CN102484540A - 具有双唤醒的异步传输 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以异步操作模式控制接收的装置、方法和计算机程序产品，其中发射机发送长度比唤醒消息本身的最大长度加上唤醒消息之间的间隙的最大长度更长的扩展前导码序列，以使得在唤醒命令序列期间打开并且没有检测到唤醒命令的接收机在设置的间隔之后又再次尝试的情况下可以确保成功地检测到前导码。

Description

具有双唤醒的异步传输

技术领域

本发明涉及用于控制通信信号（诸如但不限于身体耦合通信信号）的异步传输的系统、装置和计算机程序产品。

背景技术

身体耦合通信（BCC）或基于身体的通信已作为射频（RF）通信的有前景替代方案而提出以作为由电气与电子工程师协会（IEEE）的802.15.6任务组标准化的身体区域网（BAN）的基础。BCC允许在人类或动物的身体处或者与其紧邻的多个设备之间交换信息。这个可以通过向身体表面上的低能电场的电容耦合或电流耦合来实现。信号通过身体而不是通过空气来传递。若此，与其中覆盖更大得多的区域的RF通信相比，该通信限制在接近身体的区域。因此，位于身体上、连接到身体或接近身体放置的设备之间的通信是可能的。此外，由于可以应用比在基于RF的低程通信中典型的频率更低的频率，所以打开了通往低成本和低功率地实现BAN或个人区域网（PAN）的大门。故此，利用人体作为通信信道，以使得可以利用比通常用于BAN（例如Zigbee或蓝牙系统）的标准无线电系统中更低得多的功耗发生通信。由于BCC通常被与身体紧邻地应用，所以它可以根据接触或邻近用来实现新的、直觉的身体设备接口。这在识别和安全的领域中为很多应用创造了可能性。

BBC可以通过由很小的穿戴式标签生成的电场来在技术上实现，该标签例如集成到信用卡或者附着到身体或者与身体紧邻穿戴的另一合适设备。该标签将低功率信号电容或电流耦合到身体。有时，该身体耦合通信称为“近场身体内通信”。BCC是允许人体上和人体附近的电子设备经由人体本身通过电容耦合或电流耦合来交换数字信息的无线技术。通过调制电场以及电容耦合或电流耦合微小电流到身体上来发送信息。身体将微小信号传达到身体安装的接收机。环境（空气和/或地面）为发送的信号提供了回路。

图1示出示例性身体通信系统结构，其中经由置于身体附近或身体上的耦合器发送数据信号。这些耦合器电容地或电流地将数据信号传送到身体。在图1的示例中，一个耦合器或电极提供地电位GND，而另一个耦合器或电极用于发送/接收信号S。更具体地，描绘了通过人的手臂从发射机（TX）100到接收机（RX）200的传输。通常，每个节点在理论上可以既充当发射机又充当接收机，即充当收发机（TRX），并且可以从身体上的任何地方发生通信。

诸如媒体访问控制（MAC）协议的通信协议通过共享信道协调传输相关的动作，并可以包括同步模式和异步模式，其中所述同步模式支持优先级驱动的带宽分配。该异步模式主要旨在支持超低功率操作。在此模式中设备把大多数时间花费在睡眠，潜在地即使用小型电池也获得很长的操作寿命。设备根据他们的唤醒时间表周期地监听介质。

由A. El-Hoiydi等人在美国加利福尼亚洛杉矶于1003年11月5日-7日的SenSys’03上发表的“WiseMAC, an Ultra Low Power MAC Protocol for the WiseNET Wireless Sensor Network”描述了接收机侧的前导码采样，其包括有规律地对介质进行采样以检查活动。在该上下文中，对介质采样旨在意味着在很短的持续时间内监听无线电信道，例如调制符号的持续时间。在网络中，所有的节点利用相同恒定的时段对介质进行采样而与实际的业务量无关。它们相对的采样时间表偏移是独立的。如果发现介质为忙碌，接收机继续监听直到接收到数据包或直到介质再次变为空闲。在发射机处，在每个消息前发送延长时段的前导码以确保当消息的数据部分将要到达时接收机将是醒着的。前导码在发送和接收中都引入了功耗开销。为了使此开销最小化，传感器节点获知它们直接邻居的采样时间表与它们自己的采样时间表之间的偏移。知道了目的地的采样时间表，传感器节点在恰巧正确的时间利用最小长度的前导码发送消息。

