CN111669811B - 一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法 - Google Patents

一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法，通过利用整个无线通信信道损耗及相应的公式，计算低功耗无线发射机的发射功率控制方法，以该方法计算的发射功率发射信号可以节省发射机的功率，改善低功率无线通信设备的通信能效。

Description

一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法
技术领域
本发明涉及功耗计算技术领域，具体涉及一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法。
背景技术
在无线传感网络中，感知节点的通信子系统是功耗最大的子系统。每一个传感器节点都有严格的能量预算，而在整个功耗模块中射频模块功耗是最大的，因此，降低发射机射频模块的功耗可以大大节省整个无线传感模块的功耗。控制传输功率可以使一个发射节点限制射频模块以最小发射功率与接收节点保持正常通信，以节省发射节点的功耗。很多文献提出发送功率与收发节点之间的距离有关，即PTX＝αTX+ρTX·dn，其中，αTX和ρTX是常数，n是路径损耗指数，d是收发节点间的距离。这种发射机功率设置意味着使用任何天线的发送功率都是一样的，射频模块的效率在任何天线功率下都是常数。然而，发射机的射频模块效率会随着天线功率而变化。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法，解决了目前无法精确地计算发射端所需要的最低发射功率，从而浪费发射功率的问题。
本发明一实施例提供的一种低功耗无线发射机的发射功率控制方法，包括：将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式；将所述天线功率第二公式和所述源功率第二公式代入发射机发射效率第二公式，得到发射机发射效率第三公式。根据将自由空间传播损耗公式得到接收端接收功率第一公式；根据发射机发射效率第一公式和所述发射机发射效率第三公式得到天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式，将所述天线功率和功率放大器之间的关系公式代入所述接收端接收功率第一公式得到接收端接收功率第二公式。将所述接收端接收功率第二公式转化成功率放大器功耗第一公式；将发送端到接收端的路径损耗公式代入所述功率放大器功耗第一公式，将所述功率放大器功耗第一公式简化成功率放大器功耗第二公式；根据所述功率放大器功耗第二公式计算整个发送端功耗。
在本发明一实施方式中，在所述根据阻抗匹配原理，忽略天线功率第一公式和源功率第一公式中的感抗，将所述天线功率第一公式和所述源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式之前，进一步包括：根据所述发射机的发射功率与经功率放大器放大的信号功率之间的线性关系公式代入所述射频模块功率效率第一公式得到射频模块功率效率第二公式。
在本发明一实施方式中，通过查阅功率放大器和收发芯片数据表中的数据，将所述功率放大器和收发芯片数据表中的数据代入所述射频模块功率效率第二公式得到射频模块的最大发射效率；优选地，所述射频模块的最大发射效率为50％。
在本发明一实施方式中，
所述天线功率第一公式为：
所述源功率第一公式为：和/或
所述天线功率第二公式为：
所述源功率第一公式为：
其中，Pant为天线功率，Rant为天线阻抗，I为源端电流，E为发送端电压，Rs为源阻抗，Ps为源功率，Xs为源端阻抗的虚部，Xant为天线阻抗的虚部。
在本发明一实施方式中，所述发射机发射效率第一公式为：所述发射机发射的第二公式和所述发射机发射的第三公式为：/>
其中，Pant为天线功率，PPA为功率放大器功耗，Ps为源功率，a是一个大于等于1的数值。
在本发明一实施方式中，所述接收端接收功率第一公式为：和/或
所述接收端接收功率第二公式为：
其中，PRX为接收端的接收功率，d为接收端与发送端的距离，Pant为天线功率，n为路径损耗指数，E为发送端电压，PPA为功率放大器的功耗。
在本发明一实施方式中，所述功率放大器功耗第一公式为：其中，PPA为功率放大器的功耗，E为发送端电压，PRX为接收端的接收功率，Rant为天线阻抗，d为接收端与发送端的距离，n为路径损耗指数，k是与天线增益有关的系数。
