CCSA：2023物联网智能终端低功耗通信技术研究报告（73页）.pdf

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1、研究报告物联网智能终端低功耗通信技术研究中国通信标准化协会2023.03项目编号：2020B57目录1 范围.12 规范性引用文件.13 缩略语.14 术语和定义.15 物联网通信简介.15.1 智能通信终端是物联网通信的关键.15.2 物联网基本架构.25.3 智能通信终端与物联网.26 智能通信终端的功能及功耗.26.1 功能及功耗分析.26.2 智能通信终端的低功耗要求.36.3 智能通信终端的功能要求.56.4 低功耗智能通信终端定义.57 低功耗智能通信终端（智能终端）.67.1 网状网通信技术（Mesh-Net）.67.2 简化功能的网络终端通信技术（Reduced Functio

2、n Devices）.77.3 星状网通信技术.117.4 先监听后发射的星状网是最佳选择.157.5 睡眠周期，监听时长，功耗及频道占用的权衡.158 有源 RFID.158.1 传统有源 RFID 通信技术.168.2 海量标签通信.218.3 市场急需技术突破.258.4 IEEE“理想有源 RFID”与智能终端.269 新一代低功耗无线通信技术标准 LDSW.279.1 LDSW 在技术上的突破和创新.279.2 LDSW 得到国内外广泛认可.279.3 LDSW 技术及 LDSW 标签.299.4 系统结构及功能.309.5 主要技术突破.339.6 LDSW 与海量标签的通信.38

3、9.7 LDSW 的能耗（按标准工作电压 3V DC 计算）.439.8 与现有其他系统共存和干扰.449.9 LDSW 信号防碰撞方式.469.10 LDSW 的通信距离.499.11 实际应用中的距离、频率、速率、功耗、频道占用的权衡.559.12 LDSW 定位技术（标签定位，极坐标定位，卫星定位）.5510 几个 LDSW 典型应用方案及案例.5810.1 城市交通流量实时信息采集系统.5810.2 卫星定位标签.5910.3 LDSW 智能频谱传感器.6010.4 智慧农业：LDSW 智慧阀门系统.6110.5 LDSW 手机插件或背夹（超低功耗人工智能对讲机）.6210.6 私家车

4、位共享和智慧停车管理.6310.7 LDSW 大數据医生及新医疗体系.6310.8 LDSW 旅游物联网.6410.9 物流物联网（公路铁路）.6510.10 预防性维护（机电设备和道桥建筑的安全监控）.6510.11“无网无电”环境中的“林草物联网”-超低功耗无线传感网.6610.12 仓库物资，生产设备及人员自动快速盘点系统.6610.13 LDSW 防盗标签.6710.14 LDSW 智能无线身份卡.6710.15 可免费语音短信的多功能智能学生卡.6710.16 偏远地区 LDSW 扶贫/应急/北斗卫星通信系统.6810.17 将 LDSW 标准用于汽车数字化管理.6910.18 利用

5、 LDSW 窄带物联网实现城市道路资源高效利用.70参考文献.711低功耗物联网智能终端通信技术研究1范围本研究报告针对电池驱动的各种低功耗无线通信终端展开，着重于最后一公里低成本，低功耗“万物互联”通信需要。包括远距离有源RFID（身份识别），特别是对处于静止或快速移动海量电子标签的身份识别、各种智能化管理中传感器数据的实时采集、各种设备的实时控制、RTLS（实时定位）、以及在“无网无电”场景中实现超远距离、超低功耗双向通信、以及低功耗智能终端之间的信息中继。本研究报告可为各行各业物联网低功耗通信应用及相关标准制定提供参考。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中规范性引用而构成本文件必不可

6、少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改）适用于本文件。3缩略语下列缩略语适用于本文件SOC片上系统（收发机+单片机）System On a ChipDash7基于ISO 18000-7RFID标准的开源无线传感器网络通信协议4术语和定义LDSW低占空比无线智能通信Low Duty Cycle Smart WirelessRFID射频识别Radio Frequency IdentificationRTLS实时定位Real Time Location System5物联网通信简介互联网通信主要是指具有主体意识动作的人，利用宽

7、带网络进行的通信操作，内容涉及语音，视频和数据等；互联网通信主要关心的是数据量和通信带宽，成本和功耗不是其主要考虑。物联网通信主要是指具有主体意识动作人，与不具有主体意识动作的物之间的信息交流。内容主要涉及与物相关的身份，位置，状态以及控制操作指令等信息，数据量和通信带宽不是物联网通信主要关心的问题，而成本、功耗、频道使用效率、终端接入数量、及工作灵活性才是物联网通信的主要矛盾。5.1智能通信终端是物联网通信的关键物联网就是一个连接“万物”的通信网络，这个网络将承担与物相关的身份信息（RFID），位置信息和状态信息（传感器信息）的采集，以及控制信息的传输。这种“通信连接”只能通过一个与物连接的

8、智能通信终端（以后简称智能通信终端）才能实现。25.2物联网基本架构图 1物联网拓扑图尽管物联网可以是一个简单局部网络，但定义一个通过宽带互联网连接在一起的，由千万个局部物联网组成的广域物联网则更有意义。只有广域物联网才能实现海量物联网动态大数据信息的采集和分析，管理和利用，以及实现对物的远程实时遥测遥控等。物联网网关以上是非常成熟的宽带网络，以下则是网关与物联网终端之间，以及终端与终端之间的通信。这是物联网通信的难点，因为它必须是低成本，超低功耗，实时双向和灵活多样的。这也是本研究课题的中心。5.3智能通信终端与物联网与互联网通信相比，物联网涉及的“万物”缺少“生命和智慧”，我们将用低成本的

9、智能通信终端来与万物连接。通过该终端的CPU赋予“万物”运算思考能力，通过无线收发机赋予“万物”身份识别和通信的能力，通过传感器赋予“万物”感知能力，通过控制器赋予“万物”执行能力。这样一个智能通信终端，将赋予“万物”以“生命”。而“生命”的长短，则取决于这个智能通信终端的能耗。智能通信终端是物联网的基本单元，它既要满足“万物互联”的功能要求，也要满足“万物互联”的功耗要求。6智能通信终端的功能及功耗6.1功能及功耗分析6.1.1传输的信息3图 2窄带物联网传递的基本信息6.1.2物联网通信与传统网络通信相比具有长期连续大数据量（语音，视频，图像）等特征的宽带网络通信来，物联网通信具有如下显著

10、的特征：1)每次传输数据量小(“light-data”)；2)传输过程瞬间突发(“Bursty”)；3)不需定期与网络进行“握手”联系(“Asynchronous”)；4)高度自由(“Transitive”)不需在网络“注册登记”。6.2智能通信终端的低功耗要求智能通信终端不仅在数量上巨大，无法随时对它们进行充电，而且还必须考虑频率资源的高效利用。因而“低成本，低功耗，按需工作”（不工作不发射信号）是对智能通信终端的基本要求。6.2.1智能通信终端的能耗1 1）工作能耗工作能耗假如通信终端每天需要工作 10 次，每次收发 200 个字节的信息，收发机有效通信速率（去掉协议开销）为 10kbps

11、,工作电流按 10mA 计，计算结果表明：通信终端真正用于实际工作时间，每天累计不会超过 2 秒，实际平均工作耗电不到一微安（1uA）。即使采用大功率（100mA 电流）远距离（1000 米）发射信号，平均功耗也只有 2uA 左右，因而可以忽略不计。如果我们能够让通信终端仅在需要时才工作（按需工作），其它时候不消耗能量。不考虑漏电，一个很小的纽扣电池（200mAh），就可为上述终端提供 20 年以上工作所需的能量，或使用现有环境取电技术（Energy Harvest）就能解决智能通信终端的能耗问题。问题是：除了预先设定门限的传感器超限报警（Event Driving)的有限应用场景外，对物联网

12、普遍应用而言，“什么时候需要终端工作”完全是由主体意识方（管理后台）决定的。即使在“预先设定门限的传感器超限报警”的应用场景，这种报警信号在通过网关读写器传给管理后台，再由后台生成控制指令后，还必须要通过“网关读写器”下4达给连接控制设备的通信终端才能完成整个报警过程。例如，管理后台接收到火灾烟雾报警信号后，仍然需要通过网关读写器将开启喷水阀门的工作指令，及时传给连接喷水控制阀的通信终端。因而，通信终端必须要与网关读写器，或与其它连接传感器或控制器的通信终端，保持一种实时双向通信的状态。而这就是对低功耗物联网终端通信技术的最大挑战！2 2）双向通信能耗双向通信能耗智能通信终端为了实现与网关读写

13、器的实时双向通信，通常需要长期处于等待接收读写器信号的高耗电状态，一个 1000mAh 锂电池只能支持几天。电池本身成本和更换电池所需人工，对各行各业海量物联网终端应用显然难以承受。如果采用间歇性低占空比工作方式，例如 采用 1/10 或 1/100 的工作占空比，即每秒工作 100 毫秒或 10 毫秒，甚至更短，其余时间休眠，只要在这 100 毫秒或 10 毫秒工作期间内，通信终端就能在接收到后台工作指令后，在不到 1 秒时间内做出反应。这已能满足绝大多数物联网应用需要了。例如设备开关控制，门锁控制，发起数字或语音对讲通信等。而通信终端电池寿命，就可延长 10 或 100 倍甚至更长。但即使

14、这样，通信终端平均工作电流也将达到 1000uA 和 100uA。这是智能通信终端真正工作时消耗电流的百倍甚至千倍！结论结论：通信终端最大能耗来自维持与读写器之间实时双向通信联系通信终端必须采用低占空比工作方式6.2.2智能通信终端典型低占空比工作方式基于上述分析，为了满足“万物互联”低能耗要求，智能通信终端典型工作方式将是低占空比的。例如，每隔1-2秒苏醒一次，醒来后瞬间在预先安排的频道上，与网关读写器迅速建立通信。具体方式包括下面两种（见下图）：图 3智能通信终端维系与网关读写器联系的两种典型方式1)1)醒来监听信号方式（醒来监听信号方式（ReaderReader TalksTalks F

15、irstFirst）在需要与终端通信时，管理后台将通过网关读写器，在一段大于通信终端睡眠苏醒周期的时间段内，连续不间断重复地向通信终端发射信号，抓住通信终端睡眠苏醒后瞬间与之建立通信联系，向其传达工作指令。这样，通信终端便可与管理后台维持一种实时双向通信联系。此时,通信终端的能耗计算如下：假如通信终端监听电流为10mA，由于监听信号内容和方式的差异，监听信号时间长度有很大的不同。我们这里先分别按较短的2 毫秒，(占空比1/500）,20毫秒（占空比1/50），以5及相对较长的200毫秒（占空比1/5）计算，则通信终端的平均功耗分别为：20uA，200uA,2mA使用1000mAh电池时，对应电

16、池寿命大约分别是：5年，半年和半个月。（如前所述，此时通信终端实际工作能耗可以不计）2)2)先发射后监听方式（先发射后监听方式（TagTag TalksTalks FirstFirst）此时，通信终端的能耗计算如下：针对近距离（1500米）通信情况：现有LPWAN（LORAWAN，NB或SIGFOX）等技术，是通过降低通信速率增加通信距离方式，来“降低功耗”的，但其发射或接收信号时间将更长，因而实际耗电并不低，特别是周期性的远距离发射。因此，LPWAN只能通过延长睡眠周期的方式来节电。下面是NB-IOT工作能耗讨论：中国通信领域专家邬院士解释NB-IOT的“低功耗通信”时说：“如每天发送一次2

17、00字节报文，AA电池待机时间10年”。如果频繁发射，电池寿命将大大缩短！关键问题是，虽然NB-IoT休眠电流只有5uA 左右，但此时NB终端将接收不到来自网络的任何信息。故NB-IoT终端无法低功耗地来维持与后台的实时双向通信联系！为此，NB引入了DRX和eDRX周期性监听模式，在功耗和维系与后台通信联系实时性之间进行平衡。但其工作效率非常低，这与LORAWAN ClassB工作方式相似。根据来自华为以及利尔达等公司相关实测数据。完全采用DRX工作模式的NB，平均功耗在1mA左右，远远大于不需要与网络同步的有源RFID平均功耗，特别是LDSW终端功耗（大100倍）。显然NB并不适用于RFID

18、身份识别应用，以及各种自动化控制中低功耗实时控制应用。通信终端先发射后监听的方式,不仅在低功耗工作模式下，很难维持与管理后台的双向实时通信联系，而且这种方式将产生大量无用信号，并造成频率无效占用和通信干扰，浪费宝贵的频率资源。在同一区域内的终端数量越多，通信距离越远，问题也就越严重！这就是低功耗蓝牙和LORAWAN具体应用时的问题所在。显然，先发射后监听方式不能满足万物互联通信要求。降低通信终端能耗的方法降低通信终端能耗的方法：周期性监听方式；降低工作占空比（加长睡眠周期，缩短苏醒后工作时间）。6.3智能通信终端的功能要求除了满足低能耗这一基本要求外，智能通信终端还必须要满足“万物互联”的基本

19、功能要求，它们可归纳为：在超低功耗工作模式下实现在超低功耗工作模式下实现：与网关读写器维持实时双向通信联系，包括远距离通信（1000 米）可与其它低功耗通信终端建立快速双向通信身份识别功能支持海量快速移动通信终端与网关读写器通信所有通信终端需要时都可在多个通信频道上工作传感器集成起码的硬件加密（AES-128）支持实时远程唤醒控制(响应时间 1 秒）可通过其它低功耗通信终端中继信息支持低成本精确定位利用统一监听频道，所有物联网终端之间都可以实现互联互通6.4低功耗智能通信终端定义6我们将既能满足低功耗要求，同时又能满足上述功能要求的智能通信终端称之为“低功耗智能通信终端”，或简称“智能终端智能

20、终端”或或“智能标签智能标签”。7低功耗智能通信终端（智能终端）尽管现有物联网终端低功耗通信技术都有各自工作特征和应用范围，但世界范围内大规模的物联网应用需要一种统一的技术标准，在超低功耗的前提下，它应满足最后一公里范围内“万物互联”通信的所有基本功能要求。下面是与低功耗物联网终端相关的各种无线通信技术分析。7.1网状网通信技术（Mesh-Net）它们以ZigBee，Z-Wave及WiFi 为代表，通信协议相对较复杂。网状网中任意一个节点都可以发起与任意其它节点的通信，但它们无法实现低占空比和低功耗通信。而在居家智能化应用中，能耗不是主要矛盾，因而居家智能化应用是它们主要市场。借助网络路由实现

