智慧物聯(lián)網(wǎng)邊緣協(xié)同感知（EICS）技術(shù)方案： 低功耗無線掃描喚醒技術(shù)

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(yùn)作來節(jié)省功率，僅僅在需要進(jìn)行測量或數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才從睡眠模式喚醒。這些傳感器對人們或機(jī)器互動的響應(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，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。

物聯(lián)網(wǎng)的眾多通信設(shè)備都體積小巧而且要求使用小型電池長時(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爭技術(shù)。
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)先并不會知道通信請求何時(shí)將發(fā)生，因此需要一個(gè)偵聽通信請求的無線電產(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。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。

喚醒無線電關(guān)鍵要求
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。
Roberts［參考文獻(xiàn)3］研究了一系列文獻(xiàn)中的器件，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(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)超過了紅線。

低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，絕大部分時(shí)間必須處于休眠狀態(tài)才能降低功耗，以支持電池長時(shí)間續(xù)航。如果有節(jié)點(diǎn)要發(fā)起通信，其在與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信之前，必須對目標(biāo)節(jié)點(diǎn)實(shí)施喚醒，然后才能進(jìn)行有效通信。本文中提出一種信道編碼相關(guān)算法，具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、快速識別身份、隱含時(shí)間戳、實(shí)現(xiàn)簡單等特點(diǎn)，性能優(yōu)于現(xiàn)有的喚醒方法或算法。

現(xiàn)有的喚醒方法

現(xiàn)有的喚醒方法有三種，分別是：

①RSSI(場強(qiáng))喚醒法：Ts期間發(fā)送載波即可，從節(jié)點(diǎn)測試接收到的場強(qiáng)強(qiáng)度，超過設(shè)定的門限則被喚醒，否則繼續(xù)休眠。

②Sniff(嗅探)喚醒法：Ts期間發(fā)送010101010……比特流，從節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)接收的01或10的個(gè)數(shù)，超過設(shè)定的個(gè)數(shù)則被喚醒，否則繼續(xù)休眠。

③數(shù)據(jù)包喚醒法：Ts期間重復(fù)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，從節(jié)點(diǎn)接收到完整的其中一個(gè)數(shù)據(jù)包則被喚醒，否則繼續(xù)休眠。

方法①和②致命的缺點(diǎn)是不能識別非法信號，很容易受到干擾導(dǎo)致誤喚醒，并且誤喚醒的概率無法計(jì)算和評估，從而導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性大幅降低，能量損耗無法補(bǔ)償。即這兩種方法，存在無法抗干擾的嚴(yán)重問題。另外一個(gè)缺陷是，其只能實(shí)現(xiàn)廣播喚醒，增加了不需要參與通信的節(jié)點(diǎn)的功耗。

方法③的最大缺點(diǎn)是功耗大，為了可靠探測到數(shù)據(jù)包的幀同步信號，探測窗口t值需要設(shè)定為數(shù)據(jù)包總發(fā)射寬度的2倍，從而導(dǎo)致功耗增大。

雖然低功耗藍(lán)牙明顯優(yōu)于Wi-Fi，但其喚醒性能對于某些應(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。

改進(jìn)的喚醒無線電解決方案
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。

低功耗無線掃描喚醒技術(shù)指基于對目標(biāo)場景狀態(tài)變化的協(xié)同無線掃描喚醒而獲得觸發(fā)響應(yīng)并進(jìn)行智能決策，屬于藍(lán)奧聲核心技術(shù)--邊緣協(xié)同感知(EICS）技術(shù)的關(guān)鍵支撐性技術(shù)之一。該項(xiàng)技術(shù)涉及物聯(lián)網(wǎng)的無線通信與邊緣智能技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及無線掃描網(wǎng)絡(luò)及所包含的協(xié)同感知節(jié)點(diǎn)面向目標(biāo)場景及其目標(biāo)對象的邊緣協(xié)同感知服務(wù)的機(jī)制與流程。

由邊緣服務(wù)節(jié)點(diǎn)與其周邊的若干目標(biāo)對象設(shè)備（即客戶端設(shè)備）所構(gòu)成的具有動態(tài)信息交互特征的物聯(lián)網(wǎng)邊緣域（簡稱邊緣域），主要面向解決目標(biāo)對象域和感知控制域的無線網(wǎng)絡(luò)通信及其信息交互的服務(wù)機(jī)制與流程問題。

實(shí)時(shí)狀態(tài)在線狀態(tài)查看運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測電量實(shí)時(shí)監(jiān)測控制指令定時(shí)、實(shí)時(shí)開關(guān)查詢繼電器狀態(tài)上傳時(shí)間間隔設(shè)置實(shí)時(shí)狀態(tài)在線狀態(tài)查看運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測電量實(shí)時(shí)監(jiān)測控制指令定時(shí)、實(shí)時(shí)開關(guān)查詢繼電器狀態(tài)上傳時(shí)間間隔設(shè)置2021年9月首頁展示設(shè)備狀態(tài)查看電量統(tǒng)計(jì)可視化圖表設(shè)備列表設(shè)備信息批量查詢、管理自定義篩選排序

審核編輯黃宇