然而，在低功率、低工作周期网络中，通常大多数设备很大部分它们的时间花费在接收，并且仅偶尔发送。接收机不得不经常监听来足以确保在发送前导码的情况下听到该前导码。减少接收空闲监听时间对于电池寿命是至关重要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的传输系统，其对于异步操作模式中的接收设备而言是特别高效的。

通过如在权利要求1和7所述的装置、如权利要求10所述的方法、如权利要求11所述的计算机程序产品、和如权利要求13所述的系统来实现此目的。

相应地，发射机可以发送近似恒定的信息序列（例如唤醒包（WUP）序列），每个信息之前有预定的信息（例如，前导码）。该信息不一定必须是唤醒特定的。对于单播数据，只是重复地发送数据包可能更容易。然而WUP包往往是好的，并且具有如下的优势：它们可以是小的，因为它们不包含应用数据。接收机现在可以在仅极短的时间内检查该预定的信息，并且倘若检测到该预定的信息，接收机保持并监听整个唤醒信息。否则，倘若没有检测到该预定的信息，则接收机在很短的瞬间之后重复该检查，以便倘若在唤醒信息时段期间或在两个唤醒消息之间的间隙（例如，监听时隙）期间执行该第一检查，检测到前导码。

因此，可以通过创造一种允许接收机或接收节点使用最小可能的“接收机打开”时间来检查另一节点是否正在试图将其唤醒的机制，实现了显著低的功耗。为实现此，发射机或发送节点可以发送近似恒定的唤醒消息序列。事实上，为了允许接收机确认它是醒着的，唤醒消息在它们之间可能具有小的延迟。检查预定信息存在与否（即，在消息开始处的同步序列或前导码）比足够长地等待待接收的整个唤醒消息更快得多。发射机可以将预定信息作为长度比唤醒消息本身的最大长度加上唤醒消息之间的间隙的最大长度更长的扩展的前导码序列发送，该扩展的前导码序列的以使得在唤醒命令序列期间打开并且没有检测到唤醒命令的接收机在其在第二预定时间段之后又再次尝试的情况下能够确保成功地检测到前导码。此方法因此可以视为唤醒时间表的一个周期内的“双唤醒”。

结果证明，唤醒两次以快速地检查前导码基本上比唤醒一次并在整个消息持续时间期间监听更高效。

根据第一方面，第三预定时间段（即双唤醒的第二唤醒时段）与第一预定时间段具有基本相同的长度。该措施提供如下的优点：倘若没有唤醒消息被发送，接收功率仅为在中间睡眠时段内平均的两次唤醒检查所需的功率。

根据可以与第一方面结合的第二方面，提供了至少一个计时器以用于对第一至第三预定时间段中的至少一个进行计数。通过提供计时器或计时器功能，可以容易地设置和修改该预定的时间段以便保持系统灵活。

根据可以与第一和第二方面中的任一个相结合的第三方面，检测器可以适于检测在预定信息之后发送的信息，该信息指示数据传输所针对的接收机。从而，可以实现有选择的传输，并且如果相关有效负载部分不是针对该接收机，可以抑制对相关有效负载部分的接收。注意的是，所提出的解决方案还可以与直接发送的数据一起使用，并且没有特定的唤醒信息像这样在预定信息（例如，前导码）之后。

根据可以与第一至第三方面中的任一个相结合的第四方面，第二预定时间段的长度基本上与唤醒信息的长度相同。这提供如下的优点：如果接收机没有检测到前导码，则它可以以比在使用较长前导码时更小的延迟来发送其“就绪”消息。

根据可以与第一至第四方面中的任一个相结合的第五方面，检测器可以适于通过检查接收能量的级别来检测接收的信号。从而，通过仅在接收机真正接收信号时发起双唤醒过程可以进一步减少接收机处的能耗。即使不止一个能量级别检查是必要的，由于第一能量检查可能已在两个唤醒帧的间隙的瞬间发生，所以如果信道上没有能量，每个检查也可能甚至比正常更快地停止。在能够可靠地检测到前导码之前，前导码检查采取很小数目的物理层符号（可能是2到4个）。