在本发明一实施方式中，发送端到接收端的路径损耗公式为：和/或所述功率放大器功耗第二公式为/>
其中，PL为发送端到接收端的路径损耗，d为接收端与发送端的距离，PPA为功率放大器的功耗，ρPA为一个与接收功率有关的系数。
在本发明一实施方式中，所述整个发送端功耗为：
其中，P0为发送端稳态功耗，PPA为功率放大器的功耗，PL为发送端到接收端的路径损耗。
一种低功耗无线发射机，使用上述任一所述的低功耗无线发射机的发射功率控制方法计算发射功率。
相对于现有技术，本发明提出的低功耗无线发射机的发射功率是通过整个无线通信信道损耗和sub-GHz低功率收发芯片的数据表计算出来的，可以节省发射机的发射功率，改善低功率无线通信设备的通信能效，可以进一步延长偏远山区、基建工程现场等供电困难的环境下无线通信设备的供电时长。
本发明实施例提供的一种低功耗无线发射机及其发射功率控制方法，包括：根据阻抗匹配原理，忽略天线功率第一公式和源功率第一公式中的感抗，将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式。将天线功率第二公式和源功率第二公式代入发射机发射效率第二公式，得到发射机发射效率第三公式。根据将自由空间传播损耗公式得到接收端接收功率第一公式；根据发射机发射效率第一公式和发射机发射效率第三公式得到天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式，将天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式代入接收端接收功率第一公式得到接收端接收功率第二公式。将接收端接收功率第二公式转化成功率放大器功耗第一公式；将发送端到接收端的路径损耗公式代入功率放大器功耗第一公式，将功率放大器功耗第一公式简化成功率放大器功耗第二公式；根据功率放大器功耗第二公式计算整个发送端功耗。通过利用整个无线通信信道损耗及相应的公式，计算低功耗无线发射机的发射功率，以该方法计算的发射功率发射信号可以节省发射机的功率，改善低功率无线通信设备的通信能效。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1所示为本发明一实施例提供的一种低功耗无线发射机的发射功率控制方法的流程示意图。
图2所示为本发明一实施例提供的一种功率放大器的结构示意图。
图3所示为本发明另一实施例提供的一种通信区域划分的结构示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明一实施例提供的一种低功耗无线发射机的发射功率控制方法的流程示意图。
如图1所示，该低功耗无线发射机的发射功率控制方法包括：
步骤01：根据阻抗匹配原理，忽略天线功率第一公式和源功率第一公式中的感抗，将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式。
步骤02：将天线功率第二公式和源功率第二公式代入发射机发射效率第二公式，得到发射机发射效率第三公式。
步骤03：根据将自由空间传播损耗公式得到接收端接收功率第一公式。
步骤04：根据发射机发射效率第一公式和发射机发射效率第三公式得到天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式，将天线功率和功率放大器之间的关系公式代入接收端接收功率第一公式得到接收端接收功率第二公式。
步骤05：将接收端接收功率第二公式转化成功率放大器功耗第一公式。
步骤06：将发送端到接收端的路径损耗公式代入功率放大器功耗第一公式，将功率放大器功耗第一公式简化成功率放大器功耗第二公式。
步骤07：根据功率放大器功耗第二公式计算整个发送端功耗，并根据所计算的发送端功耗控制低功耗无线发射机的发射功率。
通过利用整个无线通信信道损耗及相应的公式，计算低功耗无线发射机的发射功率控制方法，以该方法计算的发射功率发射信号可以节省发射机的功率，改善低功率无线通信设备的通信能效。
本发明一实施例中，在根据阻抗匹配原理，忽略天线功率第一公式和源功率第一公式中的感抗，将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式之前，进一步包括：根据发射机的发射功率与经功率放大器放大的信号功率之间的线性关系公式代入射频模块功率效率第一公式得到射频模块功率效率第二公式。
本发明一实施例中，通过查阅功率放大器和收发芯片数据表中的数据，将功率放大器和收发芯片数据表中的数据代入射频模块功率效率第二公式得到射频模块的最大发射效率；优选地，射频模块的最大发射效率为50％。
