CN102640437A - 用于无线传感器的分布式处理的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的某些方面涉及用于压缩传感（CS）的方法。CS是一种信号处理概念，其中，可以使用与香农/奈奎斯特采样定理所建议的相比明显更少的传感器测量值来恢复具有任意高分辨率的信号。在本发明中，将CS构架应用于传感器信号处理，以便支持用于医疗及健身应用的体域网（BAN）中的低功率稳健传感器和可靠通信。

Description

用于无线传感器的分布式处理的方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)，要求享受2009年12月3日提交的临时申请61/266,324的优先权，故以引用方式将该申请全部内容明确地并入本文。

技术领域

概括地说，本发明的某些方面涉及信号处理，更具体地说，本发明的某些方面涉及用于无线传感器的分布式处理的方法。

背景技术

诸如体域网（body area network，BAN）之类的网络使用无线传感器（如，脉搏血氧仪）来监测个体的生命体征。为了提高这种BAN的性能，期望减小功耗和这种无线传感器的复杂度。因此，需要能够准确地检测和传输诸如个体的生命体征之类的信息的低功率传感器。

发明内容

在一个方面，提供了一种处理数据的方法。该方法包括：在第一装置处维持第一时钟信号；从所述第一装置发送用于将第二装置处的第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；在所述第一装置处接收一个或多个分组，所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；至少部分地基于所述第一组采样，在所述第一装置处生成第二组采样，其中所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

在另一个方面，提供了一种用于处理数据的装置。该装置包括：处理系统，其配置为维持第一时钟信号；发射机，其配置为发送用于将第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；接收机，其配置为接收一个或多个分组，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应。此外，所述处理系统还配置为：至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样，所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

另一个方面提供了一种用于处理数据的装置。该装置包括：用于维持第一时钟信号的单元；用于发送使第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号的单元；用于接收一个或多个分组的单元，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；用于至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样的单元，其中所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

另一个方面提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括计算机可读介质。所述计算机可读介质包括计算机可执行指令，其中当所述计算机可执行指令由一种装置执行时，使所述装置执行一种方法。该方法包括：维持第一时钟信号；发送用于使第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；接收一个或多个分组，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样，其中所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

另一个方面提供了一种移动电话。该移动电话包括：天线；处理系统，其配置为维持第一时钟信号；发射机，其配置为通过所述天线发送用于使第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；接收机，其配置为通过所述天线接收一个或多个分组，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应。此外，所述处理系统还配置为：至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样，所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

另一个方面提供了一种数据通信的方法。该方法包括：接收时钟同步信号；至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样；生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；发送所述一个或多个分组。

另一个方面提供了一种用于数据通信的装置。该装置包括：接收机，其配置为接收时钟同步信号；处理系统，其配置为：至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号，生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样，生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；发射机，其配置为发送所述一个或多个分组。

另一个方面提供了一种用于数据通信的装置。该装置包括：用于接收时钟同步信号的单元；用于至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号的单元；用于生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样的单元；用于生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组的单元；用于发送所述一个或多个分组的单元。

另一个方面提供了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括计算机可读介质。所述计算机可读介质包括计算机可执行指令，其中当所述计算机可执行指令由一种装置执行时，使所述装置执行一种方法。该方法包括：接收时钟同步信号；至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样；生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；发送所述一个或多个分组。

另一个方面提供了一种传感设备。该设备包括：换能器，其配置为接收输入；接收机，其配置为接收时钟同步信号；处理系统，其配置为：至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；至少部分地基于所述输入，生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样；生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；发射机，其配置为发送所述一个或多个分组。

附图说明

为了详细地理解本发明的上述特征的实现方式，本申请围绕多个方面对上述简要概述的内容进行更具体的说明，这些方面中的一些在附图中给予了说明。但是，应当注意的是，由于本发明的描述准许其它等同的有效方面，因此这些附图仅仅描绘了本发明的某些典型方面，其不应被认为限制本发明的保护范围。

