位于美国艾摩斯特市的马萨诸塞州大学(UMASS Amherst)的一个研究小组发明了一种新的无线电架构,它能够极大地降低可穿戴设备和小型电池供电设备在与较大型电池供电设备(如智能手机或笔记本电脑)通信时的功耗。

这些研究人员发现,只需在现有蓝牙低功耗(BLE)无线电设备中增加几个便宜的元件(与无源射频识别(RFID)标签中的类似),就能将联网设备的蓝牙无线电部分扩展到三种工作模式:有源、无源和反向散射。

2016100800016 图1:Braidio功耗与电池大小成正比。

在美国计算机协会数据通信特殊兴趣小组(SIGCOMM)会议上发表的论文《Bradidio:带有非对称能量预算的移动设备集成式有源无源无线电》(Braidio: An Integrated Active-Passive Radio for Mobile Devices with Asymmetric Energy Budgets)中指出,这种新的无线电架构允许设备在三种工作模式之间切换,可以只消耗与两台通信的设备之间检测到的可用能量成正比的功率。

他们最初的研究是从分析商用RFID标签阅读器(用于阅读无源标签的反向散射阅读器)开始的,通过在灵敏度方面的一些折衷,可以显著简化其架构,并提升其能效。

在合理的近距离(一米)内,反向散射模式可以维持1Mbps的数据速率。随着距离的增加,接收器反向散射模式支持的比特率将下降到100kbps和10kbps(分别在1.8m和2.4m处)。如果距离更长,具有改进蓝牙功能的物联网设备可以切换到无源接收器模式,在1Mbps速率下可以达到3.9m范围,在100kbps速率下可达4.2m范围。当距离超过6m时,两台设备都将切换到正常的BLE有源模式。

正是通过复用这三种模式,才使得两台设备能够不断地修正它们的通信机制,确保电池容量最低的设备能以最低的功耗实现最高的比特率。

马萨诸塞州大学计算机科学系副教授Deepak Ganesan将这种交错进行的多模式通信机制命名为Braidio,即“交替式无线电,braided radios”。

这几种不同的模式可以让两台设备以不对称的功率模式进行通信,在发射器和接收器之间动态地分割通信功耗负担,因为最小的设备一般要求最好的功率预算(虽然较大的设备在电池电量低时也可以提出同样的要求)。

论文中描述的与功耗成比例的低功耗无线电对的发射器和接收器功耗比可以在1:2546到356:1之间变化,这是一个很大的动态范围(7个数量级),完全可以满足不同设备之间宽范围的功率预算要求。

2016100800017 图2:各种商用设备在不同距离进行传输时采用Braidio和蓝牙的性能增益比较。

研究小组还专门收集了具有不同电池容量的多种设备之间分别使用Braidio和普通对称负载BLE传输时的性能增益数据。结果数据令人吃惊!

数据表明,“交替式无线电”在不同模式下的功耗在16uW与129mW之间,与蓝牙相比,传输的总比特数量增加了好几个数量级。

2016100800018 图3:分别用Braidio和蓝牙进行传输获得的性能增益比较(横坐标上的设备传输数据到纵坐标上的设备时)

当两台通信设备电量差距很大时,采用Braidio的优势尤其明显,因此与工作在完全有源模式时相比,它能够使大多数能量受限的设备持续长得多的工作时间。

“我们正在保护相关的专利,并着手考虑IP许可问题。”Ganesan承认,不过这些研究人员还没有确定的未来商业计划。

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