CN101816130A - 用于脉冲无线电唤醒的方法和系统 - Google Patents

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萨尔瓦托·德拉戈
吕西安·约翰内斯·布伦默斯
多米尼克斯·马蒂纳斯·威廉默斯·莱纳特
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Abstract

使用多种设备和方法实现了通信网络。在具体实施例中，提出了一种在通信网络中使用RF协议的RF通信设备，所述RF通信设备是利用RF收发器(110)来实现的，所述RF收发器(110)使用RF协议在网络上进行通信并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下RF收发器不在网络上进行通信。该设备还包括RF接收机(104，106)，所述RF接收机(104，106)包括包络检测器(104)和脉冲发生器电路(106)。包络检测器电路(104)响应于基于包络的信号在产生了超过预定脉冲数目的多个脉冲之后向脉冲发生器电路(106)提供基于包络的信号，所述基于包络的信号提示RF收发器(110)从降低功耗模式中转换出来。

Description

用于脉冲无线电唤醒的方法和系统
技术领域
本发明总体涉及实现射频唤醒，更具体地，涉及经由基于脉冲无线电的唤醒来进行唤醒。
背景技术
无线传感器网络(WNS)包括自主设备，所述自主设备在空间上分布以收集来自环境的数据并将这些数据传递至最终用户。对于自供电的无线传感器，降低功耗可以是重要的设计约束。典型地，节点以从几秒到几分钟范围内的周期来发送和接收几百比特的分组。因此，对于在空闲状态期间没有降低功耗的节点来说，每个节点中最大部分的能量是在空闲收听信道(例如，等待分组)过程中消耗掉的。其他关键方面是减小的尺寸和非常少的节点成本，这直接导致需要将组件完整集成到节点中。
可以通过对网络节点进行工作循环(长时间使网络节点进入休眠模式)来得到监控信道所消耗的能量的减小。工作循环可能需要同步算法来确保所有节点都经历同时休眠和唤醒时间。为了进行同步，一些解决方案关注于反应无线电的使用，其中节点具有响应于从另一节点接收到的信号而唤醒的能力。在J.Rabaey等的(2002)“PicoRadios forWireless Sensor Networks：The Next Challenge in Ultra-Low-PowerDesign，”Proceedings of the International Solid-State Circuits Conference中记载了一种反应无线电的讨论。这种唤醒无线电的功耗应当小于总的可用功率(例如，100μW)，还必须采用特殊架构。理想地，架构尽可能简单，如，避免下变频和复杂基带处理以达到功率目标。然而，如果没有使用在基带或中频执行信道滤波的架构，如，超外差、低IF或直接转换，则使用高Q RF滤波器(如，体声波(BAW)滤波器或微机电系统(MEMS)谐振器)来实现信道滤波。在D.C.Daly和A.P.Chandrakasan的(2006)“An energy efficient OOK transceiver for wirelesssensor networks”，IEEE RFIC Symposium以及在B.Otis、Y.Chee、R.Lu、N.Pletcher和J.M.rabaey(2004)“An ultra-low-power MEMS-based twochannel transceiver for wireless sensor networks，”Symposium on VLSICircuits中讨论了用于这些类型的滤波器的示例。在这些和其他解决方案中，信道滤波仍然允许超低功耗。如果没有使用信道滤波并且没有限制带宽，则可以将信号隐藏在来自天线的噪声信号以及由唤醒无线电电路添加的噪声下。可以在前端以更高的功率损耗为代价来降低由唤醒无线电电路添加的噪声。因此在唤醒无线电的设计中存在在完整集成(即，为了避免信道滤波)和功耗之间的权衡。
