CN100484112C - 控制无线局域网上的站点的功耗的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种当站点在CSMA/CA无线LAN上彼此发送和接收无线信号时用于控制站点的功耗的方法和装置。所述方法包括：从无线信号中提取有关帧传输速度的信息和有关第一和第二层的传输周期信息；基于提取的信息来确定第一和第二层的每一个的功率受控周期；以及如果包括在提取的信息中的接收地址与站点的地址不同，则通过在功率受控周期将第一和第二层的当前模式切换为预定模式来减小第一和第二层的功耗。

Description

控制无线局域网上的站点的功耗的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种控制基于载波侦听多址访问/碰撞回避(CSMA/CA)的无线局域网(LAN)上的站点的功耗的方法和装置，更具体地，涉及一种当站点处于彼此接收无线信号的备用模式时，控制基于CSMA/CA的无线LAN系统中的站点的功耗的方法和装置。
背景技术
基于IEEE 802.11标准的无线局域网(LAN)系统采用载波侦听多址访问/碰撞回避(CSMA/CA)以彼此共享无线介质。图1是一个示意图，举例说明了基于IEEE 802.11标准的无线LAN系统。参照图1，无线LAN系统包括基本业务集(BSS，basic service set)10、因特网11和内容服务器12。
所述BSS 10包括无线终端101和接入点(AP，access point)102。作为一类请求无线LAN业务的用户终端的无线终端101被称为站点。所述AP 102被连接到诸如因特网11的有线网络，或经过分布式系统(DS，distribution system)连线到构成另一个BSS的另一个AP(未示出)，以便AP102能够桥接因特网11和另一个网络。
所述站点即无线终端101具有图2所示出的分级结构。参照图2，所述站点包括射频(RF)层20、基带层21和媒体访问控制(MAC)层22。这里，所述RF层20和基带层21被称为物理层。
所述MAC层22从物理层即所述RF层20和基带层21接收载波侦听信息，并在将帧发送到接收站点之前，基于接收的载波侦听信息来确定无线介质是否正被使用。如果无线介质处于空闲状态，则发送站点将帧发送到接收站点。当帧被发送给它时，发送站点传播范围内的所有站点能够通过参考该帧的持续时间字段值来确定无线介质是否正被使用。从发送站点接收帧的所述接收站点向发送站点发送确认(ACK)帧，这个过程在图3A中示出。将无线介质的使用时间写入帧并发送该帧被称为虚拟载波侦听。
由于无线LAN系统主要应用于便携或移动设备，电池功率总是将被处理的重要问题。目前的无线LAN系统在物理层上执行操作时消耗它们的大约80％或更多的能量。
为了最小化功耗，站点采用功率管理程序，以便它们能够以低功耗进行操作。所述功率管理程序用在使用AP 102的基础网络中。站点的功率管理能够通过使用功率管理程序在每个预定数量的信标周期被执行。每个信标周期平均持续100毫秒。在网络中交换功率管理帧期间，所述AP 102需要缓存功率管理帧，这使得每100毫秒或更短时间来控制站点的功率变得不可能。因此，如果站点在诸如话音/视频呼叫的实时双向业务过程中消耗了太多功率，其不能恰当地提供实时双向业务。
图3B是时序图，举例说明了在无线LAN环境中由站点执行的虚拟载波侦听操作。参照图3B，第一至第三站点STA-1、STA-2和STA-3以及其它站点周期性地执行虚拟载波侦听操作以共享无线介质。例如，在第一站点STA-1向第三站点STA-3发送(30)一个帧的情况下，不是所述帧的目标站点的第二站点STA-2和其它站点消耗与它们执行虚拟载波侦听操作(31)一样多的功率。响应所述帧的接收，第三站点STA-3向第一站点STA-1发送(32)指示接收的帧中没有发生错误的ACK消息。第二站点STA-2和其它站点也执行虚拟载波侦听(33)。因此，第二站点STA-2和其它站点的每一个不必要地消耗与第一站点STA-1同样多的功率。
