用于物聯(lián)網(wǎng)的超低功耗喚醒無線電產(chǎn)品
IoT)的眾多通信設(shè)備都體積小巧而且要求使用小型電池長(zhǎng)時(shí)間工作，因此有功率方面的限制。本文將探討這樣的低功耗系統(tǒng)的某些要求，如對(duì)于低功耗喚醒無線電產(chǎn)品的需求，并列舉應(yīng)用示例和比較各種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。
低功率通信需求
物聯(lián)網(wǎng)的傳感器或控制節(jié)點(diǎn)通常有體積限制，只能使用鈕扣電池、小型電池，甚至使用能量收集源進(jìn)行運(yùn)作。在許多工業(yè)應(yīng)用中，需要人工更換電池的成本，特別是在難以接近的地方更換所需的成本，使得人們更加重視降低平均電流消耗和延長(zhǎng)電池壽命。
極低功耗傳感器主要通過在睡眠模式下運(yùn)作來節(jié)省功率，僅僅在需要進(jìn)行測(cè)量或數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才從睡眠模式喚醒。這些傳感器對(duì)人們或機(jī)器互動(dòng)的響應(yīng)性要求根據(jù)應(yīng)用而變化。其些應(yīng)用比如安全應(yīng)用，可能需要快速的通信啟動(dòng)，而其它應(yīng)用則可能需要不頻密的非時(shí)間關(guān)鍵性啟動(dòng)。
低功率喚醒無線電應(yīng)用
喚醒無線電的示例應(yīng)用之一是醫(yī)療移植通信。醫(yī)療移植通信通常包括每天或每周向臨床醫(yī)生報(bào)告設(shè)備狀態(tài)和運(yùn)作。例如，這類通信應(yīng)用包括用于植入身體內(nèi)的除顫器(cardioverter
defibrillator,
ICD)的電池狀態(tài)或ECG波形。然而，在器件已被移植入期間或在醫(yī)務(wù)人員辦公室的工作期間，便需要速度加快很多的通信響應(yīng)，所需的設(shè)備喚醒要求時(shí)間少于1秒。
被移植設(shè)備預(yù)先并不會(huì)知道通信請(qǐng)求何時(shí)將發(fā)生，因此需要一個(gè)偵聽通信請(qǐng)求的無線電產(chǎn)品。這種無線電必需具有極低的平均電流，同時(shí)仍然滿足范圍(靈敏度)和抗干擾性能(濾波和可靠性)要求。
美高森美的Zarlink開發(fā)了醫(yī)療植入通信技術(shù)，ZL70102系列包含專用喚醒無線電技術(shù)[參考文獻(xiàn)1,2]。
其它的應(yīng)用具有相似的要求，例如在工業(yè)傳感器和控制領(lǐng)域，以及安保應(yīng)用領(lǐng)域。
喚醒無線電要求與實(shí)際用例密切相關(guān)，許多因素包括電池特性、再充電或能量收集能力、應(yīng)用電力需求，所需的啟動(dòng)和通信遲滯、通信使用、靈敏度和干擾處理都影響著最終規(guī)范。
例如，想象一個(gè)將50%的電力配置給通信的220mAh CR2032鈕扣電池，在可供通信使用的110 mAh電能中，可以將其中的一半用于喚醒，即擁有大約55
mAh的功率預(yù)算。如果這個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有五年的使用壽命，喚醒所消耗的平均電流必須不超過55mAh/(5×365×24)=
1.3 A。
喚醒系統(tǒng)的典型平均電流應(yīng)在2A-4A范圍，在保持低電流的同時(shí)提供媲美主無線電通信的靈敏度以及合理的干擾抑制。
喚醒無線電解決方案的比較
實(shí)施低電流喚醒無線裝置有兩個(gè)常用策略。
始終在線的無線電：一個(gè)做法是設(shè)計(jì)始終在線的極低功率收發(fā)器，保持在低于10A范圍的低電流預(yù)算中工作，這樣的無線電在>-40
dbm范圍的靈敏度極差。這對(duì)于許多應(yīng)用是不夠的，喚醒范圍應(yīng)當(dāng)與常用的通信運(yùn)作范圍(<-90 dBm)相似。
監(jiān)聽無線電:
