1章 超低功耗的基本理论 1
1．1 线通信网络技术概况 1
1．1．1 线通信网络技术的发展历程 1
1．1．2 蜂窝通信的革命 2
1．1．3 全球蜂窝网络 3
1．1．4 宽带 4
1．1．5 未来趋势 5
1．1．6 线技术中的问题 6
1．2 线通信网络超低功耗的基本概念 6
1．3 功耗产生的原因 7
1．3．1 CMOS 电路的功耗 8
1．3．2 集成电路中的问题 12
1．4 与功耗有关的其他因素 13
1．4．1 拓扑控制 13
1．4．2 功率控制 14
1．5 超低功耗设计的必要性 17
1．6 超低功耗设计的特点 18
1．7 元件工艺的低功耗 20
1．8 降低功耗的措施 21
1．8．1 硬件低功耗和软件低功耗技术 21
1．8．2 功率控制 23
1．9 小结 25
第2章 降低功耗的策略 26
2．1 系统节能的机制 26
2．1．1 SoC不同层次的低功耗设计 28
2．1．2 低功耗设计的主要方法 28
2．1．3 寄存器级低功耗设计的主要方法 29
2．2 电路级 30
2．2．1 功耗产生的原因 30
2．2．2 与系统功耗有关的因素 30
2．2．3 降低功耗的措施 31
2．2．4 低耗能硬件设计 33
2．2．5 在集成电路设计中采用低功耗电路结构 36
2．3 逻辑级 38
2．3．1 功耗估计的原理 38
2．3．2 功耗模型定义 40
2．3．3 SoC在逻辑级上的低功耗设计 44
2．4 体系结构级 44
2．4．1 体系结构层低功耗技术 45
2．4．2 一些重要的体系结构层低功耗技术 45
2．4．3 部件使用的局部化 47
2．5 软件低功耗 49
2．5．1 低功耗编译优化技术 49
2．5．2 传统编译优化技术对功耗的优化 51
2．5．3 动态电压调节算法 52
2．5．4 软件低功耗设计 54
2．5．5 便携式产品通过软件降低功耗的方法 55
2．5．6 软件能量模型 58
2．5．7 基于多核体系结构的软件能量优化方法 60
2．5．8 利用软件降低3G手机功耗 61
2．5．9 利用数字电源系统管理降低数据中心的功耗 63
2．5．10 多轨板级电源系统 64
2．5．11 用于数字电源系统管理的控制接口 65
2．6 小结 65
第3章 超低功耗总线编码技术 66
3．1 总线低功耗技术概述 66
3．1．1 总线低功耗技术 66
3．1．2 简化的总线能耗模型 72
3．2 常用的总线低功耗技术 73
3．2．1 如何降低总线功耗 73
3．2．2 降低总线功耗的方法 74
3．3 超低功耗总线编码 76
3．3．1 深亚微米总线模型 76
3．3．2 降低功耗方面的编码技术 79
3．3．3 降低串扰影响方面的低功耗编码技术 87
3．3．4 差错控制编码技术 93
3．3．5 统一总线编码 96
3．4 总线的编码效果 99
3．4．1 传统E/O BI编码应用 99
3．4．2 针对AHB总线的混合型低功耗总线编码方案及硬件实现 101
3．4．3 针对AXI总线的低功耗总线编码方案及硬件实现 103
3．5 小结 105
第4章 微处理器超低功耗技术 106
4．1 微处理器超低功耗的基本理论 106
4．1．1 微处理器超低功耗设计的背景和意义 106
4．1．2 超低功耗设计的必要性 107
4．1．3 超低功耗设计的发展趋势 108
4．1．4 超低功耗微处理器的发展 110
4．2 集成电路功耗的来源 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 嵌入式处理器TLB部件的低功耗设计 125
4．4．2 FPGA的低功耗方法 129
4．4．3 SoC低功耗的设计 132
4．4．4 VLSI 的低功耗技术研究 138
4．5 小结 141
第5章 嵌入式系统超低功耗技术 142
5．1 功耗问题 142
5．1．1 限制芯片性能的改善 142
5．1．2 提高芯片制造成本 143
5．1．3 降低系统可靠性 143
5．1．4 增加系统执行成本 143
5．1．5 影响电池供电时间 143
5．2 集成电路低功耗技术 144
5．2．1 集成电路功耗分析 144
5．2．2 集成电路低功耗设计技术 145
5．3 嵌入式系统低功耗技术 148
5．3．1 低功耗硬件和体系结构技术 150
5．3．2 嵌入式系统低功耗软件技术 152
5．3．3 嵌入式处理器低功耗设计 154
5．3．4 外围设备低功耗设计 160