当彼此发送和接收帧或者执行虚拟载波侦听操作时，构成无线LAN系统的站点要消耗功率。每个站点发送帧时比接收帧时要多消耗30-50％的功率。另外，每个站点在执行载波侦听操作之后消耗仅用于发送帧的功率。当执行载波侦听操作时，每个站点消耗与它们接收帧一样多的功率。然而，在多个站点共享一个无线介质的情况下，执行载波侦听操作比发送帧要消耗更多的功率。例如，在20个或更多站点在预定量的时间共享单个无线介质的情况下，执行载波侦听操作比发送帧要多消耗至少10倍的功率。因此，在诸如其中多个站点由一个AP服务的热点的无线网络结构中，多个站点消耗它们的大部分功率用于执行虚拟载波侦听操作。因此，有必要减小多个站点执行虚拟载波侦听时消耗的多个站点的功耗。
发明内容
本发明提供一种方法和装置，通过降低每个站点除了在功率被提供给每个站点之后对于稳定每个站点很重要的少数单元以外的所有单元的功率，来减小站点执行虚拟载波侦听操作所消耗的功率。
根据本发明的一个方面，提供一种当站点使用分级结构来接收无线信号时控制其功耗的方法。所述方法包括：从无线信号中提取有关帧传输速度的信息和有关第一和第二层的传输周期信息；基于提取的信息，确定第一和第二层的每一个的功率受控周期；以及如果包括在提取信息中的接收地址与该站点的地址不同，则通过在功率受控周期将第一和第二层的当前模式切换为预定模式来减小第一和第二层的功耗。
根据本发明的另一个方面，提供一种当站点使用分级结构来接收无线信号时控制站点的功耗的装置。所述装置包括：第一层，用于将无线信号转换为基带信号；第二层，用于从基带信号中恢复原始信号；以及接收功率控制器，如果包括在恢复的原始信号中的接收地址与站点的地址不同，则通过将第一和第二层的当前模式切换为预定模式来减小第一和第二层所消耗的功率。
附图说明
通过参考图详细描述示范实施例，本发明的上述和其它的特征和优点将变得更清楚，其中：
图1是举例说明典型的无线LAN系统的图；
图2是举例说明图1的站点的分级结构的图；
图3A是举例说明两个站点之间数据和确认(ACK)帧的传输的图；
图3B是举例说明在无线LAN环境下由站点执行的载波侦听操作的时序图；
图4是举例说明根据本发明优选实施例的站点的分级结构的方框图；
图5是举例说明根据本发明优选实施例用于控制站点的功率的方法的图；
图6是举例说明物理层会聚程序(PLCP，physical layer convergenceprocedure)协议数据单元的格式的图；
图7A到7C是举例说明媒体访问控制(MAC)帧的格式的图；以及
图8是一个举例说明当使用根据本发明优选实施例的控制站点的功耗的方法来执行载波侦听操作时站点的功耗的图。
具体实施方式
现在将参考附图更充分地描述本发明，其中示出了本发明的示范实施例。
图4是一个举例说明根据本发明优选实施例的站点的分级结构的方框图。参照图4，站点的所述分级结构包括射频(RF)层41、基带层42和媒体访问控制(MAC)层43。所述RF层41包括：RF/IF信号处理器411，其经由天线40接收RF信号，将接收的RF信号转换为中频(IF)信号，并将IF信号转换为基带信号；压控振荡器-锁相环(VCO-PLL)412，其向RF/IF信号处理器411提供参考频率；以及第一寄存器413，其存储RF/IF信号处理器411的操作所需的数据并向RF/IF信号处理器411提供所述数据。
所述基带层42包括：模数转换器421，其将从RF/IF信号处理器411输出的基带信号转换为数字信号；基带信号处理器422，其使用诸如频移键控(FSK)方法的解调方法来解调从模数转换器421输出的数字信号，从而恢复原始信号；以及第二寄存器423，其存储模数转换器421和基带信号处理器422的操作所需的数据，并向模数转换器421和基带信号处理器422提供所述数据。