注意，该装置可以提供在接收机或收发机中以用于任何类型的数据包，并且可以实现为具有分立硬件组件的分立硬件电路、集成芯片、芯片模块布置、或由存储在存储器中的、写入在计算机可读介质上的或者从诸如因特网的网络下载的软件例程或程序控制的信号处理设备或芯片。

以下定义了进一步有利的实施例。

附图说明

现在将参考附图根据实施例以示例的方式来描述本发明，其中：

图1示出BCC系统的示意电极布置；

图2示出根据第一实施例的接收机的示意框图；

图3示出根据第二实施例的唤醒控制处理的示意流程图；以及

图4A至4C示出指示根据实施例的功率使用和在发射机和接收机之间的传输的示例性示图。

具体实施例

现在将根据针对BAN中异步传输的发射机和接收机处理来描述本发明的各种实施例。然而，注意的是，以下结合实施例描述的细节可以应用到身体上通信和身体内通信。当然，本发明还可以应用到与开始提及的具体应用不相关的其他类型的通信。

根据以下实施例，可以通过最小化检查另一节点是否试图唤醒接收机所需的“接收机打开”时间来实现低的接收机功耗。这个可以通过使发送节点（例如，图1中的发射机100）发送近似恒定的唤醒消息（例如WUP）序列来实现。事实上，为了允许接收节点（例如接收机200）确认其是醒着的，唤醒消息在它们之间必须具有很小的延迟。已发现的是，检查前导码存在与否（即，在消息开始处的同步序列）比足够长地等待待接收的整个唤醒消息更快得多。在实施例中，发送节点发送长度比唤醒消息内容的最大长度加上唤醒消息之间的间隙的最大长度更长的扩展的前导码序列，以使得在唤醒消息或命令的序列期间打开并且没有检测到唤醒命令的接收机在其在预设的间隔之后又再次尝试时能够确保成功地检测到前导码。

图2示出用于所提出的唤醒控制过程的接收机处理框的示意框图。注意，为简要起见，与本发明不相关的其他部分或框已被省略。

经由收发机（TRX）220从BAN接收通信信号或数据，或者将通信信号或数据发送到BAN，信令控制功能或电路（SC）230连接到该收发机以用于根据相关的（一个或多个）通信协议来处理和生成通信信号或数据。此外，提供了检测器功能或电路（D）240以用于检查关于收到任意预定信息的TRX 220的输出，所述预定信息指示收到唤醒消息。在本实施例中，该预定信息包括可以由任意匹配或关联过程检测的预定前导码序列。检测器电路240的检测结果被提供给唤醒处理器、控制电路或控制器（WUC）250，并可以通过唤醒处理器、控制电路或控制器（WUC）250来访问，所述WUC 250负责控制TRX 220的唤醒操作例如用于节电的目的。唤醒控制器可以实现为由存储在存储器（未示出）中的软件例程控制的中央处理单元。检测器电路240可以提供为分离的实体，或者可以是唤醒控制器250的集成功能。

唤醒控制器250将TRX 220的至少接收机部分在活跃状态（唤醒状态）和非活跃状态（睡眠状态）之间进行切换以响应从所述检测器电路240获得的唤醒时间表和检测结果。另外，唤醒控制器250可以设有由相应的第一和第二计时器功能或电路（T1，T2）252、254生成的时序信号t1和t2，其中第一时序信号t1定义了用于检查预定的前导码序列是否正在被接收的短唤醒时段，而第二时序信号t2定义了紧跟在该短唤醒时段之后的预置睡眠时段以便最小化TRX 220的功耗。计时器电路252、254可以是可控的以便改变唤醒和睡眠时段，和/或可以作为单个计时器电路来布置，该计时器电路提供了所需的计数功能。此外，它们可以实现为用于控制唤醒控制器250的操作的软件例程。

