本專著主要結合線通信網絡，介紹了超低功耗的基本理論和技術、常用降低功耗的策略、超低功耗總線編碼技術、微處理器超低功耗技術、嵌入式系統超低功耗技術、線傳感網絡超低功耗技術、WMN網絡超低功耗技術、擴頻通信系統超低功耗技術和其他短距離線通信超低功耗技術及性能/功耗評估策略。
柴遠波，現為黃河科技學院信息工程研究所所長/教授。中國線通信標準研究組成員；《電子學報》審稿專家；《信息技術研究》編輯部主任。作為項目負責人與項目骨干以及主要研發人員承擔和參與了多個重大項目、課題的研發工作，其中3項為國家科技攻關重中之重項目和863計劃項目，1項產業化項目和1項軍隊攻關項目。獲省部級科技進步獎多項，目前承擔河南省杰出青年科學基金項目“3G-1x EVDO反向鏈路速率控制問題研究”，項目編號074100510023。
第1章 超低功耗的基本理論 1
1．1 線通信網絡技術概況 1
1．1．1 線通信網絡技術的發展歷程 1
1．1．2 蜂窩通信的革命 2
1．1．3 全球蜂窩網絡 3
1．1．4 寬帶 4
1．1．5 未來趨勢 5
1．1．6 線技術中的問題 6
1．2 線通信網絡超低功耗的基本概念 6
1．3 功耗產生的原因 7
1．3．1 CMOS 電路的功耗 8
1．3．2 集成電路中的問題 12
1．4 與功耗有關的其他因素 13
1．4．1 拓撲控制 13
1．4．2 功率控制 14
1．5 超低功耗設計的必要性 17
1．6 超低功耗設計的特點 18
1．7 元件工藝的低功耗 20
1．8 降低功耗的措施 21
1．8．1 硬件低功耗和軟件低功耗技術 21
1．8．2 功率控制 23
1．9 小結 25
第2章 降低功耗的策略 26
2．1 系統節能的機制 26
2．1．1 SoC不同層次的低功耗設計 28
2．1．2 低功耗設計的主要方法 28
2．1．3 寄存器級低功耗設計的主要方法 29
2．2 電路級 30
2．2．1 功耗產生的原因 30
2．2．2 與系統功耗有關的因素 30
2．2．3 降低功耗的措施 31
2．2．4 低耗能硬件設計 33
2．2．5 在集成電路設計中采用低功耗電路結構 36
2．3 邏輯級 38
2．3．1 功耗估計的原理 38
2．3．2 功耗模型定義 40
2．3．3 SoC在邏輯級上的低功耗設計 44
2．4 體系結構級 44
2．4．1 體系結構層低功耗技術 45
2．4．2 一些重要的體系結構層低功耗技術 45
2．4．3 部件使用的局部化 47
2．5 軟件低功耗 49
2．5．1 低功耗編譯優化技術 49
2．5．2 傳統編譯優化技術對功耗的優化 51
2．5．3 動態電壓調節算法 52
2．5．4 軟件低功耗設計 54
2．5．5 便攜式產品通過軟件降低功耗的方法 55
2．5．6 軟件能量模型 58
2．5．7 基于多核體系結構的軟件能量優化方法 60
2．5．8 利用軟件降低3G手機功耗 61
2．5．9 利用數字電源系統管理降低數據中心的功耗 63
2．5．10 多軌板級電源系統 64
2．5．11 用于數字電源系統管理的控制接口 65
2．6 小結 65
第3章 超低功耗總線編碼技術 66
3．1 總線低功耗技術概述 66
3．1．1 總線低功耗技術 66
3．1．2 簡化的總線能耗模型 72
3．2 常用的總線低功耗技術 73
3．2．1 如何降低總線功耗 73
3．2．2 降低總線功耗的方法 74
3．3 超低功耗總線編碼 76
3．3．1 深亞微米總線模型 76
3．3．2 降低功耗方面的編碼技術 79
3．3．3 降低串擾影響方面的低功耗編碼技術 87
3．3．4 差錯控制編碼技術 93
3．3．5 統一總線編碼 96
3．4 總線的編碼效果 99
3．4．1 傳統E/O BI編碼應用 99
3．4．2 針對AHB總線的混合型低功耗總線編碼方案及硬件實現 101
3．4．3 針對AXI總線的低功耗總線編碼方案及硬件實現 103
3．5 小結 105
第4章 微處理器超低功耗技術 106
4．1 微處理器超低功耗的基本理論 106
4．1．1 微處理器超低功耗設計的背景和意義 106
4．1．2 超低功耗設計的必要性 107
4．1．3 超低功耗設計的發展趨勢 108
4．1．4 超低功耗微處理器的發展 110
4．2 集成電路功耗的來源 111
4．3 如何降低功耗 113
4．4 目前常用的低功耗元器件 125
4．4．1 嵌入式處理器TLB部件的低功耗設計 125
4．4．2 FPGA的低功耗方法 129
4．4．3 SoC低功耗的設計 132
4．4．4 VLSI 的低功耗技術研究 138
4．5 小結 141
第5章 嵌入式系統超低功耗技術 142
5．1 功耗問題 142
5．1．1 限制芯片性能的改善 142
5．1．2 提高芯片制造成本 143
5．1．3 降低系統可靠性 143
