圖4:使用美高森美無線電的Pillcam藥丸攝影機
除了超低功耗,此類無線電還需要安全的高效通信協議。標準協議,比如低能耗藍牙(Bluetooth Low Energy)或Zigbee,相比于專用協議,需要更高的通信協議開銷(protocol overhead)。大多數植入無線電因此使用專用協議來優化功耗并改進通信效率和安全性。
外部無線傳感器涵蓋了范圍廣泛的應用,從健康監測到特征生理參數監測。對于無線個人網(wireless personal area network, WPAN) 和無線體域網(wireless body area network, WBAN),今天的傳感和監測解決方案可在極低功耗下支持連續的數據流。這對于可穿戴的醫療系統尤為關鍵,因為它們都在要頻繁更換電池較為困難和昂貴的環境中使用。這些系統以往需要用AA或AAA電池,而現在則可以運行在微功率電池上。使之成為現實的是超低功耗短程無線電收發器,它們的電路設計在一些關鍵參數上針對功率效率進行了優化。
WPAN占有個人周圍的網絡空間,覆蓋了附近的生活或工作空間( 通常可達十米),并采用藍牙和Zigbee等協議來實施。WBAN則占有更小的無線空間,在人體周圍大約一米,用于與人體相關的傳感器通信。應用已從大量的工作周期性點測擴展到更多數據密集的連續鏈接。在醫院和臨床設施、臨床家庭監護和非臥床應用、以及消費者健康和健身中,這項技術有著多種應用(參見圖5)。
圖5:外部感測用例和技術
針對WPAN和WBAN的無線電要求
選擇能夠在WPAN和WBAN中優化功率效率的短程無線電收發器時,還必須考慮許多問題。針對低功率無線電的某些關鍵注意事項如圖6所示。
圖6:ULP無線電要求
其中,電源電壓尤其重要。大多數傳感器使用單電池(電壓依賴化學反應)單元運行,因而更宜采用低于2V的電源電壓。這意味著短程無線電收發器必須設計用于低電壓運行——最理想是降至1.1 V,以便優化設計靈活性并減少功率管理的限制。
另一個關鍵問題是峰值電流。幾乎所有基于無線的傳感器網絡都會依賴于某種程度的工作周期性來節省能源并限制無線電空間的使用,它們通常會在傳感器的電流消耗曲線上產生峰值。無線電收發器中的低峰值電流消耗減少了無線傳感器電源電壓方面的限制。
輸出阻抗也是重要的,因為它主要影響功率放大器(power amplifier, PA)的功耗。匹配網絡來連接無線電和天線有助于使插入損耗達到幾個dB。
載波頻率的選擇也會影響功耗。在醫療(ISM)無線電頻帶中的兩種可用選擇為2.4GHz或sub-GHz頻率。最常用的2.4GHz協議有Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee。然而,在低功率和較低數據速率無線醫療監控應用中,sub-GHz無線系統提供了幾大優勢,包括降低功耗,以及由于較低的自由空間傳播損耗,對于給定功率具有更長的距離。更安靜的頻譜意味著更容易傳輸和更少重試,這不但更高效,而且節省了電池電能。
對于網絡級的平均功率分配,通信協議也有著重大的影響。Zigbee 和藍牙提供了高度復雜的鏈接和網絡層,但這些協議棧會占用大百分比的無線電功耗,以及較高的資源開銷。對于超低功率系統,“一刀切”標準化選項罕有最佳解決方案。相反,設計人員為超低功耗應用而開發的解決方案應該考慮使用最適合其需求的協議。