用于物聯網的超低功耗喚醒無線電產品
IoT)的眾多通信設備都體積小巧而且要求使用小型電池長時間工作，因此有功率方面的限制。本文將探討這樣的低功耗系統的某些要求，如對于低功耗喚醒無線電產品的需求，并列舉應用示例和比較各種競爭技術。
低功率通信需求
物聯網的傳感器或控制節點通常有體積限制，只能使用鈕扣電池、小型電池，甚至使用能量收集源進行運作。在許多工業應用中，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電池壽命。
極低功耗傳感器主要通過在睡眠模式下運作來節省功率，僅僅在需要進行測量或數據傳輸時才從睡眠模式喚醒。這些傳感器對人們或機器互動的響應性要求根據應用而變化。其些應用比如安全應用，可能需要快速的通信啟動，而其它應用則可能需要不頻密的非時間關鍵性啟動。
低功率喚醒無線電應用
喚醒無線電的示例應用之一是醫療移植通信。醫療移植通信通常包括每天或每周向臨床醫生報告設備狀態和運作。例如，這類通信應用包括用于植入身體內的除顫器(cardioverter
defibrillator,
ICD)的電池狀態或ECG波形。然而，在器件已被移植入期間或在醫務人員辦公室的工作期間，便需要速度加快很多的通信響應，所需的設備喚醒要求時間少于1秒。
被移植設備預先并不會知道通信請求何時將發生，因此需要一個偵聽通信請求的無線電產品。這種無線電必需具有極低的平均電流，同時仍然滿足范圍(靈敏度)和抗干擾性能(濾波和可靠性)要求。
美高森美的Zarlink開發了醫療植入通信技術，ZL70102系列包含專用喚醒無線電技術[參考文獻1,2]。
其它的應用具有相似的要求，例如在工業傳感器和控制領域，以及安保應用領域。
喚醒無線電要求與實際用例密切相關，許多因素包括電池特性、再充電或能量收集能力、應用電力需求，所需的啟動和通信遲滯、通信使用、靈敏度和干擾處理都影響著最終規范。
例如，想象一個將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的功率預算。如果這個傳感器節點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。
喚醒系統的典型平均電流應在2A-4A范圍，在保持低電流的同時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
實施低電流喚醒無線裝置有兩個常用策略。
始終在線的無線電：一個做法是設計始終在線的極低功率收發器，保持在低于10A范圍的低電流預算中工作，這樣的無線電在>-40
dbm范圍的靈敏度極差。這對于許多應用是不夠的，喚醒范圍應當與常用的通信運作范圍(<-90 dBm)相似。
監聽無線電:
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聽間隔來監聽所需的通信，這種方法的主要優勢在于同時達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用中使用，而具有更具挑戰性靈敏度要求的監聽無線電，則用于電池供電應用。較寬的可實現靈敏度范圍使得監聽喚醒成為更普遍使用的方法。
2012年Roberts[參考文獻3]研究了一系列文獻中的器件，并且生成一個與圖1所示相似的圖，針對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%占空比下運作時可能消耗1000 W) 通過duty cycle 方式來實現所需的<-90 dBm范圍的喚醒靈敏度規范，以及達到低于10
W的平均功率水平（大約50W被視為RF電路正常工作并產生增益的最小值）。干擾處理等其它性能指標也是很重要的，這使許多實際系統超過了圖1所示的紅線。所有標準協議，比如Zigbee和藍牙均在這條線之上運作。這個圖顯示需要大于1/100的占空比因數，以便將功耗降到低于10
W的范圍。
圖1：針對低功率無線電的功耗和靈敏度對比
例如，假如接收器運作電流(IRX) 5mA，監聽時間(Tsniff)為1ms的低功率無線電，在Tp=1s
期間用于單一信道監聽的平均電流(Isniff)為：
Isniff = IRX ×(Tsniff/Tp)
= 5 mA ×0.001/1
= 5 A.