5．1．4 增加系統執行成本 143
5．1．5 影響電池供電時間 143
5．2 集成電路低功耗技術 144
5．2．1 集成電路功耗分析 144
5．2．2 集成電路低功耗設計技術 145
5．3 嵌入式系統低功耗技術 148
5．3．1 低功耗硬件和體系結構技術 150
5．3．2 嵌入式系統低功耗軟件技術 152
5．3．3 嵌入式處理器低功耗設計 154
5．3．4 外圍設備低功耗設計 160
5．3．5 嵌入式軟件低功耗設計 163
5．4 動態功耗管理 164
5．4．1 動態電源管理（DPM） 164
5．4．2 動態電壓調節（DVS） 173
5．4．3 DVS與DPM的比較 175
5．5 處理器功耗評估方法 175
5．5．1 結構級的功耗評估方法 176
5．5．2 指令集功耗評估方法 178
5．5．3 RTL級和電路級功耗評估方法 179
5．6 小結 180
第6章 線傳感器網絡超低功耗技術 181
6．1 線傳感器網絡概述 181
6．1．1 線傳感器網絡的發展及應用前景 181
6．1．2 線傳感器網絡面臨的能耗問題 183
6．1．3 線傳感器網絡（WSN）結構 184
6．1．4 線傳感器網絡的特點 186
6．2 線傳感器網絡節點能耗分析 187
6．2．1 能耗影響因素 188
6．2．2 能耗分析 189
6．3 超低功耗的策略 190
6．3．1 硬件系統的超低功耗策略 190
6．3．2 軟件設計中的超低功耗策略 193
6．3．3 節能機制分析 197
6．3．4 典型休眠節能協議 198
6．4 典型WSN節點系統構成與分析 210
6．4．1 典型WSN節點介紹 210
6．4．2 典型WSN節點硬件平臺的組成 212
6．4．3 節點性能與功耗的關系 217
6．5 超低功耗評判依據 218
6．5．1 超低功耗系列微控制器的功耗分析 218
6．5．2 環境能量補給技術現狀 219
6．5．3 節點的使用壽命 220
6．5．4 通信模塊功耗的特殊性 220
6．5．5 超低功耗的評判準則 221
6．6 WSN電能收集簡介 221
6．7 小結 222
第7章 WMN網絡超低功耗技術 223
7．1 WMN網絡超低功耗概念 223
7．1．1 什么是WMN 224
7．1．2 線網狀網的現狀與發展 225
7．1．3 網狀節點與WMN體系結構 225
7．1．4 WMN的主要特征 226
7．1．5 WMN將為寬帶應用帶來重大變革 227
7．2 WMN網絡超低功耗策略 228
7．2．1 線Mesh網絡 228
7．2．2 WMN系統組成分析 228
7．2．3 能耗分析與節能策略 229
7．2．4 設計WMN路由協議 231
7．2．5 WMN路由結構 232
7．2．6 路由技術的概念 233
7．2．7 Internet路由協議 233
7．2．8 Ad hoc網絡路由協議 233
7．2．9 WMN路由協議 234
7．3 WMN高性能路由協議 235
7．3．1 TBR協議 236
7．3．2 線Mesh網絡 237
7．3．3 線Mesh網絡的研究現狀 238
7．3．4 機會路由協議 243
7．3．5 有向雙向非對稱鏈路質量路由協議 245
7．3．6 線Mesh網絡中的跨層路由 246
7．3．7 WRP協議 249
7．3．8 算法分析和比較 253
7．3．9 線Mesh路由算法――SQOR 256
7．4 認知線網絡功率控制技術 256
7．4．1 功率控制概述 257
7．4．2 移動通信中的功率控制 258
7．4．3 TD-LTE系統的功率控制 261
7．4．4 TD-LTE功率控制的特點 262
7．4．5 功率控制技術的意義 263
7．4．6 功率控制的分類及介紹 264
7．4．7 控制的組級分類 266
7．4．8 多速率技術與功率控制技術之間的制約關系 267
7．5 WMN網絡休眠與激活 269
7．5．1 外部傳感器/儀表電源管理 271
7．5．2 同步休眠 273
7．5．3 混合休眠 276
7．5．4 功耗估算 278
7．5．5 異步喚醒過程功耗估算 279
7．5．6 一種改進的線通信系統喚醒方法 280
7．6 小結 289
第8章 擴頻通信系統超低功耗技術（3G/4G） 290
8．1 功耗的影響 290
8．2 線通信網節能管理綜述 293
8．2．1 線通信網節能管理框架 293
8．2．2 節能觸發和恢復策略研究現狀及存在的問題 298
8．2．3 線通信網能耗組成研究現狀及存在的問題 299
8．3 基于覆蓋定義信號功率調整的自主節能管理機制 300
8．3．1 概論 300
8．3．2 基于CD信號功率調整的自主集中式節能管理機制 301
8．4 節能 304
8．4．1 節能優化的數學模型 304