在這一做法中，通常電池為低功率無線電供電，其周期性工作或以低于所需遲滯的監(jiān)聽間隔來監(jiān)聽所需的通信，這種方法的主要優(yōu)勢(shì)在于同時(shí)達(dá)到很好的靈敏度和低功耗特性。
總的來說，如果所需的功率極低，始終在線的無線電有可能在能量收集供電應(yīng)用中使用，而具有更具挑戰(zhàn)性靈敏度要求的監(jiān)聽無線電，則用于電池供電應(yīng)用。較寬的可實(shí)現(xiàn)靈敏度范圍使得監(jiān)聽喚醒成為更普遍使用的方法。
2012年Roberts[參考文獻(xiàn)3]研究了一系列文獻(xiàn)中的器件，并且生成一個(gè)與圖1所示相似的圖，針對(duì)使用能量收集來源供電的始終在線無線電和使用電池來源供電的監(jiān)聽無線這兩種類型的無線電裝置顯示靈敏度和功耗的比較。低功率電池供電無線電
(在100%占空比下運(yùn)作時(shí)可能消耗1000 W) 通過duty cycle 方式來實(shí)現(xiàn)所需的<-90 dBm范圍的喚醒靈敏度規(guī)范，以及達(dá)到低于10
W的平均功率水平（大約50W被視為RF電路正常工作并產(chǎn)生增益的最小值）。干擾處理等其它性能指標(biāo)也是很重要的，這使許多實(shí)際系統(tǒng)超過了圖1所示的紅線。所有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，比如Zigbee和藍(lán)牙均在這條線之上運(yùn)作。這個(gè)圖顯示需要大于1/100的占空比因數(shù)，以便將功耗降到低于10
W的范圍。
圖1：針對(duì)低功率無線電的功耗和靈敏度對(duì)比
例如，假如接收器運(yùn)作電流(IRX) 5mA，監(jiān)聽時(shí)間(Tsniff)為1ms的低功率無線電，在Tp=1s
期間用于單一信道監(jiān)聽的平均電流(Isniff)為：
Isniff = IRX ×(Tsniff/Tp)
= 5 mA ×0.001/1
= 5 A.
許多現(xiàn)有的無線電標(biāo)準(zhǔn)并不足以滿足喚醒無線電的要求，針對(duì)Wi-Fi技術(shù)，對(duì)于每5分鐘傳輸數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行從1s 至1000s的可變時(shí)間監(jiān)聽的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，將典型的Wi-Fi無線電裝置的耗電量建立一個(gè)模型，圖2所示為AAA電池的預(yù)期使用壽命，其中80%的功率用于應(yīng)用。此圖顯示，對(duì)于間隔少于20s的較短間隔時(shí)間監(jiān)聽?wèi)?yīng)用，使用壽命較差。對(duì)于某些應(yīng)用，更換電池的人力成本可能太高，或者傳感器難以接近，在需要1s-2s短遲滯時(shí)間的情況中，這個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作性能特別差。
表1比較了Wi-Fi、低功耗藍(lán)牙，以及美高森美開發(fā)的專用2.45 GHz喚醒技術(shù)。低功耗藍(lán)牙將通告模式(advertising
mode)用于啟動(dòng)時(shí)的電流消耗作為模型并使用同級(jí)最佳功耗器件建立耗電量模型。美高森美的專用喚醒器件用于顯著降低喚醒應(yīng)用的功耗，同時(shí)維持良好的靈敏度。
雖然低功耗藍(lán)牙明顯優(yōu)于Wi-Fi，但其喚醒性能對(duì)于某些應(yīng)用來說還是不夠，例如，一個(gè)220 mAh
CR2032鈕扣電池將一半的電能用于通信，而可用的110mAh電能預(yù)算的其中一半用于喚醒操作，即擁有大約55mAh預(yù)算。從表1看出，進(jìn)行每秒監(jiān)聽，低功耗藍(lán)牙平均消耗20μA電流，得出了2800小時(shí)或117天使用壽命。業(yè)界通常需要使用壽命以年為單位的系統(tǒng)，請(qǐng)注意低功耗藍(lán)牙是專門設(shè)計(jì)用于低頻率通信，而不是這種特定的異步喚醒。
圖2：Wi-Fi使用壽命對(duì)比監(jiān)聽間隔
表1：?jiǎn)拘研阅鼙容^
