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1、上海交通大学 硕士学位论文 低功耗无线VoIP终端系统的设计与实现 姓名：陶舒婷 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：胡飞;姜换新 20090501 IV 低功耗无线 VoIP 终端系统的设计与实现 低功耗无线 VoIP 终端系统的设计与实现 摘 要 随着手持式嵌入式系统功能的日益强大，其整体系统功耗也随之增加，相对于发展 速度相对缓慢的电池供电技术， 系统功耗已逐渐成为了手持式嵌入式系统设计的重要制 约因素。在工业界，相对于较长的硬件设计周期，产品的软件设计周期普遍更灵活；同 时随着各种软件优化技术的出现，其中包括编译器优化、DPM（Dynamic Power Management
2、）、DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）等技术，软件方法已经 成为系统功耗优化的重要手段。 然而，对于手持式无线 VoIP（Voice over Internet Protocol）终端而言，系统的整体 功耗由多个部分组成， 其中包括 MCU （Micro Central Unit） 、 网络通信模块、 LCD （Liquid Crystal Display）、存储设备等。单纯地利用现有的热点代码优化或 DVFS 技术仅能降 低 MCU 的功耗，另一方面，单一地使用 DPM 技术也只能降低外围模块的功耗。实验 表明， 简单地使用偏向 MCU 功
3、耗优化的 DVFS 技术可能反而引起外围模块功耗的增加， 从而使系统整体的功耗增加。与通用的多媒体手持设备不同，对于手持式无线 VoIP 终 端，射频模块的功耗可能占整个系统功耗的 40%以上，因此直接使用适用于 MCU 占系 统功耗主导的软件优化方法难以实现良好的功耗优化效果。 本文的研究目标是基于一个无线语音通信系统，根据分析无线通信 RF（Radio Frequency）模块的工作模式，实现一种针对无线通信模块改良的 DVFS 调度机制，在 MCU 功耗优化的同时兼顾外围模块的功耗优化。课题主要从两方面入手，对系统整体 的功耗进行优化。首先，通过分析 MCU 与 RF 模块的不同工作模式
4、，研究适用于无线 实时通信系统的 DVFS 调度机制，利用基于 RF 模块加权的 LaEDF（Look-ahead Earliest Deadline First）算法，根据语音与控制数据的实时要求，计算需要的语音编解码的处理 速度， 动态调整MCU的工作电压与频率， 从而控制语音信号的收发节奏。 本课题的DVFS 策略是在 MCU 低功耗优化与 RF 模块休眠机制两者之间进行平衡，最终达到整体系统 功耗的优化。另一方面，根据无线传输频段的选择，减少信号在空中传输的时间，从而 降低 RF 模块的整体工作时间，达到低功耗优化的目的。 作为一个商用无线实时通信系统，由于工作在开放 ISM（Indu
5、stry Science and Medicine） 频段， 必须考虑产品与同频段的通用系统如 Bluetooth、 WLAN （Wireless Local Area Network）以及同类无线通信系统的共存（coexisting）问题。本文构建的无线通信 系统，通过分析 WLAN 三个子频段的分布特性，利用 WLAN-Weighted FAP (Frequency V Agility Protocol)策略，在检测到冲突时，动态将系统跳频至一个空闲的子频段，从而提 升了系统抗干扰的性能；同时，通过分析 Bluetooth 设备的跳频特性，利用不同频率收 发数据在来实现的与 Bluetoo
6、th 系统设备的共存。 最后，文章给出了应用于无线 VoIP（Voice over Internet Protocol）手持终端的具体 实现，该框架在基于 nRF2401 的平台上实现了一个低功耗语音传输系统。 关键词 嵌入式系统, 动态功耗管理, DVFS 算法, FAP, ISM 共存 VI THE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A POWER EFFICIENT WIRELESS VOIP TERMINAL SYSTEM ABSTRACT With the fast development of embedded systems, functions of e
7、mbedded processors are getting more and more powerful. Therefore, to prolong the battery life has become one of the essential goals. Compared with a longer development cycle of hardware design, life cycle of software design is more flexible; furthermore, with the development of optimization in compi
8、ler and DPM (Dynamic Power Management), DVFS (Dynamic Voltage and Frequency Scaling) technology, software optimization has become an important approach to optimize power consumption. On the other hand, for most wireless embedded system such as VoIP, which consist of multiple components including MCU
9、 (Micro Central Unit), network communication module, LCD, and storage systems. Simply using hot spot code optimization or DVFS technology can only optimize power consumption of MCU. Also, simply using DPM technology can only lower power consumption of other I/O components. Moreover, experiments show
10、ed that simply using MCU focused DVFS method may increase power consumption of other I/O components and the whole system. Unlike some of the multi-media handheld devices, for a handheld wireless VoIP device, an RF (Radio Frequency) module may consume up to 40% power of the whole system. From the who
11、le system point of view, optimization is very limited with a single DVFS optimized MCU. Purpose of this paper is to design and implement a DVFS method for a wireless audio system. According to the working mode of RF module, design a scheduling method to balance between power optimization between MCU
12、 and RF module. This paper employed two approaches to optimize power consumption of the whole system. At first, we based on a LaEDF algorithm to calculate scheduling strategy to meet requirements of voice communication and RF module working states. Second, this system selected certain frequency band
13、 to decrease transmit ion time and lower the RF module power consumption. VII As a wireless real-time communication product, this system is working on ISM (Industry Science and Medicine) to communicate with other devices. So how to coexisting with other wireless systems such as Bluetooth and WLAN (W
14、ireless Local Area Network) must be taken into consideration. In this paper, we analyzed the working mode of WLAN and utilized a WLAN-Weighted FAP (Frequency Agility Protocol) algorithm to deal with the conflict; at the same time, by analyzing frequency hopping of Bluetooth, this system using differ
15、ent frequencies to coexisting with Bluetooth devices. In the last session of this paper, we implemented above optimizations onto a wireless handheld VoIP (Voice over Internet Protocol) terminal based on nRF2401 platform. Keywords Embedded System, Dynamic Power Management, Dynamic Voltage and Frequen
16、cy Scaling, FAP, ISM Coexisting 66 67 1 1 绪绪 论论 1.1 研究背景研究背景 计算机系统中直接消耗能量的是计算机硬件， 包括处理器和存储器等外围输 入输出部件。总体而言，系统中功耗分为数字电路功耗和模拟电路功耗，在嵌入 式系统中数字电路功耗是系统功耗的主要部分。 对于大多数依靠电池供电的手持 式无线通信设备，如 VoIP 手持终端，处理器、无线通信模块、显示 LCD、等硬 件占用了系统绝大多数的功耗。随着技术的发展，一方面，人们希望无线语音产 品具有更好的通信效果，更长的通信距离，但另一方面又希望产品具有更长的通 话时间而无须频繁地充电，也不希望随身携带大体积的电池，这就要求对系统的 功耗进行优化。 通过软件方式进行系统功耗优化已经成为一种重要手段。 现有的功耗优化技 术主要包括基于存储器访问控制的软件优化、DPM 和 DVFS 技术。 基于存储器访问控制的软件优化方法将存储系统分为 Register、 Cache、 SPM （Scratch pad memories