8．4．2 基于改進模擬退火的求解方法 305
8．4．3 節能機制的有效性評估 308
8．5 基于業務信道功率調整的自主節能管理機制 309
8．5．1 SEM-TC功能架構及流程 310
8．5．2 基于業務信道功率的線通信網能耗模型 312
8．5．3 局部OP補償方法 313
8．5．4 節能的優化數學模型 314
8．6 基于多參數聯合調整的自主節能管理機制 315
8．6．1 SEM-MP功能架構、流程、關鍵技術分析 316
8．6．2 區域化的基站狀態確定方法 316
8．6．3 節能的優化數學模型 317
8．6．4 基于高效粒子群的求解方法 318
8．7 基于幾何拓撲的多階段分布式自主節能機制 320
8．8 基于幾何拓撲的分布式自主節能管理機制 321
8．9 異構網絡局部覆蓋補償方法分析 324
8．10 未來的研究工作 329
8．11 小結 329
第9章 其他短距離線通信超低功耗技術 330
9．1 ZigBee原理及應用 331
9．1．1 ZigBee簡介 331
9．1．2 ZigBee網絡拓撲結構 331
9．1．3 ZigBee技術的特點 332
9．1．4 ZigBee協議棧體系結構 333
9．1．5 ZigBee網絡的應用 335
9．1．6 ZigBee的實際應用 336
9．2 Z-Wave原理及應用 336
9．2．1 Z-Wave簡介 336
9．2．2 Z-Wave的技術特點 337
9．2．3 Z-Wave協議體系結構分析 338
9．2．4 Z-Wave協議的體系結構和網絡控制節點 340
9．2．5 應用實例 342
9．2．6 發展前景 343
9．3 Wi-Fi原理及應用 343
9．3．1 Wi-Fi概況 343
9．3．2 Wi-Fi網絡基本架構 344
9．3．3 Wi-Fi網絡中通過規避干擾來提升網絡容量的方法 346
9．3．4 Wi-Fi發展前景 347
9．4 RFID原理及應用 349
9．4．1 RFID技術概況 349
9．4．2 RFID應用現狀 350
9．4．3 RFID系統的基本組成 351
9．4．4 RFID系統的工作原理 353
9．4．5 RFID訪問安全 354
9．4．6 應用實例 355
9．5 UWB原理及應用 357
9．5．1 UWB概況 357
9．5．2 UWB頻譜規范 359
9．5．3 UWB調制方式 360
9．5．4 UWB與其他短距離線技術的比較 363
9．5．5 UWB的應用 363
9．5．6 UWB的發展前景 364
9．6 Wibree原理及應用 365
9．6．1 Wibree概況 365
9．6．2 低功耗藍牙技術 366
9．6．3 低功耗藍牙協議棧研究 366
9．7 小結 370
第10章 性能/功耗評估策略 371
10．1 低功耗設計方法 371
10．1．1 線傳感器網絡低功耗設計方法 372
10．1．2 單片機低功耗設計方法 376
10．1．3 低功耗硬件電路的主要設計方法 377
10．1．4 嵌入式軟件的低功耗技術 380
10．2 功耗優化和分析工具 383
10．2．1 CMOS數字電路功耗優化和分析工具 383
10．2．2 數字電路系統級功耗優化和分析工具 387
10．2．3 數字電路算法功耗優化和分析工具 389
10．2．4 數字電路RTL級功耗優化和分析工具 390
10．2．5 數字電路門級功耗優化和分析工具 391
10．2．6 數字電路晶體管級功耗優化和分析工具 392
10．2．7 線網絡路由協議功耗優化和分析工具 394
10．3 超低功耗評估策略 395
10．3．1 線網絡低功耗設計策略研究 395
10．3．2 線網絡動態電壓調節（DVS）低功耗策略 399
10．3．3 動態電源策略設計 400
10．3．4 基于網絡編碼的數據分發策略 401
10．4 實用低功耗設計手段 402
10．4．1 軟件技術低功耗設計手段 402
10．4．2 通用模擬電路仿真器低功耗設計手段 403
10．4．3 SimpleScalar模擬仿真器低功耗設計手段 405
10．4．4 動態電壓調節算法低功耗設計手段 406
10．4．5 基于處理器和存儲器協調的能量優化方法 408
10．4．6 時鐘門控和功耗門控技術低功耗設計手段 409
10．4．7 Cache配置低功耗設計手段 410
10．4．8 嵌入式處理器TLB部件的低功耗設計手段 411
10．4．9 組合電路漏電低功耗設計手段 411
10．4．10 時序電路漏電低功耗設計手段 412
10．4．11 線網絡終端節點傳感器低功耗設計手段 414
10．5 小結 417
附錄A 英文縮寫名詞對照表 418
參考文獻 422
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