这些和其他局限性对于在无线网络中实现功率管理提出了挑战。
发明内容
本发明的各个方面针对以处理和解决上述问题的方式来实现处理器功率状态转换的方法和设备。
根据一个示例实施例，本发明针对一种在通信网络中使用的射频(RF)设备，所述通信网络具有使用(RF)协议来进行通信的RF通信设备。RF通信设备是利用RF收发器来实现的，RF收发器用于使用RF协议在网络上进行通信，并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下RF收发器不在网络上进行通信。RF通信设备还包括RF接收机，RF接收机包括包络检测器和脉冲发生器电路。包络检测器电路向脉冲发生器电路提供基于包络的信号，该基于包络的信号提示RF收发器从降低功耗模式中转换出来。这种提示是响应于基于包络的信号的，并在之后产生超过预定脉冲数目的多个脉冲。
根据另一示例实施例，本发明针对一种在通信网络中使用的方法，所述通信网络具有使用射频(RF)协议来进行通信的RF通信设备。每个RF通信设备具有RF收发器和RF接收机，所述RF收发器使用RF协议在网络上进行通信并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下RF收发器不在网络上进行通信。所述方法包括，对于一个RF通信设备：根据RF接收机接收到的RF信号来产生基于包络的信号；响应于基于包络的信号来检测有效RF脉冲信号；以及响应于检测到有效RF脉冲信号，提示RF收发器从降低功耗模式中转换出来。
根据另一示例实施例，本发明针对一种在通信网络中使用的设备，所述通信网络具有使用射频(RF)协议来进行通信的RF通信设备。每个通信设备具有RF收发器和RF接收机，所述RF收发器用于使用RF协议在网络上进行通信并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下，RF收发器不在网络上进行通信。所述设备包括RF通信设备之一，所述RF通信设备包括：用于根据RF接收机接收到的RF信号来产生基于包络的信号的装置；用于响应于基于包络的信号来检测有效RF脉冲信号的装置；以及用于响应于检测到有效RF脉冲信号来提示RF收发器从降低功耗模式中转换出来的装置。
本发明的上述概要并不旨在描述本发明的每个实施例或每一种实现方式。通过参考以下结合附图的详细描述和权利要求，本发明的优点、成果以及对本发明的更全面理解将变得显而易见并且被意识到。
附图说明
通过结合附图来考虑以下对本发明的多个实施例的详细描述，可以更全面地理解本发明，附图中：
图1示出了根据本发明示例实施例的射频(RF)设备的框图；
图2示出了根据本发明实施例的用于产生唤醒信号的电路的示例配置以及从该电路产生的信号的波形；
图3示出了根据本发明示例实施例的用于提供包络检测的示例电路；以及
图4示出了根据本发明示例实施例的发射唤醒(脉冲)信号的时间表示。
具体实施方式
尽管本发明可以服从各种修改和备选形式，然而在附图中以示例的方式示出了本发明的特定实施例并且将对其进行详细描述。然而，应理解，本发明旨在限于所描述的具体实施例。相反，本发明可以覆盖落入包括所附权利要求所限定的方面在内的本发明范围之内的所有修改、等同和替换。
相信本发明可以与各种不同的无线传感器网络一起使用。尽管本发明不必限于这样的应用，然而通过在这种环境下对示例的讨论，最佳地得到本发明的各个方面的评估。
根据本发明的一个实施例，将无线通信设备实现为无线网络的一部分。通信设备具有无线收发器和信号处理器电路，用于使用第一通信协议与无线网络中的其他设备进行通信。将该通信设备置于降低功耗模式。使用无线信号检测电路来检测使用第二通信协议(如，RF脉冲无线电调制)的唤醒请求。响应于检测到唤醒请求，使通信设备离开降低功耗模式。这对于相对于第一通信协议在空闲通信时间期间使用低功率/成本检测电路来说是尤其有用的。
根据本发明的另一实施例，使用包络检测器来实现检测电路。从包络检测器提供的信号被用于确定何时广播唤醒传输。在特定实例中，将来自包络检测器的信号与阈值相比较，以确定是否存在唤醒传输。