图1描绘了一种示例无线通信系统。

图2是描绘可以在无线设备中使用的各种组件的框图。

图3根据本发明的某些方面的传感器的一部分的框图。

图4描绘了体域网（BAN）的示例。

图5是描绘BAN中使用的传感器阵列的框图。

图6是描绘BAN中使用的聚合器的框图。

图7描绘了时域光电容积描记器（PPG）信号和其频谱的示例。

图8描绘了时域心电图（ECG）信号和其频谱的示例。

图9描绘了压缩的感测采样分布。

图10是描绘对数据进行感测的方法的流程图。

图11是描绘处理数据的方法的流程图。

图12A是描绘用于处理时钟失配的方法的流程图。

图12B是描绘用于处理时钟失配的另一种方法的流程图。

图13根据本发明的某些方面，描绘了传感器和重构器的示例框图。

图14根据本发明的某些方面，描绘了PPG信号和其在Gabor空间中的变换的示例。

图15根据本发明的某些方面，描绘了用于欠采样获取和重构的示例操作。

图16根据本发明的某些方面，描绘了用于对传感器的源进行驱动和退动（de-actuate）的示例操作。

图17根据本发明的某些方面，描绘了使用不同的欠采样率（USR）获得的重构信号的比较。

图18根据本发明的某些方面，描绘了在非均匀采样实例中感测的信号的示例。

图19A-图19C根据本发明的某些方面，描绘了用于描述发射机和接收机之间的时钟失配的影响的波形，其中与接收机时钟速率相比，发射机时钟速率更高。

图20A-图20C根据本发明的某些方面，描绘了用于描述发射机和接收机之间的时钟失配的影响的另外波形，其中与接收机时钟速率相比，发射机时钟速率更低。

图21A-图21B根据本发明的某些方面，描绘了在奈奎斯特（Nyquist）采样和压缩的感测情况下将低通滤波器省略的后果的波形。

图22是根据本发明的某些方面的装置的框图。

图23是根据本发明的某些方面的另一种装置的框图。

具体实施方式

下面参照附图来更全面地描述这些新颖的系统、装置和方法的各个方面。但是，本发明内容可以以多种不同的形式实现，并且其不应被解释为受限于贯穿本发明给出的任何特定结构或功能。相反，提供这些方面只是使得本发明变得透彻和完整，并将向本领域的普通技术人员完整地传达本发明的保护范围。根据本申请内容的教导，本领域普通技术人员应当理解的是，本发明的保护范围旨在覆盖本申请公开的新颖系统、装置和方法的任何方面，无论其是独立实现的还是结合本发明的任何其它方面实现的。例如，可以使用本申请阐述的任意数量的方面来实现装置或实施方法。此外，本发明的保护范围旨在覆盖如下这种装置或方法：这种装置或方法可以通过本文所述的本发明的各个方面再附加其它结构、功能、或者结构与功能来实现，或者通过与本文所述的本发明的各个方面不同的其它结构、功能、或者结构与功能来实现。应当理解的是，本申请所公开的任何方面可以通过权利要求的一个或多个组成部分来体现。

本申请使用的“示例性的”一词意味着“用作例子、例证或说明”。本申请中被描述为“示例性”的任何方面不应被解释为比其它方面更优选或更具优势。

虽然本申请描述了一些特定的方面，但是这些方面的多种变型和排列也落入本发明的保护范围之内。虽然提及了优选方面的一些有益效果和优点，但是本发明的保护范围并不限于特定的有益效果、用途或对象。相反，本发明的方面旨在广泛地适用于不同的无线技术、系统配置、网络和传输协议，其中的一些通过示例的方式在附图和优选方面的下文描述中进行了说明。说明书和附图仅仅是对本发明的说明而不是限制，本发明的保护范围由所附权利要求书及其等同物限定。

示例性无线通信系统

本申请内容可以并入到多种有线或无线装置（例如，节点）中（例如，在多种装置中实现或由多种装置来执行）。在一些方面，根据本申请内容实现的节点可以包括接入点或接入终端。

接入点（“AP”）可以包括、实现为或者公知为节点B、无线网络控制器（“RNC”）、演进节点B（eNodeB）、基站控制器（“BSC”）、基站收发机（“BTS”）、基站（“BS”）、收发机功能（“TF”）、无线路由器、无线收发机、基本服务集（“BSS”）、扩展服务集（“ESS”）、无线基站（“RBS”）或者某种其它术语。

