基于商用现成组件的唤醒接收器技术综述：实现无线传感器网络的超低功耗与低延迟通信

《IEEE Journal of Microwaves》：Wake-Up Receivers Based on Commercial Off-the-Shelf Components: A Survey

本文针对无线传感器网络(WSN)中主无线电(MR)通信能耗高、延迟大的核心问题，系统综述了基于商用现成组件(COTS)的唤醒接收器(WuRx)硬件设计。研究人员通过分析2002-2024年间超过120篇文献中的132个WuRx原型，深入探讨了其关键构建模块、性能参数（灵敏度、功耗、延迟）及设计权衡。研究结果表明，COTS-based WuRx为实现电池供电传感器节点的能效优化和事件驱动型低延迟通信提供了切实可行的解决方案，对推动工业物联网(IIoT)、智能家居等应用具有重要意义。

　　

在万物互联的时代，无线传感器网络如同无数双敏锐的眼睛和耳朵，悄然融入工业监控、环境监测、智能家居等各个角落。然而，这些肩负重任的“哨兵”大多依赖电池供电，如何让它们在漫长的值守岁月中保持“活力”，同时又能对突发指令做出闪电般的响应，成了一个巨大的挑战。问题的核心在于负责无线通信的主无线电模块，它虽然是数据传输的干将，却也是个不折不扣的“能耗大户”，尤其在持续监听信道时，其功耗足以快速耗尽电池。为了省电，传统的做法是让主无线电间歇性工作，即所谓的“占空比循环”。但这又带来了新的烦恼：高延迟。节点在“睡眠”时无法接收信息，可能导致关键指令的丢失或响应迟缓，这使得按需通信和事件触发通信难以实现。

为了解决这一对矛盾，唤醒接收器技术应运而生。它如同一个永不疲倦的“门童”，以极低的功耗持续监听信道，专门接收一种特殊的“唤醒信号”。只有当正确的信号到来时，它才会“唤醒”沉睡的主无线电进行高速数据通信。这样，既保证了极低的待机功耗，又实现了近乎零延迟的响应。尽管唤醒接收器的概念前景广阔，但学术界和工业界存在多种技术路径，特别是基于专用集成电路(ASIC)的设计虽然性能优异，但开发成本高、难以复现，限制了其广泛应用。相比之下，基于商用现成组件的设计则展现出成本低、易于快速原型开发和集成等独特优势。然而，该领域缺乏对COTS-based WuRx硬件设计的全面梳理和清晰指引。为此，发表在《IEEE Journal of Microwaves》上的这篇综述文章，旨在为研究人员和工程师提供一份详尽的“设计指南”。

研究人员对2002年至2024年间发表的120余篇科学文献进行了系统性回顾，重点分析了其中涉及的132个基于COTS的WuRx原型机。他们首先定义了WuRx的典型构建模块，包括射频输入、射频滤波器、射频放大器、射频包络检测器(RFED)、低频放大器、模数转换器(ADC)和地址解码器。接着，文章从通信信道（如868 MHz, 915 MHz, 2.45 GHz）、工作模式（持续开启、占空比循环、功率门控、无源、能量采集）和寻址能力（无、固定、可变）三个维度对WuRx进行了分类。研究团队深入剖析了决定WuRx性能的三个核心参数——灵敏度（接收微弱信号的能力）、功耗（待机时的能量消耗）和延迟（从发送唤醒信号到节点响应的时间），并阐述了它们之间相互制约的关系。此外，文章还讨论了供电电压、鲁棒性、成本、尺寸等次要参数。

为了开展这项研究，作者们主要运用了系统性文献综述和归纳分析法。他们设定了明确的文献纳入标准，专注于报道COTS-based WuRx硬件原型的研究，排除了纯仿真或仅关注媒体访问控制(MAC)层协议的论文。通过对筛选出的文献进行精细化的数据提取和比较，他们总结了不同电路设计（如基于二极管的RFED、运算放大器低频放大器、比较器ADC、低频模式匹配器LFPM）的优缺点、常用元器件选择以及性能表现。

WuRx的构建模块分析

文章将典型的WuRx分解为多个功能模块。射频前端负责接收信号，其中射频包络检测器(RFED)是关键，它将射频信号转换为低频信号。研究表明，电压倍增器(VD)配置的肖特基二极管（如SMS7630）RFED在灵敏度和复杂度间取得了较好平衡。低频放大器用于放大微弱的检测后信号，选择低功耗、适当增益带宽积(GBWP)的运算放大器（如MIC861）至关重要。模数转换通常由比较器（如TLV3691）实现，将模拟信号转为数字符号流。地址解码器则负责识别特定的唤醒包地址，防止误唤醒，可采用低频模式匹配器(LFPM)（如AS3933）、微控制器或CMOS逻辑电路实现。

WuRx的分类与性能权衡

根据通信介质，WuRx可分为射频、低频、声学和光学等类型，其中射频WuRx（尤其是868/915 MHz频段）因通信距离远、应用广而成为主流。工作模式上，“持续开启”型WuRx结构简单、延迟低，但功耗相对较高；“占空比循环”型通过周期性开启高功耗电路来降低平均功耗，但代价是延迟增加和需要更长的唤醒包；“功率门控”型在检测到唤醒包前导码后才激活部分电路，有助于平衡功耗和性能。寻址能力方面，具备地址匹配功能的WuRx能有效减少节点间的相互干扰和误唤醒，但会增加系统复杂性和功耗。

优化设计与性能极限

文章指出，通过优化电路设计，可以逼近WuRx的性能极限。例如，Wu等人利用隧道二极管反射放大器实现了-98 dBm的高灵敏度，但该器件已停产。Magno等人使用TLV3691比较器，将功耗降至196 nW，但灵敏度仅为-32 dBm，体现了灵敏度与功耗之间的固有权衡。在延迟优化方面，Ammar等人通过高达200 ksym/s的符号速率将寻址唤醒延迟缩短至500 μs。而基于LFPM的WuRx由于需要双重包络检测（射频OOK和低频OOK），其延迟通常较长，但通过优化调制比率(β_LF)和模式编码，仍可实现数毫秒级的低延迟。

当前研究的不足与未来方向

文章批评了当前研究中存在的一些普遍问题，如许多文献未完整报告灵敏度（建议基于误包率PER测量）、功耗（应区分静态功耗和误唤醒能耗FWuEW）和延迟等关键参数，且参数定义不统一，导致结果难以比较复现。部分研究使用了已停产的元器件（如HSMS-285x二极管），影响了设计的可重复性。此外，许多WuRx设计的地址模式缺乏“唯一性”，即不同的地址可能因编码问题导致交叉唤醒，且对长连“0”或长连“1”符号序列的容限（运行长度限制RLL）考虑不足，影响了通信可靠性。展望未来，研究认为应聚焦于提高射频放大器性能、探索无源电压放大新方法（如超再生接收机、射频开关结合谐振器）、研究反向散射通信技术以进一步降低功耗，并高度重视WuRx系统的安全性，如应对信道阻塞和重放攻击的策略。

综上所述，这项研究通过对大量现有工作的梳理和批判性分析，清晰地勾勒出基于COTS的唤醒接收器技术发展的全景图。它不仅为研究者提供了详细的设计指南和性能权衡参考，也尖锐地指出了当前研究中存在的可重复性和可靠性问题，为未来的技术发展指明了需要重点突破的方向。这项工作对于推动低功耗、低延迟无线传感器网络在物联网时代的实际应用具有重要的理论和实践价值。