21、任意节点间的通信是它们的优点；但由于它们必须随时能够中转信息，因而无法实现真正的低功耗。7.1.1ZigBee 技术1 1）工作特点）工作特点ZigBee 是网状网，典型特征是信息可在终端之间自动中继。ZigBee 网络中的RFD(Reduced Function Devices)虽然可以以“低功耗”方式工作，但其不再具有 ZigBee网络的基本功能特征：动态组网和动态路由。2 2）利弊得失）利弊得失动态组网动态路由既是 Zigbee 的优点，也是它的缺点，取决于具体应用场景。例如战场上战士之间的通信，由于战士的位置是随时移动和不定的，这就能体现Zigbee动态组网和动态路由多路径信息动态传递

22、的优势。然而在绝大多数实际应用场合，Zigbee的这种优点反而成了一个“包袱”。因为大多数物联网实际应用既不需要动态组网，也不需要动态路由。其通信路径都是固定和预先知道的。背上这个包袱，Zigbee不仅不能省电，而且工作灵活性和系统可靠性都将降低，其应用往往离不开电源供电，因而不能满足智能终端低功耗通信要求。7.1.2Z-wave 技术1)1)简介简介Z-Wave 是在 ZigBee 技术基础上，由丹麦公司 Zensys 提出的一种专门针对居家智能化应用的网状网通信协议。与 ZigBee 非常相似，只不过强调更低通信速率和更低功耗。Z-wave 通过牺牲 Zigbee 动态组网的灵活性，利用一

23、种“固定路由表”方式来提高通信效率和降低系统功耗，工作频率为 908.42MHz(美国)868.42MHz(欧洲)。采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式。采用小数据格式传输，传输速率 40kb/s。早期甚至使用9.6kb/s 的速率传输。与 Zigbee 相比，它除了牺牲动态组网的灵活性外，还采用了更低工作频率和更低通信速率，来换取相对较远的传输距离。信号有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过 100m。2 2）网络结构）网络结构每一个家庭的 Z-Wave 网络有一个自己的网络地址(HomeID);每个家庭的 Z-Wave 网络中每个节点也有自己节点 ID，统一由家庭网络中唯一主控制节点(

24、Controller)分配。每个网络最多容纳 232 个节点(Slave)及多个非主控节点。非控制节点只转发主控制节点命令。所有控制节点都可以控制已入网的普通节点。超出通信距离的节点，可以通过控制器与受控节点之间其他节点，以路由(Routing)方式完成控制。73 3）路由技术）路由技术Z-Wave采用了动态路由技术，每个Slave内部都存有一个路由表，该路由表由主控节点写入。存储信息为该Slave入网时，周边已存在的其他节点的ID信息。这样每个Slave都知道周围有哪些节点存在。主控节点存储了所有节点路由信息。当控制节点与受控节点间距离超出最大控制距离时，控制节点会调用最后一次正确控制该节点

25、的路径发送命令，如该路径失败，则从第一个节点开始重新检索新的路径。4 4）结论）结论与ZigBee一样，专门针对家庭智能化应用的Z-Wave，既不能实现真正低占空比低功耗通信，也满足不了智能终端“多功能”的通信要求。7.2简化了功能的网络终端通信技术（Reduced Function Devices）这类通信技术源于网络通信，所有终端必须依赖原来的网络才能实现通信；并接受原来网络的管理，不能单独成为一个独立通信体系。它们是由标准网络节点功能简化而来。但由于涉及网络管理的需要，它们并不能真正满足低功耗低成本要求。典型例子是NB-IoT。简化了功能的网络终端往往以低占空比星状网方式与网络进行通信。

26、典型代表包括NB-IoT，eMTC以及SigFox等。其中SigFox终端与网络节点间采用完全随机的异步通信方式。ZigBee网络中RFD（Reduced Function Devices）也可归为这一类。它们实际上应归为星状网通信。7.2.1NB-IoTNB的目的是希望利用现有LTE标准，通过牺牲终端的“实时性”和“移动性”，降低通信速率，提高谱密度方式增加通信距离，满足物联网低功耗远距离通信需求。但它的“低功耗”是通过“懒”（限制发射次数）、“静”（减少基站切换的入网过程）、及“定时单向上行通信”（牺牲下行通信实时性）来实现的。它主要用于由固定终端发起的，“传感器信息定时上报，以及偶尔出现

27、报警信息上行传输有限场景应用。针对对下行命令做出及时响应的市场需要，NB又通过“牺牲”功耗的方式，引进DRX来满足部分“不计较功耗”的实时控制市场需要。在对下行指令响应时间相同前提下，NB终端DRX平均待机功耗是LORAWAN的十倍，是LDSW一百多倍，这还没考虑随时需要同步的额外功耗，以及终端移动需要接入新基站带来的更大功率消耗等问题。面对身份识别（RFID）这一巨大市场需求，NB完全无能为力！因为NB的“懒”，“静”和“定时单向上传”特征，与物联网身份识别工作特征完全格格不入。参加下图：8图 4电流波分析身份识别的工作特征：1）终端活动范围“五湖四海”，需要随时与不同“基站”通信2）需要对

28、身份采集命令做出快速响应（双向通信）3）必须超低功耗（无人工充电），（平均电流10 uA 一个纽扣电池可工作几年）；4）终端数量巨大且往往处于快速移动中（仓库物资盘点，车流物流人流身份采集）5）数量巨大无处不在，成本要求低（t2).一个完整的唤醒数据信号包占用的总时间是t(t=t1+t2),当标签睡眠苏醒后，我们开启的两个动态信号监听窗口的时间间隔为T，则其最小取值Tmin应满足tTmint2的关系。而T的其它取值可为：T=Tmin+n*t,且应小于标签睡眠苏醒周期。双窗口中任意一个窗口监听到有效射频唤醒信号后，都将立即延长监听时间，接收紧随其后的一个完整数据信号包中数据帧部分进行解析。优点优

29、点：对芯片性能要求低，任何收发机芯片只要能够支持发射较长前导码（大于数据帧所占用时间长度），或其它简单射频编码信号，就可使用这项技术。标签每次苏醒后监听时间非常短（取决于数据包本身是否编码），而且一当被唤醒，便可立即接收到紧随其后的有效数据，而不用长时间等待（平均等待时间是以秒计的标签睡眠苏醒周期的 1/2），因而非常省电。可用于需要频繁唤醒通信的应用场景。按需工作，平常不占用频率资源；缺点：缺点：要求使用较长的前导码或其他简单编码信号，同时两个动态信号监听窗口的时间间隔，需要与唤醒数据信号包的数据帧时间长度，以及前导码时间长度有一定的匹配要求。8.1.3动态监听时间窗口及监听简单信息单元每一

30、个唤醒信号单元中，都携带有简单信息。包括分组信息，时间同步信息，标签或网关读写器的低位ID信息等。为了增加通信距离和通信可靠性，这个唤醒信号单元中的数据信息部分可以采用编码的方式。例如，它可由两个字节的前导码，1个经过扩频编码的包特征信息字节，和一个同样经过扩频编码的包长度信息字节组成的唤醒信号单元。其中，包特征信息字节又可20分为由高低4个比特位组成的两个独立的信息单元。前一个单元代表后续完整数据包的特征信息，后一个位单元代表分组或分类信息等。标签在接收到这个唤醒信号单元后，将根据其携带的信息，决定自己的动作，例如知道自己需要继续接收尾随其后的完整数据信息包，或者直接返回周期性监听信号的状态

31、等。在采用监听携带简单信息的唤醒信号单元时，初始监听信号窗口时间会长一些。图 19简单唤醒信号单元结构图 20监听简单唤醒信号单元和动态监听窗口方式优点优点：在与海量标签进行通信时，例如物资盘点，电子价格标签等。与任务无关的标签，通过简单唤醒单元携带的分组等信息，就可自动停止接收，这将大大降低标签的能耗。有许多简单应用场景，例如阀门控制，设备开关等，一个简单的命令代码和一个局域地址码编号，就能满足许多实际应用的需要。缺点缺点：相比监听不带任何信息的简单唤醒信号单元来，标签的功耗将有所增加。在需要进行更多信息交流时，标签在被唤醒后仍然需要等待较长的时间，才能接收到更完整详细指令信息。8.1.4动

32、态监听时间窗口及监听信号射频特征监听信号射频特征：简单射频特征：RSSI，当监听到的RSSI强度值超过预先设定的门限时，则延长接收时间，直到接收到一个完整信号包，或延长的监听时间超过预先设定的门限时，则进入睡眠，等待下一次监听。初始监听时间窗口一般为100uS微秒左右；21图 21监听 RSSI 信号方式图示优点：优点：监听时间短，相对省电。在被唤醒的同时就接收到工作指令信号，一步到位，省时省电，在与海量标签通信时，不需要额外的“时隙 Aloha”的标签接入过程；还可在唤醒标签的同时，在指令信号中根据标签 ID 差异安排不同的工作频道，充分利用多频道协同工作的优势；从而解决了与海量标签频繁通信

33、，以及与多个处于快速移动中标签通信的难题。简单，现有收发机芯片上一般都有这个功能。缺点：缺点：误唤醒几率高，不能用于干扰较大的环境。由于没有编码增益，因而唤醒距离近。不能点对点唤醒，因而每唤醒一次，所有的标签都必须要醒来解析接收到的数据信号，检查地址码是否与自己的相同，费电。8.1.5动态监听时间窗口及监听信号全部射频特征全部射频特征：频道，调制及编码（“DNA”检测）具体说明参见（9.5.1）。8.2海量标签通信智能终端通信技术除了对低功耗的要求外，还包括多种功能要求。而与海量标签的通信不仅重要，而且难度大。因而是对“有源RFID”技术的检验。因为无论物流仓储，智能交通，超市智能化管理等各个

34、领域都涉及这个问题。也是现有相关技术标准尚未解决的问题。因为它涉及到低成本半双工海量标签，使用单一通道进行通信时带来的信号碰撞，读写时间，以及标签功耗等诸多问题。8.2.1现有技术标准中的海量标签通信与海量有源电子标签通信又分“静态”和“动态”（快速移动中）两种情况：两者的差别主要在于对完成通信的时间要求。与处于相对静止状态的海量电子标签的通信往往时间要求不高，而与处于快速移动中海量标签通信则有很高时间要求。现有有源RFID技术尚无法实现与海量电子标签间的“动态”通信！221）“静态”应用包括仓库物资盘点，人员清点等场景。以美军标和国军标为代表有源RFID现有技术标准，除了信号监听方式有所差别

35、外，海量标签的接入均采用“时隙Aloha”的方式（接入方式只在具体细节上稍有不同）。因为读写器与电子标签之间，只有一个通信频道可以利用（半双工）。因而大量原来处于随机苏醒的状态的电子标签，当它们或先或后被读写器广播信号唤醒之后，都不能立即向读写器返回自身的ID信息，而必须进入等待接收信号的状态，并一直等到读写器连续发射完唤醒信号（发射时间大于电子标签睡眠苏醒周期），所有电子标签均被唤醒，并都处于接收信号的状态后；写器再按照估计的电子标签总数安排时隙数量，向所有被唤醒的电子标签，广播“时隙Aloha”随机接入命令。在这个“时隙Aloha”随机接入命令中，包含有传给标签的时间窗口信息，和初始时隙数

36、量N的信息（由于系统并不知道被唤醒的标签总数量，这里N也是一个经验值）。每个标签在收到这个指令信息后，都将产生一个 N的属于自己的随机整数i，同时进行时间同步。并在读写器安排的N个通信时隙中的第i个时隙向读写器发射信息。由于i是随机产生的，其不可能与读写器提供的N个时隙一一对应。因而，在N个时隙中，可能出现多个标签在同一时隙中发射信息从而造成信号碰撞的情况；同时又有一些时隙没有标签发射信号而轮空的状况。读写器将根据第一轮ID采集过程中，每次窗口中发生碰撞和轮空情况，在下一轮ID采集时，将时隙窗口的数量调小为M（M0，info*0）图 32特殊帧结构（Lenth=0，info*0）Info1In

37、fo2Info3Info1Info2Info3Info2_HInfo3_LInfo3_H4bit4bit4bit4bit4bit4bit表 2特殊帧结构 info 位部分定义9.4.2系统功能利用LDSW系统，任何一个经过授权的移动终端（手机），或一个联网的固定终端（PC），都可以在任何时候，对任何一个电池驱动的LDSW低功耗LDSW标签进行双向实时操控；在“无网无电”情况下，任何处于低功耗状态下的LDSW标签（例如传感器标签），在任何需要的时候，都可发起通信。并利用“DNA检测唤醒方式”，将周围其它低功耗LDSW标签唤醒（例如控制阀门设备开关的控制标签），传达开关阀门设备的指令；或者按照预先

38、设定的程序，通过逐级唤醒方式中继信息，将报警信息传给远处的网关读写器和管理后台，并在短暂的信息交流后，立即回到不向外发射任何信号的超低功耗待机状态（5uA）。可实现与“任意数量”快速移动海量标签流的通信，低成本解决城市交通数字化管理难题。339.5主要技术突破9.5.1DNA 检测技术由于任何一个无线通信数字信号包，都可以进一步分解为由“0”和“1”这样完全相同的基本比特位单元组成。并按照预先商定的通信协议将这些“0”和“1”组合起来，并赋予不同组合以不同的意义。而这些“0”和“1”比特位单元，又是由具有一定射频特征（频率，调制方式以及编码方式）来定义的。任何能够进行无线通信的双方，它们用于通

39、信的“0”和“1”比特位单元的射频特征定义和基本编码序列必须相同。因而，LDSW标签在睡眠苏醒后的瞬间，仅需开启一个非常短（例如50us)的动态监听时间窗口，这个窗口的宽度，仅只足以保证抓取到一个组成数字信号包最基本单元：“0”或“1”比特位的射频表述特征信号（DNA特征检测），例如代表“0”或“1”的扩频编码。将抓取到的射频信号，与期待接收的工作指令数字信号包中的任意一 个“0”或“1”比特位射频特征，进行符合性判别（例如通过相关性计算进行PN码匹配检测）。只有监听到符合通信双方共同定义的“0”或“1”比特位单元的射频特征信号后，LDSW标签才会延长接收时间，接收紧随其后的下一个完整数据信号

40、包。图 33LDSW“DNA”信号监听技术LDSW标签在接收到一个经过校验的完整数据信号包后，将根据双方规定的通信协议，对数字信号包进行解析。反之，在没有监听到任何符合“0”或“1”射频特征的信号（无信号，或PN码不匹配）时，LDSW标签将立即进入周期性睡眠的状态，而不再浪费任何时间延时接收无用信号。从而以极低的能耗代价，维持了与管理后台和其它LDSW标签的实时双向通信联系。在DNA监听方式中，网关读写器发送信号包的长度，与LDSW标签监听时间（决定电池寿命的关键因素）无关。DNADNA检测监听技术与现有其它技术相比，至少具有如下优势：检测监听技术与现有其它技术相比，至少具有如下优势：1)采用