接入终端（“AT”）可以包括、实现为或者公知为接入终端、用户站、用户单元、移动站、远程站、远程终端、用户终端、用户代理、用户设备、用户装备或某种其它术语。在一些实现中，接入终端可以包括蜂窝电话、无绳电话、会话发起协议（“SIP”）电话、无线本地环路（“WLL”）站、个人数字助理（“PDA”）、具有无线连接能力的手持设备或者连接到无线调制解调器的某种其它适当处理设备。因此，本申请所示的一个或多个方面可以并入到电话（例如，蜂窝电话或智能电话）、计算机（例如，膝上型计算机）、便携式通信设备、便携式计算设备（例如，个人数据助理）、娱乐设备（例如，音乐或视频设备、或卫星无线设备）、全球定位系统设备或者被配置为通过无线或有线介质进行通信的任何其它适当设备。在一些方面，节点是无线节点。例如，这种无线节点可以通过有线或无线通信链路，来为或者向网络（例如，诸如互联网或蜂窝网络之类的广域网）提供连接。

图1描绘了在其中可以使用本发明的方面的无线通信系统100的示例。无线通信系统100可以是宽带无线通信系统。无线通信系统100可以为多个小区102提供通信，这些小区中的每一个由基站104进行服务。基站104可以是与用户终端106进行通信的固定站。基站104可以替代地称为接入点、节点B或者某种其它术语。

图1描述了分散于系统100中的各个用户终端106。用户终端106可以是固定的（即，静止的）或移动的。用户终端106可以替代地称为远程站、接入终端、终端、用户单元、移动站、站、用户设备等等。用户终端106可以是无线设备，例如，蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、手持设备、无线调制解调器、膝上型计算机、个人计算机等等。

多种处理和方法可以用于无线通信系统100中基站104和用户终端106之间的传输。例如，可以根据OFDM/OFDMA技术，在基站104和用户终端106之间发送和接收信号。如果是这种情况，则无线通信系统100可以称为OFDM/OFDMA系统。此外，可以根据CDMA技术，在基站104和用户终端106之间发送和接收信号。如果是这种情况，则无线通信系统100可以称为CDMA系统。

有助于实现从基站104到用户终端106的传输的通信链路可以称为下行链路（DL）108，有助于实现从用户终端106到基站104的传输的通信链路可以称为上行链路（UL）110。另外，下行链路108还可以称为前向链路或者前向信道，上行链路110还可以称为反向链路或反向信道。

可以将小区102划分成多个扇区112。扇区112是小区102中的物理覆盖区域。无线通信系统100中的基站104可以使用将小区102的特定扇区112中的功率流集中起来的天线。这种天线可以称为定向天线。

图2描绘了可以在无线通信系统100中使用的无线设备202里使用的各种组件。无线设备202是可以配置为实现本申请所描述的各种方法的设备的示例。无线设备202可以是基站104或者用户终端106。

无线设备202可以包括处理器204，处理器204控制无线设备202的操作。处理器204还可以称为中央处理单元（CPU）。包括只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两者的存储器206，向处理器204提供指令和数据。此外，存储器206的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器（NVRAM）。一般情况下，处理器204基于存储器206中存储的程序指令，执行逻辑和算术操作。可以执行存储器206中的指令，以实现本申请所描述的方法。此外，处理器204和DSP 220的功能可以包括在单一模块中。

此外，无线设备202还可以包括壳体208，壳体208包括发射机210和接收机212，以允许数据在无线设备202和远程位置之间的发送和接收。发射机210和接收机212可以组合到收发机214中。天线216可以连接到壳体208，并电耦接到收发机214。此外，无线设备202还可以包括（没有示出）多个发射机、多个接收机、多个收发机和/或多根天线。

此外，无线设备202还可以包括信号检测器218，后者可以用于努力检测和量化由收发机214所接收的信号的电平。信号检测器218可以检测如下这些信号：如总能量、每一符号每一子载波的能量、功率谱密度和其它信号。此外，无线设备202还可以包括用于对信号进行处理的数字信号处理器（DSP）220。此外，信号检测器还可以连接到诸如麦克风、ECG电极、光电二极管等等（没有示出）之类的换能器。