專用的喚醒無線電技術(shù)可以幫助顯著減少各種無線電系統(tǒng)的耗電量，尤其是對(duì)于Wi-Fi等較高功率的系統(tǒng)，美高森美超低功耗通信產(chǎn)品醫(yī)療產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)在其醫(yī)療移植喚醒無線電工作的基礎(chǔ)上，開發(fā)了2.45GHz喚醒無線電技術(shù)。新技術(shù)有顯著改進(jìn)，達(dá)到了良好的靈敏度、極低的平均電流和優(yōu)良的干擾處理。
圖3所示為一個(gè)低功率無線節(jié)點(diǎn)中的系統(tǒng)配置示例，這個(gè)系統(tǒng)使用了一個(gè)極簡(jiǎn)單的低成本接收器，接收發(fā)送器生成的獨(dú)特的避免錯(cuò)誤報(bào)警的FSK。在喚醒無線電設(shè)計(jì)中，必須在錯(cuò)誤報(bào)警和檢測(cè)時(shí)間/電流之間進(jìn)行折衷權(quán)衡，由于具有獨(dú)特的傳輸圖形特性，這個(gè)設(shè)計(jì)可以快速消除錯(cuò)誤報(bào)警，喚醒接收器在用戶編程的時(shí)間(比如每秒)進(jìn)行監(jiān)聽，并且在檢測(cè)到有效的喚醒圖形時(shí)啟動(dòng)主系統(tǒng)和主系統(tǒng)無線電。
該器件具有極小的占位面積(<8 mm2)，而且可以方便地添加到節(jié)點(diǎn)和傳輸中樞上，如圖4所示，它對(duì)系統(tǒng)使用壽命的提升是非常顯著的。
圖3：美高森美2.45GHz喚醒
– 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)示例
圖4：使用專用喚醒無線電產(chǎn)品，改進(jìn)Wi-Fi使用壽命
總結(jié)
現(xiàn)有的傳感器通信協(xié)議(特別是Wi-Fi)會(huì)快速地消耗電池能量，高啟動(dòng)/監(jiān)聽電流和過多的泄漏電流會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)使用壽命的減短和頻繁的電池更換。這在需要(0.2s-30s)范圍的快速用戶響應(yīng)用例中特別明顯，在這樣的用例中，專用的喚醒無線電可能是在超低功率節(jié)點(diǎn)中保持低平均電流的良好解決方案。
文中介紹了1秒遲滯時(shí)平均電流為3.5
μA無線喚醒性系統(tǒng)，仍然維持良好的靈敏度和干涉抑制特性。通過對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的升級(jí)，針對(duì)1s的響應(yīng)時(shí)間(使用L92-AAA
battery)，這個(gè)系統(tǒng)可以將Wi-Fi應(yīng)用的電池壽命提高超過50倍，從23天延長(zhǎng)到3.5年。這樣的低功耗技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng) (Internet of
Things, IoT) 增長(zhǎng)的推動(dòng)力量 。
參考文獻(xiàn)
[1] P.D. Bradley, “用于可移植設(shè)備的超低功率、高性能醫(yī)療移植通信系統(tǒng)(MICS)收發(fā)器”，生物醫(yī)學(xué)電路和系統(tǒng)會(huì)議，BioCAS
2006.
[2] Microsemi/Zarlink, ZL70102，網(wǎng)站，
http://www.microsemi.com/products/ultra-low-power-wireless/implantable-medical-transceivers/zl70102.
[3] N. Roberts, D. Wentzloff, “用于無線體域網(wǎng)絡(luò)的98 nW喚醒無線電”，2012 IEEE射頻集成電路研討會(huì)
美高森美（Microsemi）公司
本文來自《電子工程專輯》2014年03月《微波及射頻》特刊，
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