41、“DNA”方式监听信号的 LDSW 标签，由于发信号发射和接收不需要“同步”，任意长度的一个完整数据信号包本身就是一个唤醒信号序列，其中代表每一个“0”或“1”比特位的序列编码信号就是一个唤醒信号单元，因而初始信号监听窗口可以非常小。342)LDSW 标签唤醒信号本身就是工作指令信号，LDSW 标签被唤醒的同时也就接收到了具体工作指令；而不需要在被唤醒后，还要等待数秒钟才能接收到完整工作指令信号。在与海量 LDSW 标签进行通信时，接收到工作指令信号后，仍然保留了海量 LDSW 标签苏醒时原来在时间上的随机分布状态。通过立即频道调转，避免了一个额外，繁复且费时费电的“时隙 Aloha”接入过程

42、，因而非常省电且高效可靠。3)由于初始信号监听窗口大小与工作指令信号包长度无关，因此唤醒信号可携带大量的工作指令信息。海量 LDSW 标签在被唤醒的同时，不同性质或 ID 身份的 LDSW 标签，就可以根据工作指令信号安排，临时使用多个不同频道，在不同时隙中，与多个不同通信对象进行信息交流。并在完成信息交流任务后，又都回到统一监听频道上进行监听，或者直接进入周期性睡眠的低功耗状态。这几乎无限地增加了可使用的频道数量。大大增加了 LDSW 标签的工作灵活性，极大降低了海量 LDSW 标签同时工作时的相互干扰。从而解决了现有有源 RFID 技术迄今尚未解决的，与快速移动海量电子标签进行通信的难题。

43、为低成本实现城市交通数字化管理提供了解决方法。4)“DNA”监听的每一个“0”或“1”比特位唤醒信号单元，都是一个具有编码增益的唤醒信号单元，因而通信距离远。5)相比 NB 或 LORA 周期性大功率远距离主动发射信号来，采用极小功率周期性远距离监听信号，只在需要时才大功率远距离发射信号的方式来，无论从信号干扰和电池能量消耗讲都具有极大的优势。毕竟需要 LDSW 标签进行远距离通信的次数和实际通信的时间都非常有限。因而，在远距离通信时，采用“DNA”监听按需进行工作方式显然具有独特优势。“DNA”信号监听方式，集成了现有各种信号监听方式的所有优点，同时又避开了它们缺点。花了几乎可以忽略不计的功

44、耗（几个微安），就可维持与后台或其它LDSW标签间的实时双向，灵活可靠的通信联系。因而它无疑是现有各种信号监听方式中，最先进的一种。说明说明：尽管现有无线数字通信收发机芯片，虽然在实际工作中都必须采用先检测射频信号特征（例如通过编码相关性计算，确定是否是可与之进行数字通信的“0”或“1”基本单元），然后再根据通信双方预定的通信协议，解析数据信号包的工作方式。然而遗憾的是，它们都没将这种“0”或“1”比特位射频特征的检测结果输出，作为现有低功耗智能终端或有源电子标签，周期性苏醒后监听信号瞬间时，是否需要延长监听的依据（动态时间窗口），而这对按需工作的低功耗物联网智能终端通信则非常重要！9.5.2

45、“准双工”和“准多工”多频道协同技术LDSW标签在收到唤醒工作指令的同时，可根据自身身份ID分组和工作指令安排，立即（微妙级）跳转到不同频道上，向网关读写器返回信息（网关读写器可具有多个不同的接收频道）。例如，ID末尾为单数或双数的LDSW标签将自动跳转到两个不同的频道上，或者根据LDSW标签ID的不同分组编号，自动跳转到更多的频道上，采用CSMA防碰撞方式，向网关读写器返回信息。使得一个低成本半双功通信LDSW标签，变成一个“准双功”或“准多功”通信LDSW标签。从而解决了与海量快速移动智能标签（车流，物质流，人流等）的通信难题。特别是城市交通数字化管理中，利用低成本车载智能标签解决车流量信

46、息实时采集这一世界性难题。35图 34LDSW 多频道协同工作技术9.5.3动态授时技术可对随机苏醒的海量LDSW标签，在标签睡眠苏醒周期有限时间内，进行低功耗精准同步授时。当网关读写器需要向数量巨大，随机苏醒的LDSW标签进行同步授时时，网关读写器在连续不间断重复地向所有LDSW标签广播的每一个信号包中，都带有一个在发送该包时，来自网关读写器的精准时钟信息，或每个包的序列编号信息。因而无论在时间上先后随机苏醒的LDSW标签，所接收到信号包中的时间，都是与网关读写器的时钟是同步的。经过同步授时以后的LDSW标签，将按照授时后的自己时钟进行计时。并按照工作指令安排，在精准的时刻苏醒后进入到各自的

47、工作时隙进行工作。为了降低计时误差，在LDSW标签中需要增加一个用于精准计时的晶振。动态授时技术将大大降低LDSW标签功耗。9.5.4“宏指令”通信技术利用简单“宏指令”代码，代替繁长的具体工作指令。这里所说“宏”指令，与计算机中使用宏指令代码非常类似。这里宏指令的使用，是指通过在数据信号包中的指令代码数据位，输入相应工作指令代码编号。这个编号与管理后台和LDSW标签中一个具体工作指令相对应。LDSW标签在收到某个工作指令代码后，将自动调用预先储存在LDSW标签内，与该代码对应的工作程序。例如“01”号代码，代表要求LDSW标签以默认CSMA防碰撞方式，向网关读写器返回自己的ID信息；“02”

48、号代码则可能是要求LDSW标签，启动与之连接的卫星定位模块，按照默认方式执行卫星定位动作程序；并将得到的位置信息，按照默认方式传给网关读写器。当管理后台需要更改原有工作指令命令中的工作参数时，工作指令中还有专门与该工作指令代码对应的参数位字节，用于输入用于更新该工作参数新的具体数值。“宏指令”将大大缩减信息传输量，减少传输时间，同时增加了通信保密性。36图 35LDSW“宏指令代码”及相关参数9.5.5工作清单比对筛选技术从成千上万的通信对象中，将少部分需要处理的LDSW标签一次筛选出来，并赋予新的临时性编号。并通过动态授时方法，安排清单中的每一个LDSW标签，逐一在各自的时隙中，与网关读写器

49、进行点对点通信。这就避免了每次通信都会激活或唤醒与本次通信无关的其它LDSW标签，这不仅节省了信息交流时间和频道占用时间，而且还大大降低了LDSW标签的功耗。我们以超市电子价格标签管理为例，一般超市中可能有几万个电子价格标签。价格更改比较频繁的是食品，涉及价格标签数量应在 5000个以上。但我们可能需要更改价格的仅只是其中100个价格标签。我们首先需要将这100个价格标签筛选出来，重新给予它们新临时工作序列编号。这就需要我们通过一次性标签ID采集的方式，通过将先后采集到的每个标签ID，与工作清单中的这100个标签ID进行比对的方式，将它们筛选出来。并按照采集时间的先后顺序，逐一赋予它们新的1-

50、100序列编号。并将它们安排到新工作频道上指定的时隙内工作。为了减少ID采集和清单比对过程的工作量，我们可以预先对这5000个价格标签进行分组（可按ID编号分组），将属于不同组别的价格标签安排在不同的通信频道上监听信号，然后由读写器逐一在这些不同频道上唤醒该组的标签，筛选出清单中的标签。在完成与该组标签的信息交流后，再唤醒第二组中的标签，并在完成与第二组标签的信息交流后，继续工作直到完成所有价格标签的价格更改工作。实际上，LDSW网关读写器，在正式与价格标签进行具体信息交流前，就可先在所有价格标签统一的信号监听频道上，以“宏代码命令”的方式广播分组信息，按标签ID末尾数的差异，或产品类型ID差

51、异进行临时分组。例如将 ID号个位数为0-9的标签，分别安排到F1-F10十个临时监听频道上监听信号，时间长短根据具体工作量来定，一般不应超过30分钟。而网关读写器则逐一在这十个频道上，通过唤醒，ID采集，清单比对，赋予“清单上有名”的标签新的工作序列编号，并安排新监听频道。网关读写器将在新安排的监听频道内，向“清单上有名”的标签广播带有精准时钟信息的新协调指令信号，通过广播授时的方式，逐一将这 100个价格标签，安排到各自的工作时隙内，完成与网关读写器的信息交流（更改标签价格等信息）。在网关读写器广播授时信息的同时，告诉这些标签安排的通信时隙长度，时隙编号以及第一个时隙的起始位置信息等。这里

52、，网关读写器应根据标签执行具体任务需要的时间，例如标签为获取位置信息或传感器信息等所需的时间，来决定第一个时隙的起始位置，以及每一个时隙的长度。清单上有名的标签，将根据自己的通信时隙序列编号，进入对应的时隙与读写器进行通信。如果在安排的时37隙内成功完成信息交流的标签将回到原始监听频道（1频道）监听协调指令信号；对于在分配的时隙内通信失败的标签，读写器将在原来分配的最后一个时隙之后安排新的时隙，重新与读写器进行通信，直到该清单上的所有标签都完成与读写器的信息交流为止。LDSWLDSW 清单比对简单流程：清单比对简单流程：1)身份识别（ID 采集）阶段；2)通过清单比对筛选特殊标签，按采集到的

53、ID 先后顺序，赋予它们新序列编号和新的监听频道；3)在新监听频道上向它们广播授时，并根据它们数据准备和传输所需时间安排时隙；4)读写器逐一在每个时隙中，与每个清单上的标签进行信息交流；5)重新安排在前一轮时隙通信过程中通信失败标签新的通信时隙，直到完成所有特殊标签与读写器的通信任务为止。图 36先分组后比对图 37每个小组中的“清单”比对9.5.6超低功耗无线自主网技术38所有LDSW传感器标签（平均待机功耗5uA），在出现传感器超限报警情况下，都可立即发起通信：即临时转变为读写器的角色，向下一个信号中继点广播由报警信号组成的唤醒信号。利用逐级唤醒方式将报警信号通过一个或多个承担信息中继任务

54、的LDSW标签（传感器标签或控制开关标签），传往远处管理中心。下面以高压输电线路中，输电线塔结构安全监测，或输电绝缘子温度监控为例来加以说明。由于现场往往“无网无电”，道路崎岖，人工，直升机，无人机巡检等方式，都存在这样或那样困难和问题。我们现将10个高压输电线塔，按1到10的顺序进行编号。我们知道只有1号塔处有网有电，可以将报警信息传给管理后台。而其它各个塔都“无网无电”。每个塔的各个监控点都安装有LDSW标签，每个LDSW标签中的无线收发机都处于周期性睡眠，苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。与此同时，LDSW标签中的 CPU，将按照预先设定的时间间隔，周期性开启与之连接的温度传感器或倾斜传

55、感器，（例如5分钟或半小时检测一次），并将检测结果与非正常报警或预警门限值进行比较。如果一切正常，LDSW标签将不会发出任何报警信号，而仅只定时（例如一天一次）发送一切正常的“心跳包信号”；但如果测得的值超过预先设定的报警门限，例如10号塔绝缘子温度升高超过报警门限。则10号LDSW标签将立即从周期性监听信号的低功耗标签工作状态，短时间内转为读写器工作模式，向9号塔（必要时包括8号塔）的LDSW标签，发射10号塔绝缘子超温的报警信号。并通过时分的方式，等待接收9 号塔或8号塔，已经收10号塔报警信息的回执。10号塔的LDSW标签将进入周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的低功耗状态。9号塔将以同样的

56、方式，将10号塔的报警信息向8号塔的LDSW标签传输。以此类推，直到管理后台收到报警信息后，反方向将回执信息，以同样方式传给报警信息发起者10号塔LDSW标签。如果10号塔LDSW标签在一段预先设置的时间门限内（例如10分钟内），仍未收到回执信息，则10号塔报警信息终端将重新发起新一轮报警信息上传过程。在实际应用中，在整个低功耗信息中继过程中，并不需要每一个LDSW标签都承担信息中继的任务，特别是LDSW标签呈非线状分布时更是这样。我们只需在数据中继传输途径中，挑选一些LDSW标签作为信息中继点即可。超低功耗无线自主网技术的实际应用，涉及到各行各业低成本传感器信息自动采集，特别是那些“无网无电

57、”的应用场景。包括地质灾害自动监控，行驶中铁路货车轴承温度的自动检测，高压输电线路，石油管线，桥梁隧道安全监测，人工智能对讲机信息中继等。9.6LDSW 与海量标签的通信9.6.1利用“DNA 检测”提高通信效率正是因为LDSW采用了“DNA检测”信号的方式，不仅大大缩短了监听时间，降低了功耗上百倍；同时，由于采用了动态监听时间窗口，即延长接收信号的时间不限于接收一个完整信号包，而是可延时接收有限的多个完整信号包，直到接收到一个完整正确（经过效验的）的信号包。从而提高了通信可靠性；而标签所接收到的唤醒信号就是具体工作指令。因而被唤醒的同时就可立即根据工作指令安排，跳转到多个不同频道，完成与读写

58、器或其它标签的通信。这不仅大大加快了系统读写速度，增加了快速处理海量标签的数量；而且延长了标签电池使用寿命，提高了系统工作的可靠性和灵活性。9.6.2动态授时提高通信效率为了减少信号碰撞，降低标签的功耗，并提高频率资源使用效率，我们往往需要安排不同的标签，在各自不同的时隙内，与读写器进行通信。这就需要时间同步。一般方法是让同步对象接收同一个时钟信息来同步的。然而对那些处于先后随机苏醒的标签，我们往往需要在它们在苏醒的瞬间就能接收到精准时钟信息，而不必等待所有标签都被唤醒后，同时从读写器接收一个同步时钟信息。标签获得同步时间后，将利用内部精准时钟计时，进入低功耗休眠状态，并按时苏醒，精确地进入为

59、它们安排的时隙内，与读写器或其它标签进行通信。LDSW读写器让每一个连续发射的协调指令信号包中，携带一个发射的瞬间来自读写器的实时精准时钟信息，或对唤醒信号序列中每一个指令信号包进行编号的方式，向每个随机苏醒的标签进行授时。为了精确计时，每个LDSW标签都有32Mhz的计时晶振。每个标签随机苏醒并接收39到协调指令信号的瞬间，也就获得精确的同步时间。避免了在现有技术标准中，标签为了时间同步，改变标签原有随机苏醒的分布状态，让先苏醒的标签必须等待所有其它后苏醒标签都苏醒后，同时统一接收来自读写器时隙Aloha接入指令和授时信号。9.6.3利用分组提高通信效率我们知道，单位时间内在同一个频道上发射