本发明一实施例中，天线功率第一公式为：
源功率第一公式为：
和/或天线功率第二公式为：
源功率第一公式为：
其中，Pant为天线功率，Rant为天线阻抗，I为源端电流，E为发送端电压，Rs为源阻抗，Ps为源功率，Xs为源端阻抗的虚部，Xant为天线阻抗的虚部；a是一个大于等于1的数值，设置Rs→aRs指Rs是可控的。
本发明一实施例中，发射机发射效率第一公式为：发射机发射的第二公式和发射机发射的第三公式为：/>
其中，Pant为天线功率，PPA为功率放大器功耗，Ps为源功率。
本发明一实施例中，接收端接收功率第一公式为：和/或接收端接收功率第二公式为：/>功率放大器功耗第一公式为：/>
其中，PRX为接收端的接收功率，d为接收端与发送端的距离，Pant为天线功率，n为路径损耗指数，E为发送端电压，PPA为功率放大器的功耗。
本发明一实施例中，发送端到接收端的路径损耗公式为：和/或功率放大器功耗第二公式为/>
其中，PL为发送端到接收端的路径损耗，d为接收端与发送端的距离，PPA为功率放大器的功耗，ρPA为一个与接收功率有关的系数，n为路径损耗指数。
本发明一实施例中，整个发送端功耗PTX(PL)为：
其中，P0为发送端稳态功耗，PPA为功率放大器的功耗，PL为发送端到接收端的路径损耗，ρPA为一个与接收功率有关的系数。
本发明一实施例中，射频发射机的功率Pdc与经功率放大器放大的信号功率PTX之间有如下的线性关系：
Pdc＝βPTX+P*0≤PTX≤Pmax (1)
其中，β是一个常数因子，Pmax和P*分别是功率放大器达到的最大信号和稳态功耗。那么，一个射频模块的功率效率为
η＝PTX/Pdc＝1/(β+P*/PTX) (2)
式子中的参数可以查阅功率发大器和收发芯片的数据表获得。一般的功率放大器β＝1，Pmax＝P*，那么当PTX＝Pmax时，射频模块的最大发射效率η为50％。
图2所示为本发明一实施例提供的一种功率放大器的结构示意图。
如图2所示，Zs是源阻抗，天线阻抗一般为50Ω，图2中天线功率为Pant，源功率为Ps，表达式分别为：
其中，E是发送端电压。如果阻抗匹配，Pant可达到最大功率(传输天线输出的最大功率)。这种情况下，根据匹配原理，Rs＝Rant，天线发射功率效率是50％。由于网络是阻抗匹配的，那么公式中的感抗可以忽略，这意味着通过改变源阻抗Rs能够控制Pant。当Rs设置为aRs(Rs→aRs，a≥1)，公式(3)变为
从在上式可以得到发射机的发射效率为
其中功率放大器的功耗为PPA。自由空间中的传播损耗为
其中，d是收发端距离，n是路径损耗指数。在接收端距离发送端为d时，结合公式(5)得到接收端的接收功率PRX为
那么，功率放大器的功耗为
根据公式(8)，可以获得功率放大器的功耗为
其中，PL为发送端到接收端的路径损耗，表达式为
E是发送端电压，Rant是天线阻抗，那么功率放大器的功耗可以简化为
其中ρPA是一个与接收功率有关的系数。整个发送端功耗为
其中，P0是发送端稳态功耗。由此可以看出，最大发送功率PTX-max和最低限接收功率PRX(可靠通信所需要的最低接收功率)决定了最大信道损耗PLmax，而最小的发送功率PTX-min和接收功率PRX决定了最小信道损耗PLmin。当实际的路径损耗为PLmax时，发送端以最大发射功率PTX-max传输信息，如果实际路径损耗PL≤PLmin时，发送端发射功率为PTX-min。
对于实际的低功率收发器，P0通常是未知的，但是发送端稳态功耗和系数ρPA可以从上式计算出来，如下所示
图3所示为本发明另一实施例提供的一种通信区域划分的结构示意图。
根据信道损耗，可以划分为三个通信区域，如图3所示。其中I区域为能量耗费区域，信道损耗小于PLmin，发送端以大于足够功率的PTX-min功率发送信号。发送端的最小发射功率PTX-min越小，区域I越小。区域II是功率适应区，实际路径损耗PL在PLmin和PLmax之间，发送端根据公式(12)计算发送功率发送信号，使得接收端刚好能够可靠地接收信号即可。区域III是无通信区，实际的信道损耗大于PLmax，当发送端以最大功率PTX-max发送信号，接收端也无法接收信号。
通过利用整个无线通信信道损耗及相应的公式，计算低功耗无线发射机的发射功率控制方法，以该方法计算的发射功率发射信号可以节省发射机的功率，改善低功率无线通信设备的通信能效。