图1示出了根据本发明示例实施例的RF设备的框图。天线102接收来自设备的无线网络的传输。在必要或需要时，可以使用前端信号整形电路101。信号整形电路的特定示例是低噪放大器(LNA)。可选地，开关103可以被实现为选择性地将天线102连接至包络检测器104或连接至信号处理器电路110。开关103可以响应于信号处理电路110的功率状态。在休眠(省电)模式下，开关将天线102连接至信号处理器电路110在唤醒(正常)模式下，开关将天线102连接至信号处理电路110。在一些实例中，开关不是必要的；取而代之地，天线可以同时连接至包络检测器104和信号处理电路110。
包络检测器104检测接收的信号的包络。该信号的包络可以采用与该信号的基频(载频)相对无关的形式来表示信号的幅度。为了与图1所示的无线设备通信，另一无线设备将发送唤醒信号。该唤醒信号是由发射信号的包络来限定的。在具体实施例中，唤醒信号包括由在给定的时间周期内超过阈值的发射信号的包络来限定的脉冲系列。在另一实施例中，发送的唤醒信号可以作为数据分组的前同步码(的一部分)。包络检测器将检测到的包络传送至脉冲计数器106。一旦脉冲计数器106确定唤醒信号已被接收到，脉冲计数器106就记录接收到的脉冲的数目并产生唤醒信号。
图2示出了根据本发明实施例的用于产生唤醒信号的电路的示例配置。天线202接收射频信号并将这些射频信号提供给低噪放大器(LNA)204。包络检测器206向比较器208提供基于包络的信号。比较器208被配置为提供基于包络的信号与阈值214的比较。脉冲宽度检测器210使用比较器208的输出来确定是否接收到有效脉冲。计数器212记录接收到的有效脉冲的数目。响应于足够的有效脉冲数目，计数器212产生针对主接收机(无线电)的唤醒信号。一旦接收到唤醒信号、主接收机进入省电模式、或者在充分的时间周期内没有接收到有效脉冲的情况下可以重置计数器212。
图2所示的具体实施例将脉冲宽度检测器210描述为积分器和比较器组合。该实施例不限于此，并且可以被用于验证已经接收到有效脉冲的多个不同电路来替换或取代。例如，该电路可以被配置为在有效的数字输出hit被发送至计数器212之前验证接收到的脉冲不超过特定长度。在另一实例中，电路可以被配置为验证在后续脉冲之间存在充分的计时延迟。
当针对比较器选择了适当的阈值电压并且噪声足够低时，比较器的输出是与IR信号的包络形状相一致的方波。如上所述，脉冲检测器接收该方波并将比特定阈值更长的脉冲识别为信号。这种预防措施保护系统免受由于短且高的噪声峰值而引起的错误脉冲检测。脉冲检测器具有数字输出(Hit)，当检测到脉冲时该数字输出为高，否则该数字输出为低。在每个脉冲周期(Tf)上对该Hit信号进行采样，并在计数器中累计该Hit信号的值。在观察了n个周期Tf之后，在计数器中呈现hit的数目，即，在n个帧中检测到脉冲的次数。如果检测到了n个hit，则产生唤醒信号以开启主无线电；否则重置计数并且过程再次开始。
当存在干扰时，如果干扰的电平足够高以至于在图2的比较器的输入处产生在阈值以上的电压电平，则可能产生错误警报。因此，在具体干扰的特定的固定功率的情况下，可以通过增大阈值来避免错误警报。如果阈值增大，则还需要增大信号功率以避免对输入数据的错失检测。例如，可以通过减小网络中每对通信节点之间的距离，来实现这一点。
图3示出了根据本发明示例实施例的用于提供包络检测的示例电路。在输入302处接收RF信号。二极管304对接收信号进行整流，从而从接收到的RF信号产生基于包络的信号。可选地，滤波器306可以被实现为对基于包络的信号进行平滑处理或整形。在该特定实施例中，图3示出了作为RC电路的滤波器电路，滤波器电路包括电容器308和电阻器310。滤波器的该特定实施例不旨在限制，因为可以根据期望的滤波器需求来使用各种滤波电路和技术。在输出312上提供合成的基于包络的信号。滤波器电路特性的选择可以涉及在快速响应和包络的平滑波形之间的权衡。
