導讀：TurMass? 是上海道生物聯技術有限公司自主研發(fā)的新一代窄帶物聯網/LPWAN（低功耗廣域網）技術，上期文章給大家介紹了 TurMass? “六邊形戰(zhàn)士”修煉技術之一的組網靈活能力，本期是六邊形系列的最后一篇文章啦，將和大家談談 TurMass? 的低功耗優(yōu)勢，以及是如何做到低功耗的
TurMass? 是上海道生物聯技術有限公司自主研發(fā)的新一代窄帶物聯網/LPWAN（低功耗廣域網）技術，上期文章給大家介紹了 TurMass? “六邊形戰(zhàn)士”修煉技術之一的組網靈活能力，本期是六邊形系列的最后一篇文章啦，將和大家談談 TurMass?的低功耗優(yōu)勢，以及是如何做到低功耗的。
LPWAN 終端芯片的低功耗設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，不僅限于芯片設計工藝、電源管理，而且與無線傳輸方式、協議設計、軟件調度等都緊密相關。
芯片的功耗主要由靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗兩部分組成，靜態(tài)功耗是芯片處于休眠或待機階段的功耗，動態(tài)功耗可以簡單理解成芯片運行階段的功耗。如何降低芯片的靜態(tài)與動態(tài)功耗是低功耗的關鍵，也是芯片低功耗設計面臨的重要挑戰(zhàn)。
1. 低功耗工藝
芯片的靜態(tài)功耗，主要指漏電流功耗（Leakage Power），下圖是一個簡單 PMOS 漏電流示意圖，雖然每一個 MOS 管的漏電流很小，但隨著芯片規(guī)模的成倍增長，導致整體漏電流變得越來越大，嚴重影響靜態(tài)功耗。
TK8620 在設計之初，就將嚴格控制和降低靜態(tài)功耗作為重要設計目標之一。TK8620 選用 ULP（Ultra Low Power，極低功耗）的標準工藝庫，從根本上降低每一個 MOS 管的漏電流。
2. 靈活電源管理
TK8620 將芯片內部根據功能要求的不同，劃分成多個不同的電源管理域，主要包括高功耗電源域、AO 電源域（Always-On 區(qū)域）、動態(tài)電源域。
高功耗電源域主要包括射頻收發(fā)器和基帶處理部分，這部分區(qū)域的主要特點是功耗高、運行時間短。
AO 電源域是 TK8620 休眠控制的核心部分，它的特點是不間斷運行，是芯片休眠功耗的主要因素。動態(tài)電壓域主要包括 TK8620 內部的 MCU 和 Flash，這部分的特點是不同速率模式下對于處理能力的要求不盡相同。
根據上述不同電源域的特點，TK8620 采用不同的電源管理措施來降低功耗。
l 針對高功耗電源域，采用獨立的電源門控，可以快速關閉和啟動該區(qū)域；
l 對于 AO 電源域，采用 0.9 V 低壓供電，進一步降低休眠狀態(tài)下的功耗；
l 對于動態(tài)電壓域支持電壓的動態(tài)調整，可根據工作主頻的要求，在 0.9 ~ 1.2 V 之間調整供電電壓。
3. 高效調制和編碼方式
TK8620 采用差分相移頻移鍵控（Differential Phase Frequency Shift Keying，DPFSK）調制技術，相比 LoRa 具有更加高效的調制效率和頻譜利用率。在信道編碼上，TK8620 采用咬尾方式，可有效減少冗余和不必要的信息，使得傳輸數據更為緊湊。結合自有的mMIMO技術，可以使TK8620在相同靈敏度下，具有平均6倍于LoRa的傳輸速率，因此在傳輸相同數據和鏈路預算要求下，傳輸耗時只有LoRa的1/6，大幅降低無線收發(fā)時的功耗。
典型靈敏度 | LoRa 傳輸速率 | TurMass? 傳輸速率 | |
1 | -137 dBm | 0.293 kbps | 1.868 kbps |
2 | -131 dBm | 1.757 kbps | 7.472 kbps |
3 | -121 dBm | 9.38 kbps | 85 kbps |
4. 無線喚醒
TK8620也同樣支持無線喚醒功能。它可以定期醒來，通過一個固定的4 ms左右的接收窗口，即可快速的檢測是否有特定的喚醒信號。如果沒有檢測到喚醒信號，則迅速重新進入休眠狀態(tài)，等待下一次定時周期的到來；如果檢測到喚醒信號，則會判斷喚醒攜帶的喚醒信息，是否與自身喚醒ID相符，如果相符則會啟動接收功能，等待后續(xù)數據包的接收。通過喚醒信號攜帶的信息，可以實現對終端的廣播、組播和單播的不同喚醒方式。這種特有的無線喚醒方式，避免了廣播式喚醒對于所有終端功耗的無謂消耗，從而實現對終端休眠功耗的進一步降低。
5. 快速啟動
LPWAN 的終端設備，因為電池供電和低功耗的要求，通常會較頻繁在工作狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間切換，由于頻繁啟動所消耗的這部分功耗，經常容易被忽視。
以周期檢測無線喚醒這個功能為例，常規(guī)芯片從電源上電、時鐘 PLL 鎖定、MCU 加載指令到完成收發(fā)器初始化，所需時間會達到數毫秒。而 TK8620 用于檢測無線喚醒信號的開窗和檢測時間僅為 4 ms 左右。
TK8620 芯片內部針對性地設計了電源和時鐘的快速啟動模式，并且支持從 flash 直接啟動運行，大幅降低了芯片的啟動時間，縮減到數百 us，這部分功耗下降 90% 以上。
6. 簡化協議調度
為降低用戶之間因為并發(fā)而造成的沖突，通常的做法是采用 LBT（Listen before Talk）偵聽機制和回退避讓機制，雖然 LBT 協議可以降低碰撞的發(fā)生，但在實施過程中會引入一些協議開銷，例如偵聽開銷、延時開銷、重傳開銷等，會產生額外功耗。
采用大規(guī)模多天線免許可隨機接入（mGFRA）技術的 TurMass? 系統(tǒng)，具有高并發(fā)能力。TurMass? 系統(tǒng)下的終端芯片，可以大幅簡化發(fā)送數據前的協議開銷。TurMass? 終端開機并完成與多天線網關之間的同步后，可以立即發(fā)送數據。
綜上所述，降低 TurMass? 無線終端芯片的靜態(tài)與動態(tài)功耗是一項復雜而重要的挑戰(zhàn)。除了在芯片設計工藝和電源管理方面下足功夫外，還需要充分考慮高效的調制技術和編碼方式、協議設計和軟件等因素。只有綜合考慮這些因素并進行有效優(yōu)化，才能實現真正意義上的低功耗設計。
隨著物聯網技術的發(fā)展和應用場景的增多，LPWAN 終端芯片低功耗設計的需求將變得更加迫切。因此，在不斷探索創(chuàng)新解決方案的同時，各領域專家應加強合作與交流，共同推動 LPWAN 終端芯片低功耗設計技術的發(fā)展與應用。只有如此，才能滿足日益增長的物聯網市場需求，并為智慧城市、智慧農業(yè)、工業(yè)物聯網等領域提供可靠、高效、節(jié)能的低功耗物聯網解決方案。