在第一实施例中，唤醒控制器250通过控制信号c来控制第二计时器电路254的开始。

以下，更详细地描述了通过唤醒控制器250进行的双唤醒控制。

关注的BAN发射机的发射机发送近似恒定的唤醒消息（例如WUP）序列，每个唤醒消息之前有前导码。根据唤醒时间表，唤醒控制器250激活接收机或TRX 220的接收操作，并触发第一计时器电路252的计时器操作。因此，检测器电路240在由第一计时器252计数的短时间段中检查所接收的信号中的前导码。倘若检测器240指示已检测到前导码，则唤醒控制器250控制TRX 220的接收机保持以便监听整个唤醒消息。

否则，如果检测器电路240在所接收的信号中没有检测到任何前导码，则唤醒处理器250停用TRX 220的接收机，并通过控制信号c控制第二计时器电路254以开始对紧跟在由第一计时器电路252计数并由第一时序信号t1告知的初始时间段结束之后的中间睡眠时段计数。紧跟在（如由第二时序信号t2告知的）该中间睡眠时段结束之后，唤醒控制器250重新激活接收机，并（例如，又通过第一计时器电路252或另外的第三计时器电路（未示出））发起第三计时器操作以在短的瞬间之后重复该前导码检查，以便倘若在唤醒消息有效负载期间或在两个唤醒消息的监听时隙期间执行了该第一检查的情况下，检测到前导码。

可以设置发射机（例如，图1的发射机100）的传输时间表，以使得前导码的长度与唤醒消息的最大长度加上任意中间间隙（例如，监听时隙）的最大长度相同。

当不存在唤醒消息正在被发送时，接收功率因此减少到在中间睡眠时段内平均的为以上双唤醒检查所需的接收功率。

当然，如果检测器电路240检测到前导码，则将TRX 220的接收机保持激活直到已接收到唤醒消息。然而，这通常仅针对低工作周期网络中的很小比例的情况发生，多半由于MAC协议具有跟踪其他节点的唤醒循环的机制。

应当注意的是，通过使检测器电路240检查接收信道上的射频能量存在与否，可以进一步节约功率。这可以甚至比监听前导码更快地完成，并且因此可以导致功耗的进一步减少。即，如果信道上没有能量，则唤醒控制器250无需发起任何唤醒过程，没有一个正在发送。尽管如此，唤醒控制器可能仍旧必须执行“双唤醒”控制以免第一唤醒时段落入两个唤醒命令之间的间隙中，在该间隙期间的短时段内信道上没有能量。

图3示出根据第二实施例的唤醒控制过程的示例流程图。该过程可以实现在图2的唤醒控制器250中。

通过唤醒触发器发起或触发图3的过程，该唤醒触发器可以在唤醒时间表的每个循环期间生成。

在步骤S101中，激活或唤醒接收机，并在足以检测前导码的小时间段内执行唤醒消息或命令的前导码的检查。在步骤S102中，检查在该小的检查时段期间是否已检测到前导码。

如果在步骤S102中确定没有检测到前导码，则该过程继续至步骤S103并且接收机关闭。随后，在步骤S104中，引入具有预定长度的中间等待时段以确保在该等待时段之后将接收到前导码（如果被发送的话）。相应地，在后续步骤S105中，在小时间段内又重新激活或唤醒接收机来再次检查前导码。在步骤S106中，检查现在是否已检测到前导码。如果又没有检测到前导码，则在步骤107关闭接收机，并且过程在此结束。在唤醒时间表的下一个循环处，可以利用唤醒触发器又发起该过程。

如果在步骤S102或S106中确定在第一或第二小唤醒时段已检测到前导码，则过程分支到步骤S108，并且接收机保持激活以接收后续发送的唤醒信息（例如WUP）。然后，在步骤S109中检查所通知的数据传输是否针对该接收机，并且数据因此是可用的以在该节点中被处理。如果不是，该过程分支到步骤S107，其中接收机关闭。

如果在步骤S109中确定所通知的数据传输针对该接收机，则该过程继续至步骤S110并将准备接收告知给通知该数据传输的发射机。随后，在步骤S111中发起数据接收过程。最后，该过程分支到步骤S107并且接收机关闭。