图4示出了根据本发明示例实施例的所发射的唤醒(脉冲)信号的时间表示。利用周期为Tf占空比为Tp/Tf的脉冲波形来调制RF频率处的载波，这实现了脉冲无线电(IR)。如图所示，将脉冲定形为持续时间为Tp并且脉冲重复频率(PRF)＝1/Tf的方波。每个比特由n＝PRF/DR个连续脉冲组成的序列来表示，其中DR是数据率。
在图4所示的实施例中，使用脉冲位置调制(PPM)来调制比特；也可以采用其他调制方案，如开关键控(OOK)或二进制相移监控(BPSK)。在每个帧Tf中，可以以不同的延迟来发送脉冲。可以基于调制比特流和时间跳跃方案来确定延迟。每个帧Tf被分成多片持续时间Tc(图中是两片)。可以根据伪随机字来选择用于发送每个脉冲的片，以实现时间跳跃方案。可以由伪随机字来标识每一个收发器或每组收发器，以减小多用户干扰。在每个片内，在二进制调制的情况下，可以以零延迟(比特0)或延迟Tppm(比特1)来定位脉冲。在其他实例中，可以实现附加的延迟以采用M阵列调制。
由于脉冲的峰值功率大于输入信号的平均功率，所以唤醒无线电可以以有效的方式在幅度域区分有用信号和噪声。这样，工作循环方法可以在可用功率的量方面是尤其有用的，并从而便于设计没有窄滤波的唤醒无线电。这可以允许使用相对简单的唤醒无线电电路架构，并且便于将无线电集成到单个集成电路(IC)管芯中，因为可以避免使用难以实现到IC管芯的高Q滤波器，如BAW滤波器和MEMS滤波器。
一些WSN可以具有密集空间分布的特征，以及每个节点即可以与远节点(例如，10m)通信又可以与近节点(例如，1m或更小)通信。使用唤醒无线电预期容忍的最大干扰电平，网络协议强加了节点通信的最大范围(d)。在给定了发送节点与接收节点之间的该最大距离并从而给定相对路径损耗的情况下，可以计算接收天线处的信号功率并且可以相应地设置唤醒无线电中的阈值。当减小通信范围时，可以使用多跳方法来路由需要被传递至距离大于d处的节点的数据。这使得只要存在一个节点与另一节点之间的最大距离为d的节点路径，就可以以超过距离d的距离将节点隔开。对于使用峰值发射幅度与通信范围无关的发射机而言，这种最大距离d的修改是尤其有用的。
通过修改距离d，可以使系统对干扰的抗扰度动态地适应不同干扰场景，从而在存在干扰的情况下针对可靠性来权衡通信范围。节点之间通信范围的减小是由增大每个分组的等待时间而使网络性能变差，其中使用多跳通信来代替单跳通信(例如，由于附加的等待时间)。然而，如果减小的等待时间性能仍然可以满足应用需求，则系统可以被配置为在苛刻的干扰环境下运行，如，可以在未授权频段中存在的那些环境。
在图2的架构的上述描述中，阐述了在检测到脉冲时给出hit。可以使用相同硬件加上计时参考(如，检测到hit的时间)来从呼入信号中提取附加的信息。观察连续脉冲的内部到达时间，唤醒无线电可以识别在呼入信号中采用的时间跳跃方案。因此，在知道发射机处在时间跳跃方案中使用的伪随机字的情况下，唤醒无线电可以确定信号是否是有用的以及是否必须开启主无线电。这样，干扰以及以不同伪随机字调制的脉冲无线电信号可以减小或消除错误警报的产生。
唤醒无线电可以被配置为与对脉冲信号进行调制的时间跳跃方案一起使用。具体地，唤醒无线电被配置为测量接收的信号的不同脉冲的到达时间。可以在脉冲序列中使用不同的模式，如，相同脉冲的周期重复、伪随机时间跳跃或任何确定的时间跳跃序列。具体时间跳跃方案的识别使得唤醒无线电可以更好地区分干扰和有用信号。根据每个分组的具体接收，可以采用特定的时间跳跃方案。这使得收听节点的唤醒无线电可以利用信号中时间跳跃方案的标识来识别是否唤醒主无线电。更具体地，唤醒无线电可以确定该唤醒无线电是否是分组的预期目的地。
该构思可以被开发用于提高对干扰的抗扰度以及实现复杂网络方案，在所述网络方案中，唤醒无线电可以直接从时间跳跃序列中提取一些信息。例如，如果根据分组的具体接收来采用特定的时间跳跃方案，则唤醒无线电可以识别出检测到的信号是否被发往该具体节点。