无线设备202的各个组件可以通过总线系统222耦接在一起，其中总线系统222除包括数据总线之外，还可以包括电源总线、控制信号总线和状态信号总线。

体域网概念

图4描绘了体域网（BAN）400的示例。体域网表示用于医疗应用（例如，为了诊断目的而对生命体征的连续监测、药物对于慢性疾病的效果等等）的有前景的概念。

BAN可以包括一些获取电路。每一个获取电路可以包括无线传感器，无线传感器对一个或多个生命体征进行感测，并将它们传输给诸如移动手持装置、无线手表或者个人数据助理（PDA）之类的聚合器（即，接入终端）。聚合器有时称为网关。可以获得各种生物医学信号并通过无线信道将它们发送给聚合器410的传感器402、404、406和408，可以具有与接入点104相同的功能。图5描绘了与BAN 400中的传感器402-408相对应的生物医学传感器501和550的阵列的详细框图。

图4中描绘的聚合器410可以接收和处理由传感器402-408通过无线信道发送的各种生物医学信号。聚合器410可以是移动手持装置或者PDA，并且可以具有与图1中的移动设备106相同的功能。在其它实施例中，聚合器410可以是接入点或毫微微节点。图6描绘了可以与BAN 400中的聚合器410相对应的聚合器610的详细框图。聚合器610可以是图2中的接收机212的示例。

可以期望的是，BAN中使用的传感器是非植入的和长期持久的。在本发明中可以将光电容积描记器（PPG）和心电图（ECG）信号视作为表明用于传感器信号处理的压缩传感（CS）技术的有益效果。PPG、ECG和活动感测涵盖了大部分人口中较大百分比的慢性疾病，并因此向BAN中的无线技术提供大量机会并且向移动设备提供无线局域网（WAN）连接，以改善对这些疾病的诊断和护理。

脉搏血氧仪可以生成PPG波形，PPG波可以实现血液氧合（其还称为S_pO₂）的连续监测、包括肺和呼吸作用的肺部系统的关键指示。血液将氧气、营养物质和化学物质携带到体细胞，以便确保它们的生存、适当的功能和去除细胞废物。S_pO₂广阔地用于诊断、手术、长期监测等等的临床设置中。图7描绘了时域PPG信号和其频谱的示例。

ECG是用于评估心血管系统的另一个重要生命体征。心脏是工作最繁重的体器官之一，其每分钟抽运大约六公升的血液通过人的身体。在每一个心搏周期期间产生的电信号形成ECG信号，并可以容易地由Ag/AgC1电极传感器进行获取。通常，ECG可以用于诊断与心脏有关的问题的临床设置中，ECG的连续监测可以实现多种慢性病症的早期诊断。图8描绘了时域ECG信号和其频谱的示例。血压（BP）是具有巨大临床价值的另一个重要生命体征。可以使用ECG和PPG信号来估计收缩压（SBP）和舒张压（DBP）。

在某些方面，本申请描述的传感器和网关使用压缩传感（CS）。在CS中，可以使用与香农/奈奎斯特采样原理所建议的相比明显更少的传感器测量值，来恢复具有任意高分辨率的信号。当被感测的信号在某个域中是固有可压缩的或者稀疏的时，上述情况是可能的。假定具有M个非零谱分量的一类频带受限信号，其中M<<f_s/2，f_s是建议的采样速率（例如，奈奎斯特采样速率）。传统上，可以在获取之后对这些信号进行压缩，以便更高效地传输和/或存储。

在CS架构中，获取处理（即，感测）可以是信源压缩的一部分，其可以独立于这些信号的稀疏本质。但是，在接收机方需要这种稀疏信息，以便执行信号重构。通常，将CS架构中的测量值规定为信号与随机基础函数的内积。如果在接收机处至少Mlog(N/M)个采样可用，则可以准确地恢复这些信号，其中N是重构中的采样的数量，虽然在接收机处具有某种另外的计算复杂度。这在体域网（BAN）的情况下可能是有用的，这是由于可以将计算复杂度转移到具有灵活功率预算的节点，以便延长BAN中使用的传感器的工作寿命。

CS范例可以用于关于信号检测/分类、成像、数据压缩和磁共振成像（MRI）的应用。依据提高的信号保真度和出众识别性能来报告CS的益处。在本发明中，提出了基于CS的信号处理，以便针对医疗及健身应用，提供BAN中的低功率传感器。