图4A至4C示出指示根据不同场景中以上实施例的功率使用和发射机（Tx）与接收机（Rx）之间的传输的示例性示图。这些图的上部示出了从发射机接收的信号序列，并且图下部的栏指示接收机处的唤醒状态时段。向下箭头指示由接收机进行的数据接收，而向上箭头指示从接收机到发射机的数据传输。

在这些示例中，已将两个短的唤醒时段T_RXPRE仅设置为0.93ms，并且已将中间睡眠时段设置为近似WUP的长度T_WUP=5.8ms，其对应于根据典型的低功率无线电技术的附图的物理层（PHY）的规范。假设唤醒循环T_WUC=2s，这导致仅0.09%的空闲接收功率比。当然，也可以使用其他长度，并且实施例决不局限于这些附图。

图4A的示图涉及这样的场景，其中通知的数据传输并非针对本实施例的接收机而是针对某个其他节点，并且因此没有发起数据接收。当第一短唤醒时段在接收机处被激活时，发射机正在发送WUP，以使得没前导码被检测到。因此，将接收机设置到中间睡眠状态达时间段T_WUP并随后开始第二唤醒时段。由于中间睡眠时段对应于WUP长度的事实，第二唤醒时段将将与前导码传输时段相符。因此，前导码的简要检查结果是肯定的，并且WUP接收将被直接激活并将继续直到整个WUP都已被接收（由于在帧中早先存在长度字段）。相应地，在此场景中在该第二唤醒期间接收机打开的平均时间总共为T_WUP的1.5倍。最好的情况是接收机恰好及时地醒来并保持达T_WUP，而最坏的情况是接收机恰在前导码的开始打开，并不得不保持达2*T_WUP。T_WUP和2*T_WUP的平均值为1.5*T_WUP。因为现在检测到通知的数据传输不是针对此接收机或节点，接收机停用并且该过程随着在T_WUC之后下一个唤醒循环的开始而又开始。

图4B的示图涉及以下场景，其中没有数据传输在进行中或挂起并且发射机静默。因此，当第一短唤醒时段在接收机处被激活时，没有前导码被检测到。因而，将接收机设置到中间睡眠状态达时间段T_WUP，并随后开始第二唤醒时段。再次，可能没有前导码被检测到并且在第二短唤醒时段T_RXPRE之后停用接收机并直到下一个安排的唤醒过程。因此，总的唤醒时段合计仅为T_RXPRE的两倍。假设此场景到目前为止对于超低功率设备而言是最常见的情况。

图4C涉及以下场景，其中通知的数据传输针对实施例的接收机并且因此要启动数据接收。当在接收机处激活第一段唤醒时段时，发射机又发送WUP，以使得没有前导码被检测到。因此，接收机被设置到中间睡眠状态达时间段T_WUP，并随后开始第二唤醒时段。由于中间睡眠时段对应于WUP长度的事实，第二唤醒时段将与前导码传输时段相符，并且因此可以检测到前导码。因此，WUP接收将又被激活直到整个WUP已被接收。因为现在检测到所通知的数据传输是针对此接收机或节点，收发机保持激活并且接收机例如利用就绪（READY）消息向发射机告知准备接收。响应于此，发射机发送可用的数据并且在完成接收后，如果数据已被正确接收，则接收机用确认（ACK）来响应。接收机保持活跃直到之后不再有数据。随后，又停用接收机并且随着T_WUP之后的下一个唤醒周期的开始唤醒过程又开始。

然而注意，以上唤醒处理和控制器可以应用到其中接收机设备通过唤醒控制功能以异步操作模式操作的的任意传输系统。此外，在以上实施例中，可以直接发送数据而没有任何在先的像这样的唤醒信息。随后，可以根据数据本身来确定检测到的唤醒信号是否针对所关注的接收机的问题。以上实施例的具体实现是BAN中的通信以及医疗植入物和外部装备之间的通信，包括例如运动性能监控、生命指征监控、疾病监控，或者是在身体传感器/药物递送系统中/上的通信。