60、信号的标签数量越多，通信通道就越拥挤，信号碰撞的机会就越大。而单位时间内读写器能够处理标签的数量有限，为了提高通信效率，最合理的做法就是让读写器在有限的时间内，与有限数量的标签进行通信。现有有源RFID技术标准是通过时隙Aloha方式来分组的。如前所述，这种方法费时，费力，效率低。LDSW采用9.5.2中的频道调转技术和下面描述的海量标签分组处理技术，将大大提高标签ID采集效率，同时减少了对那些时间上暂时与当前工作无关标签的干扰，省时省电。电子价格标签的应用是一个典型的例子。图 38海量标签临时分组后安排多个不同监听频道图 39海量标签分组后在不同临时频道上工作图示9.6.4利用“清单比对”筛

61、选提高通信效率40如9.5.5中所陈述的，在超市电子价格标签的应用中，在成千上万的价格标签中，每次价格更新可能只涉及上万标签中的很少一部分标签（例如5%），需要接收来自管理后台通过读写器发来的价格更新信息。如采用现有有源RFID技术标准的方法，由于采用单一频道和单一唤醒指令信号的工作方式，因而，即使读写器仅只向1万个标签中的某一个标签下达点对点工作指令，所有其它9999个标签都必须要先接收这个指令，然后再通过比对地址码的方式，将自己暂时排除在行动之外。在这1万个标签中，如果我们需要点对点地读写其中的1000个标签，则其余9000个标签就需要接收解析1000个与自己无关的点对点指令信号。这对标签

62、的电池寿命显然会带来较大的影响。特别是当这个过程需要频繁进行时更是如此。当然我们也可预先将这10000个标签进行分组，每组标签有专门属于自己这个组的监听频道。但这种预先分组的做法也会带来一些其他的问题，并且只适用于那些标签位置固定不变的应用。因为如果这些标签是移动的，意味着在所有需要读写标签的地方，针对不同分组的标签，位于不同地方的网关读写器，都必须要为每一类标签配备一个与其工作频道匹配的无线收发机单元。这无疑带来成本的增加。而利用LDSW临时分组和清单比对技术，只需一次ID采集，采集的同时赋予清单中的标签新的序列编号（临时ID）并安排新的唤醒和授时频道，一次性在按照新序列编号安排的精准时隙内

63、完成通信。只在个别“交通特别拥挤”（需要处理标签数量很大，时间很急）的地方，适当根据需要在读写器中增加更多通信单元即可。这里通过“清单比对”将“特殊标签”筛选出来的方式，还可以用于其它许多地方。在预先并不知道在读写器信号覆盖范围内，有哪些需要进行专门信息交流的标签的应用场景。例如，在港口码头集装箱堆放场，我们需要尽快通过唤醒启动安装在某些集装箱上的LDSW卫星定位标签，来确定堆放场中那些集装箱的精确堆放位置。而每个LDSW卫星定位标签中的卫星定位模块可能都是冷启动，在被开启后都需要几十秒时间来搜星定位。我们便可通过清单比对方式，先将这些需要定位的集装箱筛选出来，并赋予新的序列编号和新的临时监听

64、信号频道。与此同时，读写器通过在新的频道上，向这些筛选出来的卫星定位标签，广播开启卫星定位模块的命令，并同时进行授时和安排它们的具体工作时隙。具体工作时隙的安排需要考虑它们“搜星”需要的时间，以及搜星获得卫星坐标位置之后，每个标签在它们各自的工作时隙内向读写器传输卫星坐标位置信息所需的时间，已确定每个时隙所需的时间长度。LDSW清单比对技术，不仅大大提高了海量标签的通信效率：减少了空中通信时间，加快了通信过程，减少了频道占用时间和信号干扰；而且还大大降低了价格标签的功耗。9.6.5利用多频道协同技术提高通信效率与快速移动海量标签的通信难题，涉及读写速度，可利用通道数量及功耗等。例如大量的车流（

65、包括汽车二轮车等），以及人流（上下班员工身份自动读取）经过每个读写器（路口或门口）的时间非常有限，现有有源RFID技术标准，由于采用半双工单通道，分“两步走”（唤醒和ID采集是读写两个独立的工作阶段）的工作方式。因而其在读写速度上，标签读写数量上，以及标签的功耗上，都不能满足实际应用的需要。LDSW 利用多频道协同工作技术，高效地解决了海量标签中由于半双工单一通信频道产生的通信瓶颈。面对处于快速流动状态的海量标签的识别读写，由于LDSW读写器协调信号和读写信号是在互不干扰的两个或多个频道上，两种工作可以同时进行。因而，LDSW读写器可实现对快速移动中海量标签，进行不间断唤醒和不间断读写；与此同

66、时，还可通过增加更多读写通道的方式，使得LDSW读写器几乎可以处理“无限数量”的标签的能力。快速频道跳转的工作方式，还极大地降低了标签的功耗。这也就解决了城市智能化管理中，亟待解决对各种车流（汽车，电瓶车，以及其他特殊车辆）人流等的数字化管理难题。41图 40快速移动中的海量标签处理方式9.6.6利用 CSMA 防碰撞方式提高频道使用效率在LDSW采用的CSMA防碰撞技术方式中，随机苏醒监听协调指令信号的标签，在接收到协调指令信号的瞬间，通过跳转频道的方式，不需等待即可立即在读写频道上向读写器发射自身的ID号，如果频道被占用，即可采用随机延时后监听后再发射信号的方式。（这里随机延时的长短和方式

67、，将根据标签数量，CSMA监听频道占用情况的结果来定。这不仅免去了标签在被唤醒后需要等待接收读写器工作指令信号的漫长时间，而且还维持了标签原有随机苏醒随即工作的自然随机过程。这就意味着LDSW防碰撞技术系统在整个防碰撞处理过程中不需要额外增加一个“从随机到同步，再回到随机”的一个多余过程，从而提高了整个信号防碰撞处理的效率。参见下图图 41LDSW 采用 CSMA 防碰撞机制实际上，Dash7联盟已将原ISO-18000-7标准中的“时隙Aloha”防碰撞方式改为，CSMA方式：42图 42Dash-7 联盟建议将时隙 Aloha 模式改为 CSMA 防碰撞模式9.6.7LDSW 就是 IEE

68、E 的“理想有源电子标签”综上所述，由于在无线低功耗通信关键技术上实现了突破，LDSW不仅克服了现有各种相关低功耗无线通信技术标准的缺陷，满足了IEEE对理想有源电子标签的所有功能要求；而且功耗更低，距离更远，工作方式更加灵活可靠。因而LDSW就是IEEE定义的“理想有源电子标签”。9.6.8LDSW 与 ISO-18000-7 国际标准海量标签盘点计算机仿真结果图 43与 ISO-18000-7 时隙 Aloha 盘点耗电比较43图 44与 ISO-18000-7 时隙 Aloha 盘点速度比较9.7LDSW 的能耗（按标准工作电压 3V DC 计算）9.7.1维系与管理后台密切联系能耗计算

69、设LDSW标签睡眠苏醒周期为1秒，每次苏醒后监听0.2ms,RC内部 时钟耗电约为1uA,监听期内耗电约为8 mA，周期性休眠期间的平均功耗为：8mA x 0.1ms/1000ms+0.001mA 0.002 mA=2uA9.7.2近距离通信能耗计算设LDSW标签为近距离通信终端，通信距离 1500m，同样每天工作10次,每次工作20ms，工作电流100mA，按125kbps速率计算，减去协议开销，约每次200字节数据量)，则标签因工作的总耗电为：100mA x 20ms x 10=20000mAms=20 mAs平均能耗为：20mAs/86400s=0.0002mA=0.2uA 22年。如果

70、采用LORAWAN低速率（300bps)，大功率周期性，远距离主动发射再监听的方式，即使每分钟发射一次，每次256个字节，每次所需时间10秒，一天1440次，平均耗电100mA X 10秒 X 1440/86400 16mA,1000mAh电池只能支持2天，即使10分钟发射一次（牺牲实时性），也只能支持20天。这里需要说明的是：在实际应用中，还必44须要考虑电池本身的设计工作寿命，包括工作环境条件（温湿度），电池自身放电，电池的工作负荷大小，锂亚电池钝化等多种因素对电池实际寿命的影响。9.7.4其它低功耗措施为了降低LDSW系统能耗，LDSW标签将根据来自后台管理中心的要求，对与之连接的传感器

71、工作方式进行管理，包括信息采集方式和对信息的预处理。（边缘计算）1 1）低占空比传感器信息采集）低占空比传感器信息采集根据相关系统对传感器信息实时性的要求，以及传感器量本身变化的快慢，传感器本身工作耗电等因素，LDSW标签将采用不同的时间周期，间隙性开启传感器进行采样的工作方式，以降低传感器的能耗。例如温度传感器和压力传感器，当我们测量大气温度和气压时，30分钟的测量周期应该足够了；当测量锅炉水温时，则可能采用10-30秒钟左右的测量周期；由于烟雾传感器工作时功耗较高，在电池供电的无线烟雾报警器中，我们需要通过测试烟雾的浓度来决定是否启动报警；但同时又需要尽量减少传感器工作时间来降低能耗。由于

72、火灾发生过程有一个烟雾从稀到浓的过程，因而我们同样可以采用周期性启动烟雾浓度传感器的方式，以降低电池能耗。例如8秒钟开启一次。除此之外，在我们监控铁路桥梁等建筑物对途经火车等冲击负载的响应时，我们需要测量路基和桥梁的振动频谱。此时，我们可以通过一个振动传感器开关和内部时钟来控制振动频谱传感器的工作。平常没有火车通过时，传感器不工作，当火车通过时首先激活振动传感器开关，然后再启动振动频谱传感器进行一定时间的采样，以这样的方式来降低能耗。总之，针对不同的应用和传感器特征，通过灵活控制传感器的工作方式，LDSW标签将节省大量的能耗。2 2）传感器信息的预处理（边缘计算）传感器信息的预处理（边缘计算）

73、只要有可能，LDSW标签在通过无线方式向管理后台发送信息时，将尽可能减少需要传输信息的数据量，以达到降低能耗的目的。传感器信息的预处理就是一种。例如，当我们使用振动频谱传感器采集监控目标的振动信息时，我们会先将采集的振动信息，进行傅里叶变化，得到振动频谱信息，然后通过与监控对象的正常频谱进行比较，只将差异部分传回给管理计算机（类似图像压缩）。这不仅直接节省不少能耗，而且还通过减少频道占用，提高频率资源使用效率，间接降低了整个LDSW系统的能耗。3 3）使用语音压缩降低功耗）使用语音压缩降低功耗这多语音信息传输，LDSW 首先通过人工智能方式，将需要传输的语音信息分解为两部分：文本内容信息+某个

74、人特有的“语音包”信息。前一部分文本信息是变化信息，但数据量非常小。一句话一般传输时间只需1-2个毫秒，而后一部分声纹信息则是不变信息。我们完全可以使用一个简单的数字代码来代替某个人的声纹包。并将它附在前面的文本信息后面。这样我们就可将语音信息压缩1000倍。除此之外，我们还可进一步通过类似英语900句的方式，使用标准语句数字代码，来代替典型的标准表达语句，将其中变化的部分（例如具体地址，名字等）当做参变量。这样的信息压缩不仅大大节省了能耗，节省了频率资源，提高了通信的保密性，而且还带来其它诸如“半双工变全双工”，“低功耗信息中继”等许多好处。4 4）使用）使用“宏代码宏代码”指令降低功耗指令

75、降低功耗LDSW还采用“宏代码”指令加参变量的方式，来压缩工作指令信息的传输。9.8与现有其他系统共存和干扰9.8.1与现有其他系统共存和干扰分析45LDSW技术主要通过如下一系列的隔离措施，来实现与工作在2.4G频道上的其它无线通信技术的“和平共处”：1 1）编码隔离（码分）：）编码隔离（码分）：LDSW采用了扩频抗干扰技术。LDSW通过采用长短不同的PN码片序列，来代表一个“0”或“1”数字比特位的方式，从而大大减少了在同一通信频道内，不同通信系统间的信号干扰，大大增强了LDSW通信抗干扰能力。图 45码片纠错图 46比特位纠错2 2）频段隔离（频分）频段隔离（频分）LDSW具有更多可利用

76、的频道：首先LDSW技术并不限于只在2.4G频段使用，因而除了世界通用的2.4G频段外，针对不同行业应用，LDSW可使用专门为该行业分配的专用频道来工作，该行业的所有LDSW标签有自己专门的监听频道和工作频道。其次，在世界通用的2.4G频段内，LDSW又将整个2.4G频带分割成83个一兆带宽的不同通信频道，以及通过码分（不同PN码）再将他们分成更多信道。每个频道带宽为1MHz。一方面在整个2.4G频段内可容纳更多的LDSW设备，另一方面，LDSW可以通过在整个2.4G频段内，所有83个1兆带宽的频道上进行逐一扫频（噪声检测），避开存在强干扰的频道，选择干扰小的干净频道进行工作。除此之外，每两个

77、LDSW选定的工作频道之间，都46会像ZigBee一样，保留4兆带宽的频段隔离，以减少不同工作频道之间因谐波杂散带来的干扰。3 3）空间隔离）空间隔离由于信号强度至少与信号源距离的平方成反比，离开信号源 0.1米，1米和10米距离的信号强度将分别是1，1/100,1/10000。距离越近，信号强度随距离变化是指数关系。只要在空间距离上可能产生干扰的不同系统的天线间距离不要太近；另外再通过天线方向的调整，都将大大减少不同 2.4G通信系统信号间的相互干扰。移动通信基站采用定向天线以及高低错位布置就是空间隔离例子。4 4）时间隔离）时间隔离LDSW采用了在同一的监听频道上，周期性监听信号，而不是周

78、期性主动发射信号的工作方式，大大减少了频率占用时间。LDSW利用所有LDSW标签在统一频道上监听的机会，临时将它们安排在不同频道上和不同时间段上工作，进一步减少了信号干扰。这与其它一些近距离无线通信技术，例如低功耗蓝牙，通信双方虽然可以在三个公用可选频道中选择一个建立“固定捆绑通信”。但在确定固定的一个通信频道之前，双方都必须要费时费力地先分别在三个频道发射信号和扫描信号。因而无法处理与多终端和随时移动终端的通信问题。9.8.2共存和干扰实际测试LDSW的技术突破主要是收发机的工作方法控制上（Firmware）和空口协议上。除此之外，在收发机工作参数指标，性能（调制和编码方式，工作带宽）和具体

