物联网低功耗无线唤醒性系统探讨

Zjianeng

用于物联网（Internet of Things， IoT）的众多通信设备都体积小巧而且要求使用小型电池长时间工作，因此有功率方面的限制。本文将探讨这样的低功耗系统的某些要求，如对于低功耗唤醒无线电产品的需求，并列举应用示例和比较各种竞争技术。

低功率通信需求

物联网的传感器或控制节点通常有体积限制，只能使用钮扣电池、小型电池，甚至使用能量收集源进行运作。在许多工业应用中，需要人工更换电池的成本，特别是在难以接近的地方更换所需的成本，使得人们更加重视降低平均电流消耗和延长电池寿命。

极低功耗传感器主要通过在睡眠模式下运作来节省功率，仅仅在需要进行测量或数据传输时才从睡眠模式唤醒。这些传感器对人们或机器互动的响应性要求根据应用而变化。其些应用比如安全应用，可能需要快速的通信启动，而其它应用则可能需要不频密的非时间关键性启动。

低功率唤醒无线电应用

唤醒无线电的示例应用之一是医疗移植通信。医疗移植通信通常包括每天或每周向临床医生设备状态和运作。例如，这类通信应用包括用于植入身体内的除颤器（cardioverter defibrillator， ICD）的电池状态或ECG波形。然而，在器件已被移植入期间或在医务人员办公室的工作期间，便需要速度加快很多的通信响应，所需的设备唤醒要求时间少于1秒。

被移植设备预先并不会知道通信请求何时将发生，因此需要一个侦听通信请求的无线电产品。这种无线电必需具有极低的平均电流，同时仍然满足范围（灵敏度）和抗干扰性能（滤波和可靠性）要求。

美高森美的Zarlink开发了医疗植入通信技术，ZL70102系列包含专用唤醒无线电技术［参考文献1，2］。

其它的应用具有相似的要求，例如在工业传感器和控制领域，以及安保应用领域。

唤醒无线电关键要求

唤醒无线电要求与实际用例密切相关，许多因素包括电池特性、再充电或能量收集能力、应用电力需求，所需的启动和通信迟滞、通信使用、灵敏度和干扰处理都影响着终规范。

例如，想象一个将50%的电力配置给通信的220mAh CR2032钮扣电池，在可供通信使用的110 mAh电能中，可以将其中的一半用于唤醒，即拥有大约55 mAh的功率预算。如果这个传感器节点具有五年的使用寿命，唤醒所消耗的平均电流必须不超过55mAh/（5×365×24）= 1.3 A。

唤醒系统的典型平均电流应在2A-4A范围，在保持低电流的同时提供媲美主无线电通信的灵敏度以及合理的干扰抑制。

唤醒无线电解决方案的比较

实施低电流唤醒无线装置有两个常用策略。

始终在线的无线电：一个做法是设计始终在线的极低功率收发器，保持在低于10A范围的低电流预算中工作，这样的无线电在》-40 dbm范围的灵敏度极差。这对于许多应用是不够的，唤醒范围应当与常用的通信运作范围（《-90 dBm）相似。

监听无线电： 在这一做法中，通常电池为低功率无线电供电，其周期性工作或以低于所需迟滞的监听间隔来监听所需的通信，这种方法的主要优势在于同时达到很好的灵敏度和低功耗特性。

总的来说，如果所需的功率极低，始终在线的无线电有可能在能量收集供电应用中使用，而具有更具挑战性灵敏度要求的监听无线电，则用于电池供电应用。较宽的可实现灵敏度范围使得监听唤醒成为更普遍使用的方法。

2012年Roberts［参考文献3］研究了一系列文献中的器件，并且生成一个与图1所示相似的图，针对使用能量收集供电的始终在线无线电和使用电池供电的监听无线这两种类型的无线电装置显示灵敏度和功耗的比较。低功率电池供电无线电 （在100%占空比下运作时可能消耗1000 W） 通过duty cycle 方式来实现所需的《-90 dBm范围的唤醒灵敏度规范，以及达到低于10 W的平均功率水平（大约50W被视为RF电路正常工作并产生增益的值）。干扰处理等其它性能指标也是很重要的，这使许多实际系统超过了图1所示的红线。所有标准协议，比如Zigbee和蓝牙均在这条线之上运作。这个图显示需要大于1/100的占空比因数，以便将功耗降到低于10 W的范围。

图1：针对低功率无线电的功耗和灵敏度对比

例如，假如接收器运作电流（IRX） 5mA，监听时间（Tsniff）为1ms的低功率无线电，在Tp=1s 期间用于单一信道监听的平均电流（Isniff）为：

Isniff = IRX ×（Tsniff/Tp）

= 5 mA ×0.001/1

= 5 A.