所述MAC层43包括：MAC业务接入点(SAP)431，其从基带信号处理器422接收帧；接收功率控制器433，其基于从MAC SAP 431接收的帧来控制站点的功率；以及帧处理器432，其通过执行协议控制或直接存储器访问与主机(未示出)进行通信。
当接收信号时，以下述方式来控制站点的功率。图5是一个举例说明根据本发明优选实施例的控制功率的方法的图。更具体而言，图5举例说明了接收功率控制器433的操作。
参照图5，接收功率控制器433在步骤50经由MAC SAP 431接收PLCP帧和MAC帧。所述PLCP帧和MAC帧包括各种信息，其中包括信头信息和MAC帧传输速度信息。图6举例说明了PLCP数据单元(PPDU)的结构。参照图6，PPDU包括PLCP前置码、PLCP信头和MAC子层协议数据单元(MPDU)。在图6中，同步字段(sync)被用于获得接入信号并同步该接入信号，以及帧起始定界字段(SFD)包括指示PPDU中的开始点的信息。信号字段(SIGNAL)指示采用的调制方案，以及业务字段(SERVICE)是保留字段。长度字段(LENGTH)指示发送MPDU所需的时间量，以及循环冗余校验(CRC)字段具有发送站点所计算的帧校验序列(FCS)值。可以在1Mbps的速度发送所述PLCP前置码和PLCP信头，可以在1或2Mbps的速度发送所述MPDU。
在步骤51中，接收功率控制器433从步骤50中接收的信息中提取传输速度信息和帧传输周期信息。在步骤52中，接收功率控制器433通过解释提取的信息来确定功率受控周期。可以从每个MAC帧的持续时间字段获得所述帧传输周期信息。
图7A至7C举例说明了MAC帧的不同例子。更具体地，图7A举例说明了请求发送(RTS)帧的结构，图7B举例说明了清除发送(CTS)帧的结构，以及图7C举例说明了数据帧的结构。在图7A至7C中，RA代表接收地址，及TA代表发送地址。在图7C中，ADDRESSES 1至4是地址字段，其可以分别被分类为发送地址、接收地址和组地址之一。
独立于RF层41的功率受控周期来计算基带层42的功率受控周期，这是因为稳定基带层42所花费的时间不同于稳定RF层41所花费的时间。例如，假定当前的技术水平，稳定基带层42所花费的时间不超过5毫秒，而稳定RF层41所花费的时间不超过10毫秒。
一旦确定了基带层42和RF层41的功率受控周期，在步骤53中，所述接收功率控制器433比较它的地址和接收的MAC帧的接收地址。如果接收的MAC帧的接收地址与接收功率控制器433的地址相同，所述方法返回到步骤50，连续接收PLCP，以及帧处理器432执行操作。在步骤53中，如果收到的MAC帧的接收地址不同于接收功率控制器433的地址，接收功率控制器433在步骤52确定的功率受控周期内将基带层42和RF层41的当前模式切换为低功率模式。当基带层42处于低功率模式时，除了第二寄存器423以外的所有单元被降低功率，并且阻塞向其提供的所有时钟。当RF层41处于低功率模式时，除了VCO-PLL 412和第一寄存器413以外的所有单元被降低功率。所述第一和第二寄存器413和423以及VCO-PLL 412优选地被连续供给功率，这是因为它们在被提供功率之后，比基带层42和RF层41的其余部分需要更多的时间来稳定。
当功率被切断时，在步骤55，接收功率控制器433计数功率受控周期。如果RF层41的功率受控周期结束，接收功率控制器433向RF层41提供功率，以便RF层41能够从低功率模式切换为正常操作模式。一旦RF层41被提供功率，它在10毫秒内稳定。
当RF层41返回正常操作模式且基带层42的功率受控周期结束时，所述接收功率控制器433向基带层42提供功率，以便基带层42能够从低功率模式切换为正常操作模式。一旦基带层42被提供功率，它在5毫秒内稳定。
此后，该方法返回到步骤50，其中接收功率控制器433连续接收PLCP，并且接收站点执行载波侦听操作。