5．3．5 嵌入式软件低功耗设计 163
5．4 动态功耗管理 164
5．4．1 动态电源管理（DPM） 164
5．4．2 动态电压调节（DVS） 173
5．4．3 DVS与DPM的比较 175
5．5 处理器功耗评估方法 175
5．5．1 结构级的功耗评估方法 176
5．5．2 指令集功耗评估方法 178
5．5．3 RTL级和电路级功耗评估方法 179
5．6 小结 180
第6章 线传感器网络超低功耗技术 181
6．1 线传感器网络概述 181
6．1．1 线传感器网络的发展及应用前景 181
6．1．2 线传感器网络面临的能耗问题 183
6．1．3 线传感器网络（WSN）结构 184
6．1．4 线传感器网络的特点 186
6．2 线传感器网络节点能耗分析 187
6．2．1 能耗影响因素 188
6．2．2 能耗分析 189
6．3 超低功耗的策略 190
6．3．1 硬件系统的超低功耗策略 190
6．3．2 软件设计中的超低功耗策略 193
6．3．3 节能机制分析 197
6．3．4 典型休眠节能协议 198
6．4 典型WSN节点系统构成与分析 210
6．4．1 典型WSN节点介绍 210
6．4．2 典型WSN节点硬件平台的组成 212
6．4．3 节点性能与功耗的关系 217
6．5 超低功耗评判依据 218
6．5．1 超低功耗系列微控制器的功耗分析 218
6．5．2 环境能量补给技术现状 219
6．5．3 节点的使用寿命 220
6．5．4 通信模块功耗的特殊性 220
6．5．5 超低功耗的评判准则 221
6．6 WSN电能收集简介 221
6．7 小结 222
第7章 WMN网络超低功耗技术 223
7．1 WMN网络超低功耗概念 223
7．1．1 什么是WMN 224
7．1．2 线网状网的现状与发展 225
7．1．3 网状节点与WMN体系结构 225
7．1．4 WMN的主要特征 226
7．1．5 WMN将为宽带应用带来重大变革 227
7．2 WMN网络超低功耗策略 228
7．2．1 线Mesh网络 228
7．2．2 WMN系统组成分析 228
7．2．3 能耗分析与节能策略 229
7．2．4 设计WMN路由协议 231
7．2．5 WMN路由结构 232
7．2．6 路由技术的概念 233
7．2．7 Internet路由协议 233
7．2．8 Ad hoc网络路由协议 233
7．2．9 WMN路由协议 234
7．3 WMN高性能路由协议 235
7．3．1 TBR协议 236
7．3．2 线Mesh网络 237
7．3．3 线Mesh网络的研究现状 238
7．3．4 机会路由协议 243
7．3．5 有向双向非对称链路质量路由协议 245
7．3．6 线Mesh网络中的跨层路由 246
7．3．7 WRP协议 249
7．3．8 算法分析和比较 253
7．3．9 线Mesh路由算法――SQOR 256
7．4 认知线网络功率控制技术 256
7．4．1 功率控制概述 257
7．4．2 移动通信中的功率控制 258
7．4．3 TD-LTE系统的功率控制 261
7．4．4 TD-LTE功率控制的特点 262
7．4．5 功率控制技术的意义 263
7．4．6 功率控制的分类及介绍 264
7．4．7 控制的组级分类 266
7．4．8 多速率技术与功率控制技术之间的制约关系 267
7．5 WMN网络休眠与激活 269
7．5．1 外部传感器/仪表电源管理 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 异步唤醒过程功耗估算 279
7．5．6 一种改进的线通信系统唤醒方法 280
7．6 小结 289
第8章 扩频通信系统超低功耗技术（3G/4G） 290
8．1 功耗的影响 290
8．2 线通信网节能管理综述 293
8．2．1 线通信网节能管理框架 293
8．2．2 节能触发和恢复策略研究现状及存在的问题 298
8．2．3 线通信网能耗组成研究现状及存在的问题 299
8．3 基于覆盖定义信号功率调整的自主节能管理机制 300
8．3．1 概论 300
8．3．2 基于CD信号功率调整的自主集中式节能管理机制 301
8．4 节能 304
8．4．1 节能优化的数学模型 304
8．4．2 基于改进模拟退火的求解方法 305
8．4．3 节能机制的有效性评估 308
8．5 基于业务信道功率调整的自主节能管理机制 309
8．5．1 SEM-TC功能架构及流程 310