79、工作方法上，与赛普拉斯公司的Wireless-USB（CYRF6936）系统大同小异。实际上，LDSW就是一个功耗更低，性能更好，工作方式更加灵活多样的“新一代”Wireless-USB系统。其所面临的在2.4G频段上，如何与其它无线通信系和平共处的问题是一样的。只不过由于LDSW采用了以监听信号为主，和超低占空比为特征的按需工作方式，以及具有同一系统内同时使用多个频道工作的能力。因而，LDSW比赛普拉斯公司的Wireless-USB 系统具有更强规避干扰的能力。但赛普拉斯公司所做的Wireless-USB系统，如何在2.4G 频段上与其它无线通信系统共存的实验，同样适用于LDSW。9.9LD

80、SW 信号防碰撞方式9.9.1无线通信信号碰撞1 1）概念）概念无线信号碰撞主要指在有限的时间内，同一通信体系内的大量标签通过有限的信号接收通道，同时向管理后台返回信息时，出现读写器通信距离变近，或很难接收到清楚信号，甚至无法接收到信号的情景。这种场景主要发生在对海量有源电子标签的盘点，以及快速识别的应用场景。因为在所有有源电子标签的应用场景，（仓库物资盘点，快速行进中的车流，人流和物流标签的识别读写），有源电子标签的ID身份是我们预先无法知道的因而不可能按他们的身份ID有序地安排他们与读写器之间的通信。我们可以简单地认为：当电子标签在随机苏醒瞬间发射自身ID信号时，这些ID信号在时间上是随机

81、分布的。这些ID信号之间的碰撞，直接与单位时间内，被唤醒的标签总的个数，以及与每个ID信号占用的时间有关。我们假定不存在标签漏唤醒的情况，这里的ID信号的个数就是单位时间内需要与读写器通信的标签数量。当需要处理的标签数量固定时，单位时间标签ID信号的个数与标签的睡眠苏醒周期成反比。单位时间内苏醒的标签个数越多，碰撞的可能越大，每个ID信号占用的时间越长，碰撞的可能也越大。在一般应用中，ID信号包的长度往往是固定的。因而，我们这里将不考虑单个ID信号占用的时间对信号碰撞发生几率的影响，而仅只针对所有信号占用的总时间（信号个数与单47个信号占用时间的乘积）与单位时间的比值（简称信号占空比），作为发

82、生信号碰撞几率的主要指标进行分析。显然，信号占空比越大发生信号碰撞的几率越高，反之则越小。我们可以通过改变标签睡眠苏醒周期，来改变信号占空比，还可通过ACK方式，通知完成与网关读写器通信任务的标签，在有限时间内不再发射信号的方式，来逐步减小信号占空比。我们当然希望在尽可能短的时间内完成对标签ID的采集，这就是说，我们既希望通过减少信号占空比来减少发生信号碰撞的几率，以提高标签ID采集效率；又希望增加单位时间内标签ID的采集数量（增加信号占空比），以便在短时间内采集更多标签ID。这里有一个最佳的信号占空比来平衡这个矛盾。而信号占空将隋着标签ID采集进程而减小。当我们通过广播方式，向范围内的所有标

83、签发布ID信息采集指令时，所有的标签都能接收到这个命令（信号下行）。但反过来的上行信号接收情况则完全不一样。由于现有有源电子标签ISO-8000-7 国际标准和中国国家标准，均只有一个上行通道。当所有被唤醒的标签在同一个时刻，向网关读写器返回信息时，必然产生信号碰撞，使得网关读写器接收不到任何信息。有源RFID必须采用时分或（/和）频分方式向网关读写器返回信息。2 2）典型有源）典型有源 RFIDRFID 防碰撞方式防碰撞方式A）CSMA（Carrier Sense Multiple Access）方式,这就是说，标签在发送信号前先在发射频道上进行监听（检测 RSSI 信号强度），看看是否有其

84、它标签正在占用该发射频道。如果是，则采用延时等待，然后发射前再 监听再等待的方式，直到确信已无其它标签发射信号后，才向读写器发射信号，并在发射后，等待接收读写器发回的确认 ACK 信息，否则还需要重发，直到超过预先规定的次数。关于标签在监听到频道被占用后，以什么方式来进行延时，有许多做法，这里不再讨论。CSMA 方式主要用于无法预先知道或无法预先安排标签发射信号具体时间的情况。B）时隙 Aloha 方式（简称 SA），是射频识别(RFID)中常用的防碰撞算法。C）按照标签 ID，通过动态授时和安排精准时隙通信的方式，这种方法通过同步授时或动态授时的方法，将已知 ID 的海量标签按照它们各自的

85、ID 号，精确安排到各自的通信时隙中与读写器进行通信的方法。这种方法的效率高，但前提条件是读写器清楚知道所有需要接入的标签 ID 号，或序列编号，以及每个标签需要通信的时间长度，并能接收到读写器的命令信号。这种方法主要用于，电子标签除了自身身份信息外，还有更多信息需要与网关读写器交流，例如电子价格标签更改价格的信息，或电子标签的位置信息或传感器信息等。9.9.2LDSW 信号防碰撞的几种手段1 1）通过调整信号占空比方式）通过调整信号占空比方式采集海量标签ID过程中，假如我们知道网关读写器最理想的情况下，每秒钟可以处理20个标签ID信号，但我们又知道我们需要处理的标签数量大约是80-100个。

86、而所有这些标签原来的睡眠苏醒周期是2秒。因此网关读写器不可能在两个标签的睡眠苏醒周期内，完成与这些标签的通信。当标签采用 CSMA防碰撞方式向读写器返回信号时，必将发生严重的信号拥堵，这将大大降低ID信号的采集效率。因为大量的信号拥挤在标签睡眠苏醒的第一个周期的时间段内。合理的做法是，在读写器向标签发布采集ID的指令中，预先将所有标签按照标签苏醒的先后次序，临时分散安排在2-3个周期长的时间段内，再采用先监听后发射的CSMA方式返回信号。例如接收到采集ID指令并监听到频道被占用后，先延时（2-3）*T 时长后（这里的T是标签睡眠苏醒周期），再采用CSMA的方式返回ID信号。采用这样的分散延时返

87、回ID的方式后，将提高ID采集效率。应用时具体分散延时的方式及多少，则根据实际情况决定，包括试验和仿真。482 2）利用频道跳转方式临时增加通信频道）利用频道跳转方式临时增加通信频道除此之外，在一些标签数量十分巨大的采集点，还可通过增加网关读写器接收信号通道的方式，降低同一通信频道内的信号占空比。此时我们需要在网关读写器向海量标签广播的ID采集指令中，加上根据标签ID分类差异（例如单双号ID差异）返回ID的“宏指令代码”信息。此时的网关读写器，将相应增加在对应工作频道上接收信号的接收机数量。读写器在标签统一的监听频道 F1上，向海量电子标签广播 ID采集命令的同时，随机苏醒的电子标签接收到命令

88、的瞬间，就可立即根据命令中的安排，跳转到制定的频道上，例如F2,F3,.等，向读写器返回ID信息。（频道跳转所需时间为微秒级），标签返还信号时采用的是CSMA信号防碰撞方式。网关读写器可根据实际需要，增加足够数量的读写器工作频道。因而，这种方式几乎可处理任意数量快速移动的海量电子标签流。由于有多个频道同时接收标签返回的ID信号，而且标签原有随机分散苏醒和分散发射的离散状态并没有改变，因而，这种方式不仅使发生信号碰撞的机会大大降低，大大加速了标签ID的读写过程，同时还大大降低了标签的功耗。这种方式非常适用于那些需要对海量标签，包括快速移动中的海量标签ID快速采集应用。例如智慧城市中实时车流量的信

89、息的实时快速采集，以及物资设备流以及人流等的ID 信息采集等。LDSW利用频道快速跳转方式，低成本地将一个半双工电子标签，变成“准双工”，或“准多工”的电子标签。3 3）分组在不同频道上监听逐一处理）分组在不同频道上监听逐一处理由于标签数量巨大，为了提高标签ID采集或通信效率，例如电子价格标签应用。LDSW还可通过广播分组方式，将标签安排在多个使用不同的信号监听频道的小组中，由读写器分组逐一处理。每个标签在完成与读写器的信息交流后，仍将回到统一的监听频道上来。这种做法不需要在硬件上增加读写器中接收机单元的数量，但将增加整个标签ID号的采集时间，因而适合于数量大但时间充裕的ID采集。例如海量仓库

90、物资盘点，超市电子价格标签管理等应用场景。4 4）利用动态授时降低信号碰撞几率）利用动态授时降低信号碰撞几率这种方式一般需要预先知道通信对象的ID，也就是说通信对象往往是安装在固定位置的LDSW标签，特别是传感器终端（例如智慧家庭应用）。当我们需要采集海量LDSW标签对应的传感器信息时，我们按照采集对象本身的ID，按照从大到小的次序或其它次序，利用广播采集指令的机会，对每个终端进行同步授时，并它们的顺序号，安排它们按顺序到时进入对应的时隙与网关读写器通信，从而避开信号碰撞。如果不知道对象的ID，我们可以通过先对所有标签进行ID采集（盘点），再通过清单比对筛选，重新按照筛选出来的标签新的序列编号

91、，然后再授时的方式来实施。5 5）通过信息压缩降低信号碰撞几率）通过信息压缩降低信号碰撞几率在9.7.4中，我们讨论了通过各种信息压缩手段来将减少标签的功耗，这与减少标签信号发射数据量和占用工作频道时间基本是一致的，这也就降低了信号碰撞的几率。9.9.3小结LDSW通过低功耗“DNA”检测唤醒技术，“多频道快速跳转”技术，“动态授时技术”，“分组监听”技术，“清单比对技术”，“宏代码”指令压缩技术，以及人工智能语音识别及代码传输技术等，减少了无效通信的时间，极大地提高了通信的效率；大大压缩了信息在空中的传播时间，从而降低了海量标签发生信号碰撞的几率。LDSW不仅实现了对海量标签的低功耗及时唤醒

92、，而且使本来处于随机“苏醒”状态时接收到工作指令的标签，仍然保持了随机分布状态，49不需等待便可立即跳转到任意多个新的预定工作频道上，采用CSMA方式向网关读写器返回信息。从而不需要额外经历一个“费时费力”从原本随机分布，再到“集中统一等待”同步接收工作命令，再通过时隙Aloha进行“人工离散”的多余过程。同时还解决了海量标签上行只能走“独木桥”的情况。标签这个“额外”的多余的时隙Aloha过程，不仅浪费了标签信息的采集时间，而且还造成了“额外”不必要的信息交流和信号碰撞，以及“额外”的能耗。LDSW防碰撞方法不仅高效实现了与海量快速移动标签之间的通信，而且能够在非常有限时间内，完成与几乎不受

93、限制数量的快速移动中标签的通信任务；大大降低了各种电子标签在接入过程中的能耗。详细说明请参见。9.10LDSW 的通信距离9.10.1理论计算和实际测试9.10.1.1现有 2.4G LDSW 芯片通信距离计算LDSW采用了类似ZigBee的编码通信技术，因而具有同样的编码增益（10 dB左右）。LDSW芯片接收灵敏度为：-102 dBm(参见下面第三方测试报告）图 47第三方测试报告根据开阔空间无线通信距离计算公式：Lfs(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)式中Lfs为传输损耗，d为传输距离，频率单位以MHz计算。（两端天线按0增益计算）说明说明：理论计算与实际距离

94、的差别主要是实际路径衰减。包括大气，地面，环境遮挡等。我们时采用-10dBm,O dBm 和4dBm 发射功率，按照-102dBm接收灵敏度来计算的通信距离。我 们使用-10dBm 发射功率，使用2-3dB 增益全向天线现场测试得到的结果约在300米左右。与表中计算结果符合。50表 3LDSW 模块通信距离理论计算表9.10.1.2频段、天线增益及发射功率对通信距离影响表 4使用不同频率通信距离理论计算表9.10.1.3影响通信距离的因素影响通信距离的因素很多：除了理论计算中涉及的发射功率、接收灵敏度、收发两端天线增益、通信频率等外，还有许多因素在不同程度上影响了通信距离，包括通信路径上的植被

95、覆盖情况，建筑物遮挡，天线架设离开地面的高度，天气环境条件，来自收发机电源及电路板的噪声，供电电压高低等。下面我们将讨论一些在实际应用中相对重要的影响因素：1 1）实际天线尺寸大小的影响）实际天线尺寸大小的影响理论上低频信号空间路径损失比高频小，可以传得更远，但低频信号波长更长，要求天线尺寸更大，但由于大多数通信终端实际使用的限制，我们往往只能采用较小尺寸的天线，这就要影 响到通信距离。2 2）绕射与钻缝通信的差异）绕射与钻缝通信的差异在实际通信中我们常常会遇到两种典型的情况，一种是大小尺寸不等的实体建筑物的遮挡，另一种是必须通过大小不同尺寸的缝隙进行通信，例如不同大小的公路铁路隧道，以及更小

96、尺寸的管道廊道中的通信，钻杆与井下钻头的通信，通过机电设备金属保51护柜外壳缝隙与柜内各种LDSW标签的通信，通过建筑物窗户等孔洞与室内各种通信终端的通信，以及与埋在地震废墟中的手机或设备的通信等。低频信号由于波长长，其绕射能力就强，但“钻缝”的能力就差。实际应用测试表明，高频信号很难绕过大尺寸的实体建筑物进行通信，但如果实体建筑物周围存在其它建筑物的话，高频信号则有可能通过反射的方式实现通信，只不过每反射一次，视反射面的材料及形状等都有不同程度的衰减，反射的次数越多信号衰减越厉害；与此相反，高频信号由于波长短，其钻缝传输的能力则很强。实验示例如下：示例 1：金属盒实验我们专门做了一个加了凸凹

97、契合接口的金属密封盒，所有缝隙的宽度均小于1mm。实验表明，如果在接口处不外加微波吸收材料并用橡皮筋加力捆绑的话，盒内外的两个近距离通信终端仍然可在几米范围内通信；示例 2：石油钻杆内的通信西南石油大学陈教授的实验表明：通过一般钻井钻杆从地面与位于5000米外钻头处的通信终端通信，使用5.8G频率的通信模块不加中继就可以完成，而使用2.4G频段的模块则需要一次中继，使用433兆频段的通信模块则无法实现；示例 3：建筑物内的通信为了读取室内无线气表的读数，我们在高层建筑物位于不同楼层的几个具有代表性位置的气表处，安装了2.4G远距离（1500 米LOS）通信模块，并将读写器放置在建筑物外部，读写

98、器与气表模块之间的通信是通过建筑物窗户，孔洞和门洞，并经过几次墙壁发射与气表模块建立起通信联系的。实验表明，除了个别气表模块的位置太特殊（太偏僻-需要反射次数太多）无法实现通信连接外，绝大多数气表模块都能与室外读写器建立起通信联系，读写器信号通过窗户孔进入室内的角度越接近90度（垂直）效果越好！如果将读写器放置在建筑物内，2.4G通信的效果将大打折扣。尽管2.4G远距离通信模块，在同一楼层仍然可以通过信号反射的方式实现一定范围内的通信，但效果远不如信号通过窗户孔洞的传输方式。我们2005年，在安徽淮南测试 ZigBee烟雾报警系统时，得到同样的结果。示例 4：2.4G 频段室内通信我们更多考虑

