TurMass? 是上海道生物聯(lián)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的新一代窄帶物聯(lián)網(wǎng)/LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）技術(shù)，上期文章給大家介紹了 TurMass? “六邊形戰(zhàn)士”修煉技術(shù)之一的組網(wǎng)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?wù)?strong> 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(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅限于芯片設(shè)計工藝、電源管理，而且與無線傳輸方式、協(xié)議設(shè)計、軟件調(diào)度等都緊密相關(guān)。

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(jī)階段的功耗，動態(tài)功耗可以簡單理解成芯片運(yùn)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(guān)鍵，也是芯片低功耗設(shè)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(dǎo)致整體漏電流變得越來越大，嚴(yán)重影響靜態(tài)功耗。

TK8620 在設(shè)計之初，就將嚴(yán)格控制和降低靜態(tài)功耗作為重要設(shè)計目標(biāo)之一。TK8620 選用 ULP（Ultra Low Power，極低功耗）的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部根據(jù)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(diǎn)是功耗高、運(yùn)行時間短。

AO 電源域是 TK8620 休眠控制的核心部分，它的特點(diǎn)是不間斷運(yùn)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(nèi)部的 MCU 和 Flash，這部分的特點(diǎn)是不同速率模式下對于處理能力的要求不盡相同。

根據(jù)上述不同電源域的特點(diǎn)，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(dú)立的電源門控，可以快速關(guān)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(jìn)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(diào)整，可根據(jù)工作主頻的要求，在 0.9 ~ 1.2 V 之間調(diào)整供電電壓。

3. 高效調(diào)制和編碼方式

TK8620 采用差分相移頻移鍵控（Differential Phase Frequency Shift Keying，DPFSK）調(diào)制技術(shù)，相比 LoRa 具有更加高效的調(diào)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(shù)據(jù)更為緊湊。結(jié)合自有的mMIMO技術(shù)，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(shù)據(jù)和鏈路預(yù)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。

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(jìn)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(shù)據(jù)包的接收。通過喚醒信號攜帶的信息，可以實現(xiàn)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(xiàn)對終端休眠功耗的進(jìn)一步降低。

5. 快速啟動

LPWAN 的終端設(shè)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(jīng)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(dá)到數(shù)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(nèi)部針對性地設(shè)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(yùn)行，大幅降低了芯片的啟動時間，縮減到數(shù)百 us，這部分功耗下降 90% 以上。 

6. 簡化協(xié)議調(diào)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(jī)制和回退避讓機(jī)制，雖然 LBT 協(xié)議可以降低碰撞的發(fā)生，但在實施過程中會引入一些協(xié)議開銷，例如偵聽開銷、延時開銷、重傳開銷等，會產(chǎn)生額外功耗。

采用大規(guī)模多天線免許可隨機(jī)接入（mGFRA）技術(shù)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(shù)據(jù)前的協(xié)議開銷。TurMass? 終端開機(jī)并完成與多天線網(wǎng)關(guān)之間的同步后，可以立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

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(fù)雜而重要的挑戰(zhàn)。除了在芯片設(shè)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(diào)制技術(shù)和編碼方式、協(xié)議設(shè)計和軟件等因素。只有綜合考慮這些因素并進(jìn)行有效優(yōu)化，才能實現(xiàn)真正意義上的低功耗設(shè)計。 

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場景的增多，LPWAN 終端芯片低功耗設(shè)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(lǐng)域?qū)＜覒?yīng)加強(qiáng)合作與交流，共同推動 LPWAN 終端芯片低功耗設(shè)計技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。只有如此，才能滿足日益增長的物聯(lián)網(wǎng)市場需求，并為智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域提供可靠、高效、節(jié)能的低功耗物聯(lián)網(wǎng)解決方案。