许多现有的无线电标准并不足以满足唤醒无线电的要求，针对Wi-Fi技术，对于每5分钟传输数据，并且进行从1s 至1000s的可变时间监听的传感器节点应用，将典型的Wi-Fi无线电装置的耗电量建立一个模型，图2所示为AAA电池的预期使用寿命，其中80%的功率用于应用。此图显示，对于间隔少于20s的较短间隔时间监听应用，使用寿命较差。对于某些应用，更换电池的人力成本可能太高，或者传感器难以接近，在需要1s-2s短迟滞时间的情况中，这个系统的运作性能特别差。

表1比较了Wi-Fi、低功耗蓝牙，以及美高森美开发的专用2.45 GHz唤醒技术。低功耗蓝牙将通告模式（advertising mode）用于启动时的电流消耗作为模型并使用同级功耗器件建立耗电量模型。美高森美的专用唤醒器件用于显著降低唤醒应用的功耗，同时维持良好的灵敏度。

虽然低功耗蓝牙明显优于Wi-Fi，但其唤醒性能对于某些应用来说还是不够，例如，一个220 mAh CR2032钮扣电池将一半的电能用于通信，而可用的110mAh电能预算的其中一半用于唤醒操作，即拥有大约55mAh预算。从表1看出，进行每秒监听，低功耗蓝牙平均消耗20μA电流，得出了2800小时或117天使用寿命。业界通常需要使用寿命以年为单位的系统，请注意低功耗蓝牙是专门设计用于低频率通信，而不是这种特定的异步唤醒。

改进的唤醒无线电解决方案

专用的唤醒无线电技术可以帮助显著减少各种无线电系统的耗电量，尤其是对于Wi-Fi等较高功率的系统，美高森美超低功耗通信产品医疗产品团队在其医疗移植唤醒无线电工作的基础上，开发了2.45GHz唤醒无线电技术。新技术有显著改进，达到了良好的灵敏度、极低的平均电流和优良的干扰处理。

图3所示为一个低功率无线节点中的系统配置示例，这个系统使用了一个极简单的低成本接收器，接收发送器生成的独特的避免错误报警的FSK。在唤醒无线电设计中，必须在错误报警和检测时间/电流之间进行折衷权衡，由于具有独特的传输图形特性，这个设计可以快速消除错误报警，唤醒接收器在用户编程的时间（比如每秒）进行监听，并且在检测到有效的唤醒图形时启动主系统和主系统无线电。

总结

现有的传感器通信协议（特别是Wi-Fi）会快速地消耗电池能量，高启动/监听电流和过多的泄漏电流会导致节点使用寿命的减短和频繁的电池更换。这在需要（0.2s-30s）范围的快速用户响应用例中特别明显，在这样的用例中，专用的唤醒无线电可能是在超低功率节点中保持低平均电流的良好解决方案。

文中介绍了1秒迟滞时平均电流为3.5 μA无线唤醒性系统，仍然维持良好的灵敏度和干涉抑制特性。通过对现有设计进行简单的升级，针对1s的响应时间（使用L92-AAA battery），这个系统可以将Wi-Fi应用的电池寿命提高超过50倍，从23天延长到3.5年。这样的低功耗技术是实现物联网 （Internet of Things， IoT） 增长的推动力量 。

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Internet of Things， IoT

three

现有的唤醒方法有三种，分别是：①RSSI(场强)唤醒法：Ts期间发送载波即可，从节点测试接收到的场强强度，超过设定的门限则被唤醒，否则继续休眠。②Sniff(嗅探)唤醒法：Ts期间发送010101010……比特流，从节点计数接收的01或10的个数，超过设定的个数则被唤醒，否则继续休眠。③数据包唤醒法：Ts期间重复发送一个数据包，从节点接收到完整的其中一个数据包则被唤醒，否则继续休眠。
方法①和②致命的缺点是不能识别非法信号，很容易受到干扰导致误唤醒，并且误唤醒的概率无法计算和评估，从而导致系统可靠性大幅降低，能量损耗无法补偿。即这两种方法，存在无法抗干扰的严重问题。另外一个缺陷是，其只能实现广播唤醒，增加了不需要参与通信的节点的功耗。
方法③的最大缺点是功耗大，为了可靠探测到数据包的帧同步信号，探测窗口t值需要设定为数据包总发射宽度的2倍，从而导致功耗增大。