99、的是如何通过穿过窗户孔洞，和依赖墙壁信号发射来建立室内通信联系，而不是依赖信号“穿墙”和绕射的能力来建立通信。究竟是使用433兆低频通信模块来实现建筑物内的通信好，还是使用高频2.4G通信模块通过窗户孔洞来实现与建筑物内的终端进行通信更好，也是“Dash7”工程师与摩托罗拉工程师们争执的一个问题。但我们的实践证明，在这种应用场合，使用放置在建筑物外的LDSW远距离读写器，通过建筑物窗户孔洞进入室内，并经过反射的方式，建立与室内LDSW终端的通信（水电气表等）效果更好。但为了应对室内墙面信号反射带来的信号衰减，此时室内终端应采用远距离通信模块（注意，LDSW远距离通信模块并不意味着高的能耗）。类

100、似的其他应用，则需要根据具体应用需求和环境来决定。示例 5：公路及铁路隧道内的信号传输成都齐力公司的工程师们，曾在铁路隧道内测试了2.4G通信模块在铁路隧道内的通信距离（没有提供具体隧道的弯曲情况），他们的测试表明，LDSW2.4G通信模块在隧道的的传输距离，超过他们在相似条件下隧道外测得的传输距离。我们的用户在使用2.4G频段电子标签测试隧道内地铁车载标签的通信距离时，得到相同的结果。3 3）高速运动中的）高速运动中的 LDSWLDSW 终端之间的通信终端之间的通信我们曾经测试过高速移动的LDSW标签的通信，由于条件限制，我们使用了一个超近距离LDSW 通信标签，将它固定在一个长度1.7米旋

101、转臂端头，而LDSW读写器则固定在靠近旋转臂外边沿附近，离开旋转臂上标签只有10厘米左右的距离，并将两者的通信距离调整到20厘米左右的距离范围内。旋转臂中央固定在一个电机转抽上，并通过测量固定52在转抽上的电磁脉冲信号发生器来测电机的转速。我们能达到的相对安全的测试转速为18转/秒，相当于 400公里/小时的速度，你可在仪其上清楚看到每50毫秒产生的一个接收信号脉冲。此时通信完全正常。4 4）树林对）树林对 LDSWLDSW 通信的影响通信的影响我们曾经在一个相对浓密的树林中测试了LDSW水平方向上的通信，我们发现，树林的存在对2.4G频段的LDSW通信影响很大，原来在开阔空间测得的通信距离为

102、1600米的两个LDSW通信终端，在树林中只能实现100-200米距离的通信，当然树林的密集程度对通信的影响程度显然不一样。因而，我们建议当不得不与树林中的LDSW终端通信时，最好采用从上而下，尽可能在垂直方向上穿过树林（只有树木高度的厚度），而不是水平方向穿过整个树林来通信。5 5）LDSWLDSW 信号信号“穿墙穿墙”通信的能力通信的能力我们认为无论是2.4G和433兆信号，在穿过钢筋混泥土墙时，都将导致很大的信号衰减，具体衰减量取决于钢筋混泥土墙的厚度和材料。我们通过将两个2.4G通信模块分别放在两个相邻楼层的楼板两边，发现信号穿过楼板将导致10dB 左右衰减。百度上给出如下的经验值：图

103、 48参考百度给出的经验值6 6）天线离开地面的架设高度对）天线离开地面的架设高度对 LDSWLDSW 通信的影响；通信的影响；我们的实践证明，通信两端的天线离开地面的高度影响非常大，特别是非常贴近地面的时候。百度上给出了如下的参考数值：53表 5天线离开地面高度对通信距离的影响从表中我们可以看出从表中我们可以看出，在离开地面在离开地面1-31-3米的距离范围内米的距离范围内,天线的高度对天线的高度对2.4G2.4G频段通信距离的频段通信距离的影响非常大！影响非常大！因而，我们的建议是，尽可能想办法将LDSW终端（如果不行，可将终端天线单独引出）不要放在离开地面1米以内的距离范围内，最好是在3

104、米以上的高度，以获得尽可能理想的通信距离。7 7）其它考虑）其它考虑许多人担心，在强电磁场环境下（大型电机内部和变电站内应用），在LDSW通信终端贴近金属表面（PCB天线与金属表面只有几个毫米的距离）的情况下，在下雨天，在极端高低温（-40度到+70度），以及许多存在多径和多普勒效应影响的应用场景，LDSW是否还能正常通信。我们自身的实践，以及我们客户（智利，克拉玛依，东北双城堡）的应用实践都表明，这些因素对LDSW模块通信造成的影响非常有限。如果说有影响的话，应该说是在极端低温环境条件下电池工作效率。8 8）涉及多种影响因素的高速公路现场测试）涉及多种影响因素的高速公路现场测试在2006-2

105、007年间，由国家权威机构：交通部北京交科研究设计院，以及国家有源电子标签产品质量监督检验中心，共同负责实施的，河南高速公路多路径识别项目的现场及实验室测试。测试包括现场通信效果测试和实验室标签的物理性能测试。现场测试包括将 10个LDSW近距离标签，依次放在高速行驶（140公里/小时）中小客车的后备箱内，前面工具箱内，以及前挡板上，前排座位下，以及后排座位下，进行了标签与路边读写54器之间的，无其它车辆遮挡情况和有其他车辆遮挡情况下的单向和双向通信测试。每次10个标签放在车内的同一个位置，每次经过郑州绕城高速公路沿线路旁，架设在离开地面5米高处的6个 LDSW读写器时，都自动进行一次唤醒然后

106、进行通信的测试。现场测试结果表明，在所有情况下，LDSW 标签的通信成功率超过99%，而且满足了实验室电磁兼容，标签 10万次以上擦写次数的各种检测。而且LDSW标签是在参加测试的所有其他技术产品中，为以满足所有测试要求的产品（参见测试结论和相关领导批示）。除此之外，由原海军研究所总工，当时为河南交通厅张家明顾问领导的小组，还进一步对浸泡在车内水桶中（25厘米水深），以及车内小冰箱内LDSW标签进行了测试，并且通过将读写器和标签分别放在两辆相向而行的高速行驶（140公里/小时）的汽车中的通信情况进行了测试，（模拟单向280公里速度行驶速度），结果表明LDSW标签的通信经过了各种常规应用条件下的

107、考验。完全能满足承担最后一公里内万物互联任务对物联网智能终端通信技术的要求。图 49交通部河南高速公路路径识别项目官方测试报告9.10.1.4通过增加发包次数来“增加通信距离”根据概率论，如果我们发射一次数据包的丢包率是1/100的话，就意味着我们发射一个数据包，有百分之一的几率收不到这个数据包。在同样的条件下，如果我们发射同样的数据包两次（应有一定时间间隔），我们将只有1/10000的几率，接收不到这个信号。因此，我们可通过信号重发方式来降低信号“丢失率”。如果我们按照固定信号的“丢失率”来定义通信距离的话，在某种意义上，我们也就增加了通信距离。因而，我们显然可以通过增加发包次数，或在没接收

108、到读写器返回回执信号时，以重发方式来“增加”通信距离，或者通过延长LDSW标签端周期性睡眠苏醒后监听信号时间长度，或者增加读写器连续发射唤醒信号的时间长度，使周期性睡眠苏醒后监听信号一瞬间的LDSW标签，能够有更多的机会接收读写器唤醒信号包，这在某种意义上等同于降低了“信号丢失率”，增加了通信距离。这也是很多无线通信工程师们普遍实践。关于LDSW通信距离的问题，还可参考赛普拉斯公司对外公开的文件：Maximizing Range in Wireless USB Systems文中主要讨论了，误码率，晶振精度，供电电压，电源及电路噪声，电路设计考虑，天线方向匹配，安装方式，纠错技术，编码增益，发

109、射数据时信号包长短取舍，屏蔽罩的使用等，诸多因素对通信距离的影响。559.11实际应用中的距离、频率、速率、功耗、频道占用的权衡海量LDSW标签1公里范围内的通信，主要涉及资产和人员的实时清点，快速行驶中车辆身份信息的采集，以及工业现场各种设备的自动化管理等。它们对LDSW标签的实时响应，频道占用和信号防干扰要求更高。同时，由于LDSW标签工作比较频繁，因而对LDSW标签的功耗也有一定的要求，它往往涉及网关与LDSW标签的广播通信。而对野外的LDSW标签通信，主要涉及水文地质，输油管道，输电线路等的自动监测，应急救灾对讲通信，人员搜寻等，其通信的频繁度相对较低，同一时间工作的LDSW标签数量有

110、限，因而，对频道占用，信号干扰，以及通信速率要求相对不高。因而我们在使用LDSW技术时，必须根据具体情况选用不同的工作频率，监听方式，发射功率等。9.12LDSW 定位技术（标签定位，极坐标定位，卫星定位）定位技术涉及的应用范围非常广，定位精度和定位时间的要求相差非常大，例如军事导航，自动驾驶等。而我们这里要讨论LDSW定位技术，主要是针对物联网终端一些常规应用中的低成本低功耗定位。定位精度一般都超过1米（除非涉及差分方式的LDSW卫星定位标签）。定位的目的，就是能告诉你目标对象的大概位置，以便你能发现它。厘米级精度的定位技术不在本研究报告的讨论范围。另外定位所需的时间都在1秒以上。LDSW定

111、位技术主要包括：9.12.1标杆定位（Cell-ID）定位原理：定位原理：当你出差旅行到达某个新的城市时，一下飞机你的手机往往会收到一个来自运营商的短信：“欢迎你来到美丽的XXX，.”,这是因为你的手机进入到该运营商某个蜂窝（Cell）基站的信号覆盖范围，运营商也就知道你到了某地。实际上，只要你手机开机，每个运营商都清楚知道你在运营商哪个蜂窝基站的信号覆盖范围内，再辅以你手机与其它蜂窝基站通信的相关信息，发射功率，信号强度等。你实际上已经被运营商定位了。具体的讲，标杆定位的位置表达就是以这些定位设备所在位置为中心（标杆，类似“地标”的概念）的一个圆圈范围（Cell），这个范围的大小，取决于移动

112、终端与这些定位装置之间预先设定的通信距离，（取决于信号发射装置，例如移动标签，或安装在固定位置的信标发射装置（i-Beacon）功率和接收装置的接收灵敏度），由于我们很难随时对移动终端的发射功率进行调整，因而，往往只能根据不同定位区域的定位精度要求，调整信号接收装置的接收灵敏度或天线增益，或者什么都不改变，仅只按照定位面积大小均匀布置定位设备。我们还可以通过同时接收到同一个移动终端ID的多个接收机的位置，以及它们接收同一个移动标签ID时的不同信号强度，来进一步估算该移动目标与这些接收机间的相对位置。Cell-ID定位有两种情况：一种是被定位的移动终端（例如移动电子标签）周期性的向外发射自身ID

113、信号，而安装在固定位置的通信终端（读写器，定位器以及定位标签等）则接收移动终端发射的信号。这种情况非常普遍，这种情况下，安装在固定位置的信号接收机（除定位标签外）一般采用外供电的方式。另一种情况则是安装在固定位置的信标装置，周期性向外发射自身ID信号（代表其所在位置），例如蓝牙i-Beacon;而处于移动状态的终端则处于信号接收的状态，例如移动手机通过接收蓝牙i-Beacon信号来确定自身位置。我们的实践表明，Cell-ID实际上是一个相对简单，使用方便和可靠的定位方式。它还可用于偏远景区等野外无人机搜寻定位。同样的道理，LDSW标杆定位，实际上就是使用安装在固定位置的LDSW读写器/LDSW

114、标签,与处于移动状态的LDSW标签/LDSW读写器之间，按照预先设定的通信距离进行通信的结果。9.12.2LDSW 位置标签定位技术LDSW位置标签定位技术类似LDSW标杆定位，只不过安装在固定位置，采用外供电的复杂的LDSW读写器，被简单电池供电的LDSW标签所取代。LDSW位置标签定位是具有固定位置的LDSW位置标签与移动中的LDSW标签通信的结果。这种定位方式系统简单成本低，安装方便。56LDSW位置标签定位系统中的LDSW移动标签，和具有固定位置的LDSW位置标签，平常都处于周期性睡眠，苏醒后监听读写器信号一瞬间的低功耗状态。只有在需要对LDSW移动标签定位时，LDSW读写器将同时向L

115、DSW移动标签和 LDSW固定位置标签广播定位工作指令，并对它们进行动态授时，安排所有LDSW移动标签，进入安排的时隙内，等待接收来自附近一个（用于单点标杆定位方式）或多个（用于多点定位）位置标签，按照预先规定的发射功率（为了控制信号覆盖范围），广播的自身ID信息。为了避免相邻位置标签广播ID信息时产生信号碰撞，因而，在接收到读写器定位广播指令时，相邻的位置标签将通过时分的方式，错时广播自己的ID信息。例如，我们假定可能造成信号碰撞的相邻位置标签数目可能多达4个，我们则将位置标签的广播信号的时隙分成4个，每个时长50ms,总时隙长度为0.2S。相邻位置标签将先后进入这4个小时隙内广播自己ID信

116、息；而所有接收到定位指令的LDSW移动标签，将在这个0.2S的大时隙内，监听接收可能来自这4个位置标签的ID信号。所有LDSW移动标签在接收到附近位置标签的ID信息后，将根据接收到的位置标签的ID编号的大小顺序，采用CSMA防碰撞方式，向网关读写器返回包括自身ID，接收到的位置标签 ID以及他们对应的信号强度信息。根据这些信息，管理后台就可以知道每个移动标签的大概位置，实现对LDSW移动标签的定位。9.12.3LDSW 卫星定位标签这里的卫星定位的原理与其它卫星定位原理完全相同，LDSW卫星定位标签技术与其他卫星定位最大的不同是：1 1）体积小成本低）体积小成本低LDSW卫星定位标签结构简单，

117、可只包括一个卫星定位模块和一个LDSW标签（可采用SIP方式集成在一起）；2 2）功耗低）功耗低LDSW卫星定位标签中的卫星定位模块平常处于关机状态，LDSW标签平常则处于周期性睡眠，苏醒后监听信号一瞬间的超低功耗状态（平均功耗 1500米）发射信号的方式，通过LDSW网关读写器(而不是一般的移动网络终端）传给管理后台，同时关闭卫星定位模块。从而实现卫星定位。由于卫星定位标签采用按需工作方式，而且不需要与移动网络保持固定联系，因而非常省电。根据我们的计算，一只5号锂电池可以支持一个卫星定位标签进行冷启动定位（40秒左右），3000次以上。即使我们每天冷启动定位1次，LDSW卫星定位标签可不更换