医疗应用中的BAN的一个方面是在传感器（即，发射机）和聚合器（即，接收机）之间提供可靠的通信链路，同时将传感器功率和通信时延减到最小。

图5根据本发明的某些方面，描绘了BAN中使用的传感器阵列的示例框图。在一个方面，传感器501和550被设计为利用压缩传感，以便显著地降低该传感器中使用的电路的功耗和复杂度。例如，压缩传感的使用可以允许传感器501和550省略某些处理步骤和某些信号调节步骤，以便减小功耗。下面将更详细地描述这些步骤和相应的电路和功能的省略。

传感器501包括处理系统505。处理系统505可以用于控制和指导传感器501的操作。在一个方面，处理系统505包括用于生成、维持和调整时钟信号的时钟电路。如本申请所描述的，传感器501操作的复杂度降低可以允许处理系统505简化，使得诸如CPU之类的更大功率密集硬件对于传感器501执行其功能来说可能不是必需的。例如，可以替代地使用专用硬件有限状态机。处理系统505耦接到数模转换器（DAC）508。DAC 508耦接到换能器509。DAC 508可以配置为驱动换能器509，以便生成由传感器501进行测量的信号。例如，在一个方面，传感器501包括脉搏血氧仪传感器。为了测量目的，传感器501可以使用DAC 508对来自处理系统505的驱动信号进行转换，以便驱动换能器509（在本方面中，换能器509为发光二极管（LED））。在其它方面，传感器可以不需要驱动信号，可以省略DAC508和换能器509。此外，传感器501还可以包括用于接收模拟信号的换能器510。如上所述，换能器510可以包括光检测器或者其它感测电路。换能器510耦接到调节电路，例如，低噪声放大（LNA）电路511。LNA电路511耦接到采样电路，例如，压缩传感（CS）模拟到数字转换器（ADC）513。在一个方面，CS ADC 513可以至少部分地实现成符合量化电路（没有示出）的采样和保持电路（没有示出）。下面参照图3来更详细地描述根据各个方面的CS ADC 513的结构。如本申请所描述的，可以使用CS ADC513来生成一组采样，其中该组采样表示换能器在某个时间段上接收的模拟信号。此外，传感器501还可以包括媒体访问控制器516和无线电装置514。结合MAC 516的处理系统505，可以配置为将CS ADC 513生成的一组采样进行分组化，并通过无线电装置514来发送这些分组中的一个或多个。

有利的是，传感器501处的操作复杂度降低使得能消除传感器中传统上使用的某个电路。例如，为了按奈奎斯特速率执行采样，则传统上使用抗混叠滤波器来防止混叠。这种滤波需要显著的功耗。通过使用CS技术，可以放宽抗混叠电路的性能要求。或者，在某些实施例中，可以省略抗混叠电路。这参照图21A和图21B进行了描绘。在图21A中，给出了200Hz的奈奎斯特边缘。此外，图21A还描绘了具有在大约37Hz的低于奈奎斯特边缘的显著分量2103和在大约500Hz的高于奈奎斯特边缘的显著分量2105。高于奈奎斯特边缘的分量2105是带外音调。传统上，200Hz的奈奎斯特边缘需要400采样/秒的奈奎斯特采样频率。传统的奈奎斯特采样需要抗混叠滤波器来去除高于200Hz的所有分量，随后使用400采样/秒进行均匀采样。图21B中描绘了省略抗混叠滤波器但仍然使用奈奎斯特重构的结果。具体而言，波形2109描绘了在不使用抗混叠滤波器的情况下，使用400采样/秒进行均匀采样的数字信号的频谱。通过图21B中的100Hz处的寄生分量2113，描绘了图21A的500Hz分量2105的混叠影响。因此，如图所示，在使用传统采样技术时省略抗混叠滤波器，产生了不适当的结果。相比而言，波形2111描绘了使用抗混叠滤波器时的传统奈奎斯特采样的结果。如图所示，当将传统奈奎斯特采样与抗混叠滤波器结合时，保留了37Hz处的分量2103，并且没有传播寄生音调。此外，图21B描绘了波形2107，波形2107示出了在不具有抗混叠滤波器的情况下，使用CS采样的重构。如图所示，波形2107重建了37Hz处的分量2103，但不包括来自混叠的任何寄生音调。在生成CS重构2107时，平均采样速率是400采样/秒，其与奈奎斯特情形相同。但是，如上所述，CS重构中的采样是非均匀的。此外，可以利用关于大于100Hz的频谱分量位于感兴趣频带之外的先验信息，可以不对带外分量进行重构。