图8是一个举例说明当使用根据本发明优选实施例的控制站点功耗的方法来执行载波侦听操作时站点的功耗的图。参照图8，当第一站点STA-1发送(80)MAC帧到第三站点STA-3时，第二站点STA-2和其它站点与第三站点STA-3一样执行载波侦听操作(81)，于是它们消耗和站点STA-3同样多的功率。然而，一旦第二站点STA-2和其它站点确定MAC帧不是针对它们的，它们就将每个层的当前模式改变为低功率模式(82)。当第三站点STA-3向第一站点STA-1发送(83)ACK帧时，第二站点STA-2和其它站点同样执行虚拟载波侦听(84)。然而，一旦第二站点STA-2和其它站点确定ACK帧不是针对它们的，它们就将每个层的当前模式改变为低功率模式(85)。
在两个站点和一个AP被用于具有一些业务的因特网环境中的情况下，仿真根据本发明优选实施例的控制站点功耗的方法。仿真结果显示本发明的站点功耗可被减小到现有技术的站点功耗的30-50％。
根据本发明，当站点执行载波侦听操作时能够以硬件方式控制站点的功耗。因此，能够最小化双向实时通信业务中的站点功耗。本发明遵照IEEE802.11标准，因此能够容易地应用到IEEE 802.11无线LAN系统。如果本发明被应用到以硅芯片方式集成MAC层、基带层和RF层的结构，则能够最大化功率节约。另外，本发明能够被容易地应用到现场可编程门阵列(FPGA)或数字信号处理器(DSP)。

Claims (8)

1.一种当站点使用分级结构来接收无线信号时控制站点的功耗的方法，所述方法包括下列步骤：
从无线信号中提取有关帧传输速度的信息和有关第一和第二层的传输周期信息，其中该第一层将无线信号转换为基带信号，而该第二层从基带信号中恢复原始信号；
基于提取的信息来确定第一和第二层的每一个的功率受控周期；以及
如果包括在提取的信息中的接收地址与站点的地址不同，则通过在功率受控周期将第一和第二层的当前模式切换为预定模式来减小第一和第二层的功耗。
2.根据权利要求1的方法，其中，在所述预定模式中，所述第一和第二层的一些单元被降低功率，这些单元在被提供功率之后需要比第一和第二层的其它单元更少的时间来稳定。
3.根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：
计数所述第一和第二层的每一个的功率受控周期；
如果第一层的功率受控周期结束，则将第一层返回到其原始模式；和
如果第二层的功率受控周期结束，则将第二层返回到其原始模式。
4.根据权利要求1的方法，其中，如果包括在提取的信息中的接收地址与站点的地址相同，则该站点经由所述第一和第二层接收无线信号。
5.一种当站点使用分级结构来接收无线信号时控制站点的功耗的装置，所述装置包括：
第一层，将无线信号转换为基带信号；
第二层，从基带信号中恢复原始信号；以及
接收功率控制器，如果包括在恢复的原始信号中的接收地址与站点的地址不同，通过将第一和第二层的当前模式切换为预定模式来减小第一和第二层消耗的功率。
6.根据权利要求5的装置，其中，所述第一层包括：
信号处理器，用于将无线信号转换为基带信号；
参考频率提供器，用于向所述信号处理器提供参考频率；以及
第一寄存器，用于存储所述信号处理器的操作所需的数据，
其中，当所述第一和第二层的当前模式被切换为预定模式时，所述接收功率控制器在所述第一层中仅向所述参考频率提供器和第一寄存器提供功率。
7.根据权利要求5或6的装置，其中，所述第二层包括：
模数转换器，用于将基带信号转换为数字信号；
基带信号处理器，用于从数字信号中恢复原始信号，
第二寄存器，用于存储所述模数转换器或基带信号处理器的操作所需的数据，
其中，当所述第一和第二层的当前模式被切换为预定模式时，所述接收功率控制器在所述第二层中仅向第二寄存器提供功率。
8.根据权利要求5的装置，其中，所述接收功率控制器基于恢复的原始信号来确定所述第一和第二层的每一个的功率受控周期，并且在所述功率受控周期将所述第一和第二层的当前模式切换为预定模式。
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