118、电池工作8年。4 4）生产成本和使用成本低）生产成本和使用成本低卫星定位标签的好处是，体积小，电池驱动可长期不更换电池，因而生产成本和使用成本都非常低。可广泛应用于各种场合，例如集装箱定位，人员定位，救生设备，宠物定位等。实际应用中，需要开启LDSW卫星定位标签的次数非常有限。远远低于标签电池可支持的定位次数。LDSW卫星定位标签成本低，功耗低，体积小，不需要移动网络终端来传输位置信息，因而无网络服务月费。5 5）不依赖移动网络）不依赖移动网络57卫星定位标签可以不依赖移动网络，通过安装在港口码头，景区公园等的LDSW网关读写器直接采集集装箱，及设备人员的位置信息，还可通过LDSW移动手机，和

119、安装在船只，直升机，无人机上的LDSW网关读写器，实现对海上以及偏远地区的人员搜救。LDSW卫星定位标签技术，解决了卫星定位系统必须依赖移动网络和人工频繁充电才能工作的缺陷；大大降低了卫星定位系统的生产成本和使用成本，扩展了卫星定位技术的应用范围。9.12.4LDSW 基于临界发射功率和丢包率的极坐标定位技术我们都知道，现有定位技术，包括卫星定位技术，都属于多点定位系统，及必须要建立多个定位点（多个卫星或多个读写器等信号发射或接收装置，才能实现对移动目标的定位。在野外没有移动通信网络，或者没有可上传位置信息的北斗卫星通信终端（需要说明的是，一般卫星终端，包括一般北斗卫星终端都不具备这个上传信号

120、的功能）可利用的情况下，我们很难建立起这样一个多点定位系统。包括海上和偏远地区。此时，LDSW极坐标定位系统便可发挥很好的作用。LDSW极坐标定位系统，利用定向唤醒方式接收定位目标在该方向上返回的信号，来确定定位目标的方向位置，通过要求定位目标按照不同发射功率，每个发射功率发射多个数据包，测量每种功率的丢包率，找出临界发射功率（丢包率变化最大的发射功率），然后再通过对一个已知距离上定位终端信号的率定测试来计算定位目标的大概距离。9.12.5群体定位与个人定位在实际应用中，人们对定位的需求有两种：个体定位和群体定位。个体定位主要目的是个体追踪，强调实时性及移动轨迹，群体定位则主要是强调定位目标的

121、区域分布，实时性要求不高。不加区别地将两者混在一起来讨论显然不科学，同时也给具体操作带来困难。因为满足两种定位目的最佳定位手段一般并不相同。例如，在大多数应用中，标杆定位是群体定位最合理的方式；与之对应，卫星定位和采用振动传感器激活，可控LDSW标签主动发射信号的定位方式，更适合单个或有限数量个体目标的跟踪定位。例如对有限数量的现场管理执勤人员或执勤车辆的跟踪定位。首先，我们通过点对点或点对群组广播的方式，向需要定位跟踪的个体或群组广播启动定位跟踪的指令，接收到信号的个体或群组成员LDSW标签，将进入周期性主动发射信号的状态，与此同时，它们仍保留周期性监听来自读写器新的工作指令信号。移动目标携

122、带的LDSW标签中，还有一个振动传感器开关，移动目标的移动将会触发振动传感器开关，意味着移动目标的位置将发生变化。振动传感器开关每被激活一次，LDSW定位标签将在预先设定的一段时间内（例如5分钟），按照预先设定的周期和发射功率，向外发射自身ID信号并监听回执信号。当LDSW定位标签来到人员比较集中的LDSW定位读写器附近时（例如会议室或餐厅），为了避免信号碰撞，LDSW定位读写器将通过回执信号，通知发射信号的LDSW定位标签“静默”一段时间。LDSW定位标签可通过来自读写器的指令或因为超定位时限的原因，而结束主动发射信号的定位模式。在实际应用中，两种定位方式可以组合使用。平常通过定期盘点的方式

123、获取定位目标的位置分布信息，但同时可针对个别特定人员，启动主动发射信号的实时跟踪定位模式。9.12.6其他相关定位技术讨论1 1）信号强度定位（信号强度定位（RSSIRSSI）尽管目前有很多基于RSSI信号强度测试的定位方法，但我们的实践表明，由于建筑物的遮挡以及信号反射，以及定位目标自身遮挡，以及定位终端自身天线方向性的差异等原因，基于信号强度算法的各种定位方法很难得到满意的效果。2 2）UWBUWB 超宽带定位技术，超宽带定位技术，58这种定位技术定位精度高，但要求定位装置与移动终端之间不能有任何遮挡。此外UWB总体成本较高，系统安装维护相对复杂，因而只能针对那些定位精度要求高的一些特殊应

124、用场合。3 3）指纹定位法）指纹定位法简单讲指纹定位法就是预先将移动定位目标，置于预定的一个定位空间中的不同位置，然后测出与每一个位置对应的几个参考定位装置接收到该移动终端发射信号的信号强度，这一组数据就是这个移动目标的位置指纹。并将这些指纹预先存入计算机中，然后再将未知移动终端的指纹数据与计算机中储存的对应关系进行比对，反过来确定未知移动终端的位置。这种做法要求预定定位空间中的信号传播环境不能发生改变，例如空间中任何物体的位置或方向变动，都会影响到原先储存在计算机中位置与指纹的对应关系，虫儿需要重新测试。这种方法的应用会受到许多局限。4 4）陀螺仪定位）陀螺仪定位这种定位方法是在确定移动目标

125、的初始位置后，通过初始位置上的位移积分来计算定位目标的位置，由于不断增加的位移积分的累积误差，它需要通过各种手段，例如蓝牙来自位置参考点的蓝牙i-beacon信号等方式，来修正这种累积误差。10几个 LDSW 典型应用方案及案例10.1城市交通流量实时信息采集系统交通智能化，特别是城市交通智能化，是经济发展非常重要的一部分。各个国家对此都非常重视，包括通过“拥堵费征收”，“限号行驶”，以及花巨资和巨大的人力在主要城市构建视频识别系统等。但纵观全球，就还没有发现有哪一个城市使用一个简单有源电子标签，来实现交通数字化管理的。这并不是因为隐私问题，而归根到底是技术问题。因为除了 LDSW 外，世界上

126、还没有哪一种有源电子标签的现行技术标准，能够实现对快速流动的海量电子标签的读写。通过在每个路口布置一个 LDSW 多通道网关读写器，在每辆车上安装一个智能标签，LDSW多通道网关读写器使用一个通道，在智能标签监听频道上连续不间断的广播采集 ID 的唤醒工作指令，并将广播信号的覆盖范围控制在该路口的区域范围内，同时使用其他的一个或多个工作通道来监听接收被唤醒的智能标签返回的 ID 信号。智能标签跳转到网关读写器的工作频道后，采用 CSMA 方式发回自身 ID 信号。智能标签在接收到读写器 ACK 后，将在短时间内停止工作以减少信号碰撞。实测表明，读写器只需一个工作通道，就可以应对每小时通行 5

127、万辆以上车流量的实时智能标签 ID 信息采集。LDSW 解决方案已经过交通部和工信部官方现场实际功能测试和产品实验室检测。在所有参与测试的方案中，LDSW 是唯一通过官方测试认可的产品。图 50基于 LDSW 技术的路径识别与精确拆分工程59图 51测试结果及专家一件10.2卫星定位标签LDSW 卫星定位标签，利用 LDSW 超低功耗，超远距离睡眠唤醒技术，将 GPS/北斗模块，与一个 LDSW 智能标签集成在一起，成为一个低功耗的 LDSW 卫星定位标签。这里的卫星定位标签,不仅具有智能标签室内标杆定位的功能，而且还具有 GPS/北斗特有的室外精确定位的功能。LDSW 卫星定位标签被固定或移

128、动（手机或无人机载）的 LDSW 网关读写器远距离唤醒后，开启搜星定位过程。并在将自己计算得到的位置坐标，通过 LDSW 通信通道（而不是移动网络通信通道）传给网关读写器后，将关闭卫星定位模块，使其进入低功耗状态。因而它不仅成本低，电池使用寿命长，而且使用简单方便。可广泛用于各种旅游景区，游乐场所以及城市中的人员搜寻定位，旅游团队的人员管理，偏远地区没有网络覆盖的人员搜救（包括利用载有 LDSW 读写器的各种移动工具，无人机，LDSW 手机，汽车，飞机船只等的搜救），还可广泛用于大型港口及货场堆放场的集装箱，托盘，及各种设备等的搜寻定位等。图 52无人机案例60图 53 大型港口及货场集装箱案

129、例图 54海上及野外人员搜救10.3LDSW 智能频谱传感器LDSW 智能频谱传感器，借鉴医生摸脉，监听心音，工人监听机电设备震动，巡道工人监听敲击铁轨的回音等，来判断侦测对象的工作状态的方法。利用微型超低功耗智能振动频谱传感器（加速度传感器芯片+傅里叶变换 DSP+智能标签），对生命体，机电设备及建筑物等的受迫振动频谱进行测试分析，找出其与监控对象正常工作状态的频谱差异，必要时参照其它相关传感器信息，利用预先建立的数学模型对监控对象进行诊断。从而将中医诊脉，医生听心音，工人监听机器振动声，巡道工人监听铁轨敲击声等，完全凭经验性感知来判断监控对象工作状态的方法，加以科学地量化（数字化）。并利用

130、超低功耗无线通信技术联网，低成本地实现家电，汽车等各种机电设备的预防性维护。对桥隧道路，特别是高速铁路公路，城市道路安全及建筑施工安全的实时远程自动监控。LDSW 智能频谱传感器不仅体积小且平常不工作。只在外力激活后才工作，因而电池寿命长，可直接埋设或安装在道路桥梁以及机电设备内，实现对它们 24 小时的自动监控。61图 55LDSW 智能频谱传感器10.4智慧农业：LDSW 智慧阀门系统系统先利用 LDSW 智能标签与各种传感器和电磁脉冲阀等控制设备有线地连接在一起，并通过一个简易的 LDSW 网关读写器（3W），对方圆 1 公里半径范围（LOS）的所有阀门和传感器实现低功耗信号全覆盖。再通

131、过手机 APP 或控制中心管理平台，就可实现与所有这些传感器和控制设备的实时双向通信，从而对它们进行远程实时监控。它可广泛用于广大农村大量的简易“温室大棚”灌溉管理。每个 LDSW 采用一只 5 好锂电池供电，大的喷灌电磁脉冲阀增加一只 9V 南孚小方块电池，就可在两年内不需要更换电池进行自动操控。LDSW 智慧阀门是一个领先世界的科技成果，到目前为止，世界上还没有哪一个国家实现了这样的超低功耗无线远程控制。LDSW 智慧阀门灌溉系统的设备，同样可用于其他各行各业，包括城市市政和工业的自动化管理。而且在无网无电的情况下照样可以工作。因为当传感器标签监测到的相关温湿度等数值，超过预先设定的门限时

132、，传感器标签将利用 LDSW 低功耗远距离无线睡眠唤醒技术，直接唤醒与阀门控制器或其他设备控制开关连接的 LDSW 智能标签，下达开启或关闭的工作指令，包括具体释放给定流量的工作指令。从而实现在断网断电的情况下，对各种设备的自动控制。当然在有网有电的情况下，也可通过后台计算机或移动手机向 LDSW 智慧阀门下达工作指令。62图 56四川省科技厅使用 LDSW 技术农业智慧化项目相关图表10.5LDSW 手机插件或背夹（超低功耗人工智能对讲机）智能标签可通过手机插件或后置背夹方式，通过 USB 接口与手机相连，也可通过内置方式直接植入一般智能手机中，将一般智能手机变成 LDSW 物联网手机或 L

133、DSW 人工智能对讲机。利用 LDSW 超远距离 DNA 睡眠唤醒技术，以及人工智能离线语音识别和合成技术，LDSW 人工智能对讲机将人们平常讲话的语音信息，通过在线或离线语音识别方式，分解为固定不变的声纹信息（可用普通话声纹或特定个人的声纹）和标准的文本信息两部分。我们可以将不变的标准普通话声纹信息，或具有个人特征的声纹信息用不同的，简单数字代码来表示，因而我们传输的仅仅是声纹代码的和标准的文本信息，从而将语音传输的数据量降低了几百倍！这不仅大大降低了因长时间大功率发射产生的语音通信功耗和频道占用时间，而且还将语音数字化通信真正标准化了，从而为采用标准的“数字代码加密”等保密通信，和不依赖基

134、站的超低功耗语音中继传输，低成本地将原来的半双工对讲变成“全双工”对讲，以及在偏远地区或应急救灾等场景中，通过北斗实现语音和文本通信等创造了条件。另外人工智能对讲机还可通过降低通信速率来增加语音对讲的通信距离。无需运营商的网络支持，LDSW 物联网手机即可实现手机与手机、手机与智能终端设备间的超低功耗超远距离双向通信，并可扩展至各种不同的应用场景：特殊环境下的应急通信：在无信号覆盖的区域，可实现手机与手机之间超低功耗短信通信，或全双功人工智能语音对讲通信。野外或海上搜寻：由于 LDSW 手机插件平常处于超低功耗周期性监听信号的超低功耗待机状态，并可随时发起与周围 LDSW 设备的通信，因而它既

135、可在 LDSW 应急救灾专用频道上，向附近的其他 LDSW 设备或手机广播求救呼叫信号，而其它 LDSW 手机或搜救无人机，也可向失踪的 LDSW手机（或插件）广播搜救信号，并可通过与之连接的手机实现卫星定位。旅游团队管理：团员佩戴 LDSW 智能手环，导游使用 LDSW 手机插件，通过盘点可达到对团队成员的高效管理，当团员脱离导游较远位置时，导游能及时收到告警信号，减少行程中 可能出现的安全问题。63其它移动物联网应用：LDSW 物联网手机，实际上就是一个移动物联网智能终端，移动读写器或控制器，它可以与周围任何与 LDSW 智能标签连接的各种物（人和各种设备）进行通信。图 57手机背夹模型图

136、10.6私家车位共享和智慧停车管理基于 LDSW 技术的共享车位管理系统，通过使用安装在停车位地面上的简单的智能标签，和安装在停车位上方的简单 LDSW 读写器之间通信联系状态的变化，来实现室内车位是否被占用的精准判断。并将相关 信息公布至信息共享平台，可实现自动搜寻、反向寻车、自动导航、车位预订、手机支付等，并且兼容现有各种停车收费系统的方式，解决小区车位共享的难题。可以充分挖掘社区停车场“碎片化”的私家车位停车资源，以错时分享”的方式，激活闲置的存量资源，对外开放给停车服务市场。顺应互联网的共享经济的大趋势，平台方、停车管理方以及业主通过软件和硬件的协同合作共同分享利益，用户也可以因此得到