在具体实例中，主无线电在频率和符号计时中进行同步以正确地对接收的信号进行解调。当使用低数据速率时，由于在接收机处所需的频率精度与信号带宽成正比，所以诸如OOK、FSK或QAM等标准调制的采用可以在RF处的频率精度方面需要非常严格的规范。关于这里讨论的一些调制方案，由于脉冲调制信号可以具有比数据速率大得多的带宽，所以降低了频率精度的需求。在特定示例中，主收发器110使用脉冲无线电调制来进行操作。这对于集成较不精确的振荡器或其他参考信号发生器而言是尤其有用的。
例如，可以采用以下调制参数：Tf＝476ns，TP＝50ns，Tppm＝238ns，数据速率100kbps，每比特21个脉冲，以及载波频率2.45GHz。在实际情况下，如果3dB的接收信号能量损耗是可以接受的，则在接收机处可以在呼入信号频率方面容忍±8.4MHz的误差。
对于完全可以与接收机相集成的较不精确的频率同步器的实现而言，RF处频率精度的降低是尤其有用的。一种实现方式将在锁频环(FLL)中调谐的RF电压控制振荡器(VCO)用于低频振荡器电路。由于精度需求降低可以在没有外部参考的情况下实现低频振荡器电路，如，石英振荡器。
在诸如OOK、FSK、QAM等窄带调制方案中，所发送的RF信号的带宽与调制信号的幅度成比例或与调制信号的幅度处于相同量级。例如，为了使用OOK调制来发送带宽为100kHz的信号，RF带宽占用载波频率周围的100kHz。当解调这种窄带调制信号时，接收机处的频率误差应当小于RF信号的带宽。因此，如果采用非常低的数据速率，则调制信号的带宽小，从而RF带宽也小(即，相对于数据速率的数量级)。相应地，通常，接收机的频率应当在小误差范围内(即，在数据速率的数量级)接近接收的信号的频率。对于脉冲无线电调制，如果数据速率低，则可以使RF信号的带宽与调制信号的带宽无关，并且接收机处所允许的误差大于窄带调制情况下的误差。相应地，尽管RF载波可以对于窄带调制和脉冲无线电调制而言是相同的，然而在脉冲无线电调制中所需的精度可以降低(即，需要的精度更低)。
以上所描述的以及图中所示的各个实施例仅仅是以示例的方式提供的，不应被解释为限制本发明。基于上述讨论和说明，本领域技术人员将容易认识到，在严格遵循本文所说明和描述的示例实施例和本申请的情况下可以对本发明进行各种修改和改变。例如，可以使用类似的方法来实现除了传感器以外的其他应用。此外，可以以多种方法来实现上述示例实施例和实现方式中的一个或更多个，包括数字和/或模拟电路和/或基于软件的方法。上述示例实施例和实现方式还可以与多种电路、设备、系统以及方法相结合，包括用于结合蜂窝电话、膝上型计算机以及手持计算设备来使用的那些电路、设备、系统以及方法。这些方法是结合本发明的各个示例实施例来实现的。这样的修改和改变不脱离权利要求中所阐述的本发明的真实范围。

Claims (19)

1.一种在通信网络中使用的射频RF通信设备，所述RF通信设备使用RF协议来进行通信，所述RF通信设备包括：
RF收发器(110)，使用RF协议在网络上进行通信，并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下RF收发器不在网络上进行通信；以及
RF接收机(104，106)，包括包络检测器(104)和脉冲发生器电路(106)，所述包络检测器电路(104)向脉冲发生器电路(106)提供基于包络的信号，所述脉冲发生器电路(106)响应于基于包络的信号，在产生超过预定脉冲数目的多个脉冲之后，提示RF收发器(110)从降低功耗模式中转换出来。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，RF收发器和RF接收机使用相同的天线。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，脉冲发生器电路通过对脉冲的持续时间进行监控来确定脉冲是否是有效脉冲。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，包络检测器是二极管包络检测器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，脉冲发生器电路包括对所产生的脉冲进行计数的脉冲计数器。