8．5．2 基于业务信道功率的线通信网能耗模型 312
8．5．3 局部OP补偿方法 313
8．5．4 节能的优化数学模型 314
8．6 基于多参数联合调整的自主节能管理机制 315
8．6．1 SEM-MP功能架构、流程、关键技术分析 316
8．6．2 区域化的基站状态确定方法 316
8．6．3 节能的优化数学模型 317
8．6．4 基于高效粒子群的求解方法 318
8．7 基于几何拓扑的多阶段分布式自主节能机制 320
8．8 基于几何拓扑的分布式自主节能管理机制 321
8．9 异构网络局部覆盖补偿方法分析 324
8．10 未来的研究工作 329
8．11 小结 329
第9章 其他短距离线通信超低功耗技术 330
9．1 ZigBee原理及应用 331
9．1．1 ZigBee简介 331
9．1．2 ZigBee网络拓扑结构 331
9．1．3 ZigBee技术的特点 332
9．1．4 ZigBee协议栈体系结构 333
9．1．5 ZigBee网络的应用 335
9．1．6 ZigBee的实际应用 336
9．2 Z-Wave原理及应用 336
9．2．1 Z-Wave简介 336
9．2．2 Z-Wave的技术特点 337
9．2．3 Z-Wave协议体系结构分析 338
9．2．4 Z-Wave协议的体系结构和网络控制节点 340
9．2．5 应用实例 342
9．2．6 发展前景 343
9．3 Wi-Fi原理及应用 343
9．3．1 Wi-Fi概况 343
9．3．2 Wi-Fi网络基本架构 344
9．3．3 Wi-Fi网络中通过规避干扰来提升网络容量的方法 346
9．3．4 Wi-Fi发展前景 347
9．4 RFID原理及应用 349
9．4．1 RFID技术概况 349
9．4．2 RFID应用现状 350
9．4．3 RFID系统的基本组成 351
9．4．4 RFID系统的工作原理 353
9．4．5 RFID访问安全 354
9．4．6 应用实例 355
9．5 UWB原理及应用 357
9．5．1 UWB概况 357
9．5．2 UWB频谱规范 359
9．5．3 UWB调制方式 360
9．5．4 UWB与其他短距离线技术的比较 363
9．5．5 UWB的应用 363
9．5．6 UWB的发展前景 364
9．6 Wibree原理及应用 365
9．6．1 Wibree概况 365
9．6．2 低功耗蓝牙技术 366
9．6．3 低功耗蓝牙协议栈研究 366
9．7 小结 370
第10章 性能/功耗评估策略 371
10．1 低功耗设计方法 371
10．1．1 线传感器网络低功耗设计方法 372
10．1．2 单片机低功耗设计方法 376
10．1．3 低功耗硬件电路的主要设计方法 377
10．1．4 嵌入式软件的低功耗技术 380
10．2 功耗优化和分析工具 383
10．2．1 CMOS数字电路功耗优化和分析工具 383
10．2．2 数字电路系统级功耗优化和分析工具 387
10．2．3 数字电路算法功耗优化和分析工具 389
10．2．4 数字电路RTL级功耗优化和分析工具 390
10．2．5 数字电路门级功耗优化和分析工具 391
10．2．6 数字电路晶体管级功耗优化和分析工具 392
10．2．7 线网络路由协议功耗优化和分析工具 394
10．3 超低功耗评估策略 395
10．3．1 线网络低功耗设计策略研究 395
10．3．2 线网络动态电压调节（DVS）低功耗策略 399
10．3．3 动态电源策略设计 400
10．3．4 基于网络编码的数据分发策略 401
10．4 实用低功耗设计手段 402
10．4．1 软件技术低功耗设计手段 402
10．4．2 通用模拟电路仿真器低功耗设计手段 403
10．4．3 SimpleScalar模拟仿真器低功耗设计手段 405
10．4．4 动态电压调节算法低功耗设计手段 406
10．4．5 基于处理器和存储器协调的能量优化方法 408
10．4．6 时钟门控和功耗门控技术低功耗设计手段 409
10．4．7 Cache配置低功耗设计手段 410
10．4．8 嵌入式处理器TLB部件的低功耗设计手段 411
10．4．9 组合电路漏电低功耗设计手段 411
10．4．10 时序电路漏电低功耗设计手段 412
10．4．11 线网络终端节点传感器低功耗设计手段 414
10．5 小结 417
附录A 英文缩写名词对照表 418
参考文献 422