137、更为优惠的停车选择，这一切都是基于 LDSW 低功耗物联网通信技术，及相关国家统一标准基础得以打通、实现的。10.7LDSW 大數据医生及新医疗体系基于时钟生物学理论，利用各种 LDSW 传感器标签，和简单的网关读写器，实现 24 小时连续不断地采集人体的各种实时体征数据，构建人体体征和疾病关联的大数据库。通过专家团队对大数据进行生理、病理的统计分析，建立各种疾病相关的数学模型（包括考虑年龄，性别，身高体重等其他体征），通过与实时监测数据进行对比，做出人们的身体健康状况报告和预测，以利于人们提前采取相应应对措施。人的体征状况是不断变化的，要完整的掌握一个人的健康状况需要采集他 24 小时完整的

138、动态体征信息，而在医院看病，由于各种局限，医生主要依托病人体检那一时刻的身体状况信息，以及过去類似的病历信息来做诊断，而这些信息并不能完整地反映病人的真实情况。与此同时，医生的诊断也是基于其个人有限的知识积累，两相结合下，诊断的准确性难以得到保证。而利用物联网技术，体检时的瞬时体征信息，变成完整全时段连续体征变化信息，医生个人的经验判断变成集思广益和基于大数据的统计模型，大数据医生不但能作出精准的诊断更能在病始之前发出告警，防患于为然。大数据医疗体系将利用一个依据国民体征大数据分析建立起的，并通过人工智能不断完善，针对各种人群身体健康状况，以及相关的各种疾病在不同发展阶段的数学模型，与 LDS

139、W 数据采集系统得到的监控对象的，各种实时体征状况进行比对，做出诊断和预警。它以对监控对象的体征状况，进行 24 小时不间断监测得来的数据，和“大数据经验”来诊病的方式，“取代”仅64凭医生个人有限经验和当天临时体征检测数据来诊断的方式，从而以更加高效和科学的方式，更加精准可靠地完成了远超现有最好医生的工作职责（包括老中医的“望，闻，问，切”）。更具体的说，这里所说的数学模型将针对某个群体：例如，将年龄段，性别，身高，体重，甚至职业等作为参变量，将这个群体正常人的体征特征（血压，脉象，体温，等），与具体某种疾病，例如这个群体中患有糖尿病的成员，在不同季节，气候环境条件，一天之中不同时刻的体征情

140、况进行比较，建立起两者之间的差异与糖尿病不同发展阶段关联的数学模型，同时利用人工智能以及不断丰富的诊疗实践，对所构建的模型不断改进完善。这个数学模型实际上就是所谓的“大数据医生”，我们将通过 LDSW 智能传感器采集到的实时体征数据交给“大数据医生”时，它将立即给出诊断结果，无论病人的疾病处于那种阶段，包括疾病发作以前的潜伏期。对于同一个体可能同时存在多种疾病的情况，建模原理是相同的。LDSW 大数据医生，将对现有医疗体系带来巨大的改变。10.8LDSW 旅游物联网基于 LDSW 技术的智慧旅游系统，可针对性地解决外地游客或景区游客安全管理、景区人员监护，各种基于 LBS 的自动导游，导路等各

141、种信息服务，及应急状况处理的难题。游客在来到一个新的旅游城市或景区旅游时，可通过服务打折的方式下载一个手机 APP，并在每个旅游景点或服务点，包括餐厅，商店等，以及展会的每个展台，安装一个 LDSW 智能标签（这个标签还可通过 CAT1 模块与网络管理后台连接）。管理后台还与一个关于旅游景区各个景点，各个餐厅特色菜品和点餐服务，各个商店特色商品介绍，展会各展台不同展品的以不同语言，不同讲解深度的讲解信息推送服务平台公司连接。该公司将以商业化运营服务方式，为地区旅游局，各旅游景区，餐馆饭店，商店，以及展会参展商等，提供相关信息推送服务。類似抖音，直播带货方式，对来到某个具体景点，某个具体餐厅，某

142、个具体展会展台的旅游者或参观者，（通过他们的手机与安装在这些具体位置点的 LDSW 智能标签的近距离自动交互通信，后台就知道这个旅游者或参观者已经来到这个具体地点位置）。而管理后台公司将通过旅游者或参观者的手机，直接向他们推送与这个景点，餐馆，展品相关的讲解信息。参观者可在手机上自由选择讲解的语言种类，讲解的深度等。另外，这种应用还包括通过安装在各个公交车站，宾馆以及其他公共场所的智能标签，来向旅游者手机推送他所在的这个公交站点的线路信息，车辆到站信息，以及旅游者所在位置附近的餐饮娱乐，医院旅馆，商场车站等各种公共服务设施的信息，以及前往这些地点的导游导路信息。旅游者通过手机 APP 直接向管

143、理后台安全部门，发送求助报警信息。因这个报警信息还包括你发送报警信息前，通过你的手机读取到的安装在你报警点的智能标签 ID 位置信息，因而管理后台可以清楚知道你求助报警的具体位置，从而避免因一时无法说清你所在位置或因其他原因造成的救援时间耽误。（成都和济南等城市还曾经为解决这种出行安全问题，在城市中每个电杆上都标注了位置编号，用于公安接警时能快速确定报警者的位置，但因各种原因它们最后并没能发挥作用）除了直接利用旅游者的手机和安装在固定位置的智能标签，来实现各种 LBS 服务外，旅游者还可通过微信刷卡的方式，在机场车站，分布在城市各处的服务点或景区门口，获取一个 LDSW智能标签或智能标签手环，

144、这个标签或手环在刷卡时，将自动与游客的手机号码捆绑在一起。利用安装在覆盖景区全域，或城市主要景点和交通要道的简单的 LDSW 网关设备（CAT1 或 NB+智能标签），由园区管理方和负责城市旅游管理的单位，或上述的信息推送服务平台公司，将相关信息发布信息共享管理平台。因而，无论游客走到哪里，都可以通过智能卡或手环上的求助按键，寻求各种帮助，包括求助报警，以及通过一些公共展示屏幕，或将语音播报设施，获取其所在位置的相关信息，导游还可利用 LDSW 物联网手机和游客随身携带的智能标签或手环标签，随时清点团队成员的人数，了解失散旅游团队成员的实时位置。对于那些范围较大的景区或自然保护区，在网络信号覆

145、盖不到的地方，景区管理方可以利用智能标签的定位功能，通过无人机对失踪人员进行搜寻定位。65景区管理方还可利用智能标签的电子围栏功能，在那些存在地质灾害的地区安装传感器标签，对可能出现的地质灾害进行实时监控，并根据对采集到的相关实时数据的分析，做出警情判断，而安装在危险区入口处的 LDSW 读写装置，一当探测到有智能标签或手环标签来到入口处时，将自动启动广播报警器，广播语音安全告警信息，劝阻游客进入，并对不听劝阻的游客，进行记录监控。LDSW 智能标签或手环，不仅能为游客带来许多方便和安全保证，也为景区智能化管理（包括客流量分布，交通疏导，景区内外来餐饮服务等单位的管理等）带来了许多方便。LDS

146、W 智能标签还可当做长期在各处使用，享受旅游优惠服务，按照统一标准制作的旅游智能标签，或与旅游者身份证捆绑的电子门票。这个智能标签还可以是一个可以随时充值的电子钱包。图 58智慧旅游实现场景10.9物流物联网（公路铁路）只需要非常有限的投资，就可以在全国高速公路沿线和铁路沿线（还可包括主要航道沿线），以及集装箱集散场,建立一个 LDSW 物流物联网，即在每个高速公路进出口处和铁路站点处，以及河道港口码头处，安装一个 LDSW 网关（按平均 15 公里一个进行安排）；并在每个集装箱集散点处安装若干个 LDSW 网关，它们一起共同构成一张物流物联网。按每个 LDSW 网关 8000 元人民币计算，

147、整个网络投资在 2 亿元人民币左右。我们还将在每个集装箱和火车货运车箱上安装一个智能标签或一个带 GPS 或北斗的卫星定位标签，我们便可实现对所有集装箱和火车货运车箱的实时定位和跟踪，以及通过安装在集装箱门锁中的智能标签，实现在运输途中对集装箱开启时间及位置的监管；安装在冷链集装箱中的传感器标签以及安装在冷链集装箱上的简单 LDSW网关，实现对冷链运输货物的实施温度监管。另外，安装在物流线路沿线的 LDSW 网关读写器，还可对物流沿线道路通行安全，包括周围地质环境安全状况进行 24 小时实时监控；对安装在公路和铁路沿线的各种设施，人员等进行实时监控。例如对磁悬浮轨道供电系统进行实时监控，对火车

148、轴承温度进行实时监控等。10.10预防性维护（机电设备和道桥建筑的安全监控）现有包括家电，汽车在内的各种机电设备和道路桥梁等建筑，除了价格昂贵的定期保养，定期检测外，一般都是在出了问题之后，我们才会去找维修单位进行修理（汽车抛锚）或进行抢修（道路塌陷，桥梁垮塌）。“带病”工作，或不规范操作设备，都将给机电设备和建筑物带来极大的伤害和巨大的损失。不仅给机电设备用户带来很多困扰和不好的用户体验；最终加大了整个机电设备的综合成本，而且对于桥梁道路等建筑物垮塌带来的巨大损失，包括生命的66损失和交通中断的损失。是每个人都不愿意看到的。特别是那些大型发电设备，化工设备等机电设备停止运行带来的损失。简单低

149、成本的 LDSW 低功耗物联网实时信息自动监控系统，相当于一个 24 小时不间断工作的非常勤奋的设备维修工，或从不知疲倦的“电子护士”。它随时对设备的工作状况或道桥等建筑物的健康状况，通过各种 LDSW 传感器标签，将温度，电流电压，应力应变，震动频谱等实时信息采集上来，通过我们已经建立的各种相关数学模型，迅速做出诊断，在事故或故障发生前，预先采取必要的措施进行调整或保养。这不仅给设备用户带来非常好的体验，也大大降低了设备的综合成本，给新设备的研发提供了可靠的数据；而且还能以非常低的代价，避免了因建筑物垮塌给人们能够带来的巨大生命财产损失。10.11“无网无电”环境中的“林草物联网”-超低功耗

150、无线传感网所有 LDSW 传感器标签（平均待机功耗100 米，超低功耗，以及 32 为位 CPU 的信息处理功能。包括但不限于自动考勤，自动定位跟踪，各种优惠卡，“一卡通”，电子围栏，电子钱包的多种功能。因而具有非常广泛的应用：可用作为统一智能学生身份卡，特殊人员临时身份证，企事业单位智能员工卡，俱乐部贵宾卡，各种智能会员卡等，可自动实现远距离和近距离身份识别，可与手机联动实现各种 LBS 信息推送服务。10.15可免费语音短信的多功能智能学生卡LDSW 全功能智能学生卡大小与银行卡相同，厚度为 7mm 左右，充电一次可以使用三个月以上（可用一般手机充电器充电）。它是一个集成了短语音信息通信，

151、卫星定位智能标签，防盗电子标签等功能于一身的智能标签。其功能还包括：A.可随时与后台或指定手机进行短语音68信息通信（应急报警求助，医院养老院，中小学校，旅游团队等的人员智能化管理）；B.野外卫星定位（搜救）和室内“标杆”定位；C.人员自动管理，包括学生及工作人员自动实时考勤（导游使用一个 LDSW 手机或插件，就可随时对旅游团队成员，中小学生人数的自动清点等）；D.与手机捆绑后可获取基于携卡人员所在位置的各种信息服务 LBS（景区导游，城市导路）；E.电子围栏功能，未得容许不得进出特定区域；F.教学互动等（智能学生卡），.图 59智能学生卡10.16偏远地区 LDSW 扶贫/应急/北斗卫星通

152、信系统系统构建：一个安装在整个管控区域制高点上的信息管理和中继中心，组成一个可集中管理的如下图所示，LDSW 手机除手机间的一般应急对讲通信外，若干个 LDSW 手机还可以利用独立局域通信网，并可通过连接北斗地面终端的信息管理和中继中心，与外界实现短报文通信。应急通信系统还可利用无人机载或搜寻人员携带的 LDSW 手机，对处于局域网信号覆盖范围之外的 LDSW 手机进行搜寻和北斗卫星定位和通信。图 60超低功耗低成本应急通信系统69图 61北斗卫星定位和通信10.17将 LDSW 标准用于汽车数字化管理汽车已成为人们生活必需品，现有汽车内部通信依赖 CAN 总线，其建造和维修成本都很高；车内娱

153、乐通信则期盼“星闪”；对外通信则依赖移动网络。而随着城市交通管理和车辆安全驾驶及智能化驾驶的急迫需要，车与车、车与各种道路交通管理设施的互动通信也变得越来越重要。除此之外，随着人们对野外驾驶的兴趣越来越高，因而车主对车辆户外通信和应急通信的能力越来越重视。而现有其他技术并不能解决这些问题。通过在车内安装 LDSW 窄带通信系统（包括用于不同工作环境和通信距离的高频和低频两部分），可以很好地解决以上问题，包括汽车进入无网络信号覆盖区时，车与车、车与人之间，以及他们与外界的通信联系问题。高频无线系统将逐步取代车内 CAN 总线连接，以大大降低汽车建造和维修成本；同时还需要解决在 100-500 米

154、范围内车辆与附近车辆之间，以及车辆与道路交通管理设施之间的通信，从而为无人驾驶和智能化驾驶提供支持。而车载低频系统主要解决车与车，车与手持设备之间的远距离通信（5-10 公里），以及通过车载北斗短报文模块，在紧急情况下与外界的应急短报文通信。图 62两个频率不同的车载窄带 LDSW 通信系统7010.18利用 LDSW 窄带物联网实现城市道路资源高效利用利用 LDSW 智能标签系统，而不依赖 GPS，低成本地实现对行驶在城市中每辆车身份 ID、车辆所在行驶路段位置、及行驶方向、以及针对该车的道路行驶限制等实时精准信息的采集。得出城市中每个路段随时间变化的拥堵情况。并根据这个信息，将城市每个路段，不同通行方向以及不同时间的车流量拥堵状况信息，划分为不同等级。并根据每辆车每个行程所经过不同拥堵路段的累计时间，来征收车辆道路使用费。以经济为杠杆对车辆占用城市道路资源进行精细化管理，达到高效利用城市道路资源的目的。与此同时，城市交通管理平台还可利用这些实时数据，来建立可以不断优化道路交通管理的数学模型。并利用车载智能标签与道路交通管理设施的互动，实现对车辆更加高效和精准的导航。