总之，本发明涉及一种用于以异步操作模式控制接收的装置、方法和计算机程序产品，其中发射机发送长度比唤醒消息本身的最大长度加上唤醒消息之间的间隙的最大长度更长的扩展的前导码序列，以使得在唤醒命令序列期间打开并且没有检测到唤醒命令的接收机在设置的间隔之后又再次尝试的情况下可以确保成功地检测到前导码。

虽然在附图和前面的说明书中详细地示出和描述了本发明，但是这样的图解和描述将视为说明性或示例性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员来说将是明显的。这些修改可以涉及到本领域中已经已知的并且代替已经在此描述的特征或者除此之外可以使用的其他特征。

通过研究附图、公开和所附权利要求，本领技术人员可以理解并实现所公开的实施例的各种变形。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元素或步骤。单个处理器或其他单元根据相应的软件例程可以至少实现例如如结合图3所述的唤醒过程的功能。计算机程序可以存储/分布在合适的介质（诸如与其他硬件一起提供的或者作为其他硬件的一部分的光学存储介质或固态介质）上，但是也可以以其他形式分布，诸如经由因特网或其他有线或无线电信系统。在彼此不同的从属权利要求中引用的特定措施的纯粹事实并未指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应理解为限制其范围。

Claims (13)

1. 一种装置，包括：

a）唤醒控制器（250），用于在唤醒周期期间的第一预定时间段内激活接收机（220）；以及

b）检测器（240），用于在所述第一预定时间段期间检测由所述接收机（220）所接收的信号中的预定信息，所述预定信息用来通知数据传输；

c）其中如果所述检测器（240）在所述第一预定时间段期间没有检测到所述预定信息，所述唤醒控制器（250）适于在紧跟在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段内停用所述接收机（220）并在所述唤醒周期中在紧跟在所述第二预定时间段之后的第三预定时间段内重新激活所述接收机（220）；以及

d）其中如果所述预定信息已被发送但是在所述第一预定时间段中没有被检测到，则选择所述第二预定时间段来确保所述预定信息落入到所述第三预定时间段中。

2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述第三预定时间段具有与所述第一预定时间段基本上相同的长度。

3. 根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个计时器（252,254）以用于对所述第一至第三预定时间段中的至少一个进行计数。

4. 根据权利要求1所述的装置，其中所述检测器（240）适于检测在所述预定信息之后发送的并指示所述数据传输所针对的接收机的唤醒信息。

5. 根据权利要求4所述的装置，其中所述第二预定时间段的长度与所述唤醒信息的长度基本上相同。

6. 根据权利要求1所述的装置，其中所述检测器（240）适于通过检查接收能量的级别来检测所述接收的信号。

7. 根据权利要求1所述的装置，其中所述预定信息包括前导码序列。

8. 一种用于向以异步接收模式操作的接收机发送预定信息以通知数据传输的装置，唤醒信息紧跟在所述预定信息之后，所述唤醒信息指示所述数据传输所针对的接收机，所述装置（100）被配置为在长度大于或等于所述唤醒信息的最大长度加上插入在所述唤醒信息之后的间隙的最大长度的时间段内重复地发送所述预定信息。

9. 根据权利要求8所述的装置，其中所述预订信息包括前导码序列。

10. 一种方法，包括：

a）在唤醒周期期间的第一时间段内激活接收操作；以及

b）在所述第一预定时间段期间检测由所述接收操作所接收的信号中的预定信息，所述预定信息用来通知数据传输；

c）如果在所述第一预定时间段期间没有检测到所述预定信息，则在紧跟在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段内停用所述接收操作并在所述唤醒周期中在紧跟在所述第二预定时间段之后的第三预定时间段内重新激活所述接收操作；以及

d）如果所述预定信息已被发送但是在所述第一预定时间段中没有被检测到，则选择所述第二预定时间段以便确保所述预定信息落入到所述第三预定时间段中。

11. 一种计算机程序产品，包括适于在计算设备上运行时产生方法权利要求10的步骤的代码部件。

12. 一种身体区域网络的接收机设备，所述接收机设备包括根据权利要求1的装置。

13. 一种系统，包括至少一个根据权利要求1的装置和至少一个根据权利要求8的装置。

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