許多現有的無線電標準并不足以滿足喚醒無線電的要求，針對Wi-Fi技術，對于每5分鐘傳輸數據，并且進行從1s 至1000s的可變時間監聽的傳感器節點應用，將典型的Wi-Fi無線電裝置的耗電量建立一個模型，圖2所示為AAA電池的預期使用壽命，其中80%的功率用于應用。此圖顯示，對于間隔少于20s的較短間隔時間監聽應用，使用壽命較差。對于某些應用，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短遲滯時間的情況中，這個系統的運作性能特別差。
表1比較了Wi-Fi、低功耗藍牙，以及美高森美開發的專用2.45 GHz喚醒技術。低功耗藍牙將通告模式(advertising
mode)用于啟動時的電流消耗作為模型并使用同級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用的功耗，同時維持良好的靈敏度。
雖然低功耗藍牙明顯優于Wi-Fi，但其喚醒性能對于某些應用來說還是不夠，例如，一個220 mAh
CR2032鈕扣電池將一半的電能用于通信，而可用的110mAh電能預算的其中一半用于喚醒操作，即擁有大約55mAh預算。從表1看出，進行每秒監聽，低功耗藍牙平均消耗20μA電流，得出了2800小時或117天使用壽命。業界通常需要使用壽命以年為單位的系統，請注意低功耗藍牙是專門設計用于低頻率通信，而不是這種特定的異步喚醒。
圖2：Wi-Fi使用壽命對比監聽間隔
表1：喚醒性能比較
專用的喚醒無線電技術可以幫助顯著減少各種無線電系統的耗電量，尤其是對于Wi-Fi等較高功率的系統，美高森美超低功耗通信產品醫療產品團隊在其醫療移植喚醒無線電工作的基礎上，開發了2.45GHz喚醒無線電技術。新技術有顯著改進，達到了良好的靈敏度、極低的平均電流和優良的干擾處理。
圖3所示為一個低功率無線節點中的系統配置示例，這個系統使用了一個極簡單的低成本接收器，接收發送器生成的獨特的避免錯誤報警的FSK。在喚醒無線電設計中，必須在錯誤報警和檢測時間/電流之間進行折衷權衡，由于具有獨特的傳輸圖形特性，這個設計可以快速消除錯誤報警，喚醒接收器在用戶編程的時間(比如每秒)進行監聽，并且在檢測到有效的喚醒圖形時啟動主系統和主系統無線電。
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點和傳輸中樞上，如圖4所示，它對系統使用壽命的提升是非常顯著的。
圖3：美高森美2.45GHz喚醒
– 節點系統示例
圖4：使用專用喚醒無線電產品，改進Wi-Fi使用壽命
總結
現有的傳感器通信協議(特別是Wi-Fi)會快速地消耗電池能量，高啟動/監聽電流和過多的泄漏電流會導致節點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點中保持低平均電流的良好解決方案。
文中介紹了1秒遲滯時平均電流為3.5
μA無線喚醒性系統，仍然維持良好的靈敏度和干涉抑制特性。通過對現有設計進行簡單的升級，針對1s的響應時間(使用L92-AAA
battery)，這個系統可以將Wi-Fi應用的電池壽命提高超過50倍，從23天延長到3.5年。這樣的低功耗技術是實現物聯網 (Internet of
Things, IoT) 增長的推動力量 。
參考文獻
[1] P.D. Bradley, “用于可移植設備的超低功率、高性能醫療移植通信系統(MICS)收發器”，生物醫學電路和系統會議，BioCAS
2006.
[2] Microsemi/Zarlink, ZL70102，網站，
http://www.microsemi.com/products/ultra-low-power-wireless/implantable-medical-transceivers/zl70102.
[3] N. Roberts, D. Wentzloff, “用于無線體域網絡的98 nW喚醒無線電”，2012 IEEE射頻集成電路研討會
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，
- 上一篇：NFC終端的卡片模擬應用：從一卡通走向一機通 2014/5/11
- 下一篇：醫療保健設備中的無線電技術 2014/5/11