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，RF接收机包括计时电路，所述计时电路用于记录所产生的脉冲的脉冲计时，以及用于针对RF通信设备将所记录的脉冲计时与预定的脉冲计时进行比较。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述预定的脉冲计时识别了RF设备，并且所述预定的脉冲计时是以下项目之一：脉冲的周期性重复、伪随机时间跳跃序列以及确定的时间跳跃序列。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，RF收发器所使用的RF协议是脉冲无线电协议。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，脉冲发生器电路通过将基于包络的信号与阈值电压进行比较来产生脉冲。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，阈值电压依赖于通信网络中通信设备之间的最大距离。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，设备是自供电的，并且包括传感器，所述传感器不对通信网络进行监控。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，收发器和接收机都位于相同的集成电路管芯上。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，收发器和接收机不使用集成电路管芯外部的振荡器。
14.一种在通信网络中使用射频RF通信设备的方法，所述RF通信设备使用射频(RF)协议来进行通信，每个RF通信设备具有RF收发器(110)和RF接收机(104，106)，所述RF收发器(110)使用RF协议在网络上进行通信并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下RF收发器(110)不在网络上进行通信，所述方法包括：
对于RF通信设备之一：
根据RF接收机(104，106)接收到的RF信号产生基于包络的信号；
响应于基于包络的信号检测有效RF脉冲信号；以及
响应于检测到有效RF脉冲信号，提示RF收发器(110)从降低功耗模式中转换出来。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，检测有效RF脉冲信号的步骤包括：将基于包络的信号与阈值电压和最小脉冲持续时间进行比较。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，检测有效RF脉冲信号的步骤包括：将基于包络的信号与最小脉冲持续时间以及与根据通信设备之间的最大可容许距离而确定的阈值电压进行比较。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，检测有效RF脉冲信号的步骤包括：针对RF通信设备，将接收的脉冲的计时与预定的脉冲计时进行比较。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，预定的脉冲计时是以下项目之一：脉冲的周期性重复、伪随机时间跳跃序列以及确定的时间跳跃序列。
19.一种在通信网络中使用射频(RF)协议进行通信的RF通信设备，每个RF通信设备具有RF收发器(110)和RF接收机(104，106)，所述RF收发器(110)使用RF协议在网络上进行通信并且在降低功耗模式下是可控的，在所述降低功耗模式下，RF收发器(110)不在网络上进行通信，所述RF通信设备之一包括：
装置(104)，根据RF接收机接收到的RF信号产生基于包络的信号的装置(104)；
装置(106)，用于响应于基于包络的信号检测有效RF脉冲信号；以及
装置(106，108)，用于响应于检测到有效RF脉冲信号提示RF收发器从降低功耗模式中转换出来。
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