本发明一实施例中该低功耗无线发射机，使用上述实施例中任一的低功耗无线发射机的发射功率控制方法计算发射功率。具体地，根据阻抗匹配原理，忽略天线功率第一公式和源功率第一公式中的感抗，将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式。将天线功率第二公式和源功率第二公式代入发射机发射效率第二公式，得到发射机发射效率第三公式。根据将自由空间传播损耗公式得到接收端接收功率第一公式；根据发射机发射效率第一公式和发射机发射效率第三公式得到天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式，将天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式代入接收端接收功率第一公式得到接收端接收功率第二公式。将接收端接收功率第二公式转化成功率放大器功耗第一公式；将发送端到接收端的路径损耗公式代入功率放大器功耗第一公式，将功率放大器功耗第一公式简化成功率放大器功耗第二公式；根据功率放大器功耗第二公式计算整个发送端功耗。通过利用整个无线通信信道损耗及相应的公式，计算低功耗无线发射机的发射功率控制方法，以该方法计算的发射功率发射信号可以节省发射机的功率，改善低功率无线通信设备的通信能效。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种低功耗无线发射机的发射功率控制方法，其特征在于，包括：
将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式；
将所述天线功率第二公式和所述源功率第二公式代入发射机发射效率第二公式，得到发射机发射效率第三公式；
根据自由空间传播损耗公式得到接收端接收功率第一公式；
根据发射机发射效率第一公式和所述发射机发射效率第三公式得到天线功率和功率放大器的功耗之间的关系公式，将所述天线功率和功率放大器功耗之间的关系公式代入所述接收端接收功率第一公式得到接收端接收功率第二公式；
将所述接收端接收功率第二公式转化成功率放大器功耗第一公式；
将发送端到接收端的路径损耗公式代入所述功率放大器功耗第一公式，将所述功率放大器功耗第一公式简化成功率放大器功耗第二公式；
根据所述功率放大器功耗第二公式计算整个发送端功耗，并根据所计算的发送端功耗控制低功耗无线发射机的发射功率；
所述天线功率第一公式为：
所述源功率第一公式为：
所述天线功率第二公式为：
所述源功率第二公式为：
其中，Pant为天线功率，Rant为天线阻抗，I为源端电流，E为发送端电压，Rs为源阻抗，Ps为源功率，Xs为源端阻抗的虚部，Xant为天线阻抗的虚部；
所述发射机发射效率第一公式为：所述发射机发射效率第二公式为：所述发射机发射效率第三公式为：/>
其中，PPA为功率放大器功耗；
自由空间传播损耗公式为
其中，d是收发端距离，n是路径损耗指数；
所述接收端接收功率第一公式为：
所述接收端接收功率第二公式为：
其中，PRX为接收端的接收功率；
所述功率放大器功耗第一公式为：
发送端到接收端的路径损耗公式为：
所述功率放大器功耗第二公式为
其中，PL为发送端到接收端的路径损耗，ρPA为一个与接收功率有关的系数；
所述整个发送端功耗PTX(PL)为：
其中，P0为发送端稳态功耗。
2.根据权利要求1所述的低功耗无线发射机的发射功率控制方法，其特征在于，所述将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式的步骤，具体包括：根据阻抗匹配原理，忽略天线功率第一公式和源功率第一公式中的感抗，将所述天线功率第一公式和所述源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式；
所述将天线功率第一公式和源功率第一公式转化成天线功率第二公式和源功率第二公式的步骤之前，进一步包括：
射频发射机的功率Pdc与经功率放大器放大的信号功率PTX之间有如下的线性关系：
Pdc＝βPTX+P* 0≤PTX≤Pmax (1)
其中，β是一个常数因子，Pmax和P*分别是功率放大器达到的最大信号和稳态功耗；一个射频模块的功率效率为
η＝PTX/Pdc＝1/(β+P*/PTX) (2)
式中的参数查阅功率发大器和收发芯片的数据表获得；功率放大器β＝1，Pmax＝P*；当PTX＝Pmax时，射频模块的最大发射效率η为50％。
3.一种低功耗无线发射机，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序以实现上述权利要求1-2任一所述的低功耗无线发射机的发射功率控制方法。
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