在一个方面，诸如传感器550之类的其它传感器也可以包括在体域网中，如图4中所述。例如，传感器501可以包括脉搏血氧仪，而传感器550可以包括三维加速计。如下所述，可以对来自传感器501和550的输出进行综合，并由共同网关进行处理。

可以使用一个或多个处理器来实现处理系统505。所述一个或多个处理器可以使用下面的任意组合来实现：通用微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑器件（PLD）、控制器、状态机、门逻辑、分立硬件组件、专用硬件有限状态机、或者能够执行信息的计算或其它操作的任何其它适当实体。

此外，处理系统505还可以包括用于存储软件的机器可读介质。软件应当被广泛地解释为意味着任何类型的指令，无论是称为软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言等等。指令可以包括代码（例如，具有源代码格式、二进制代码格式、可执行代码格式或者任何其它适当的代码格式）。当这些指令由所述一个或多个处理器执行时，使得处理系统505执行本申请所描述的各种功能。

图3描绘了低噪声放大器（LNA）2219、随机延迟发生器2220、采样和保持（S&H）电路2221、以及量化电路2223。LNA电路2219可以与图5的LNA电路511相对应。随机延迟发生器2220、S&H电路2221和量化电路2223可以与图5的CS ADC 513相对应。如图所示，在LNA 2219处可以接收模拟信号X(t)。该模拟信号可以依次由LNA电路2219、S&H电路2221和量化电路2223处理。随机延迟发生器2220可以控制S&H电路2221对信号进行采样和量化电路2223进行采样时的实例。随机延迟发生器2220可以将种子接收为输入，以便在生成非均匀采样实例时使用。量化电路2223的输出是本申请所描述的方式中有利使用的数字信号。在一个方面，每一个电路被配置为直接向下一电路提供输出，而不具有任何中间电路。因此，如上所述，在该方面，不给出或者使用低通滤波器或抗混叠滤波器。如上所述，在不影响传感器提供的数据的质量的情况下，这种省略有利于使得传感器的功耗降低、复杂度降低和成本缩减。

图6描绘了聚合器610。本申请还可以将聚合器610称为网关610。网关610可以用于从诸如图5的传感器501和550之类的一个或多个传感器接收数据（例如，来自传感器输入的多组采样）。网关610还可以配置为对该数据执行另外的处理，如本申请所描述的。在一个方面，网关610包括BAN无线电装置613。BAN无线电装置613可以配置为从诸如图5的传感器501和550之类的传感器接收传输。此外，BAN无线电装置613还可以配置为向一个或多个无线传感器发送消息。例如，如本申请所描述的，网关610可以配置为通过BAN无线电装置613向一个或多个无线传感器发送针对数据或针对时钟同步的请求。此外，网关610还包括耦接到BAN无线电装置613的媒体访问控制器（MAC）616，以便对通过BAN无线电装置613的通信进行控制。此外，网关610还包括耦接到MAC 616的处理系统619。处理系统619可以配置为通过MAC 616和BAN无线电装置613与传感器进行通信。例如，如本申请所描述的，处理系统619可以配置为从传感器接收一组CS采样，根据所接收的该组采样来重构一组奈奎斯特采样。同样，处理系统619可以减轻分组丢失，去除所接收的该组采样中的伪影（artifact），确定和减轻网关610和传感器之间的时钟偏差，对来自多个传感器的多组采样进行对齐，分析所接收的或重构的采样以解释生命体征和触发警告。在一个方面，处理系统619包括用于产生和维持时钟信号的时钟电路。

此外，网关610还可以包括诸如广域网无线电装置622（例如，第三代无线电装置）或者LAN无线电装置625（例如，WiFi无线电装置）之类的其它无线电装置。可以使用这些无线电装置来将信息从传感器传输到其它设备。例如，个人的蜂窝电话可以充当为网关610。此外，网关610还可以包括用于控制处理系统619与WAN和LAN无线电装置622和625之间的通信的另一个媒体访问控制器（MAC）623。在一些实施例中，MAC的616和623可以由共享的硬件或软件来实现。在基于来自传感器的数据确定生命体征之后，处理系统619可以通过LAN无线电装置625的WAN无线电装置622，向位于远地的医师发送关于生命体征的信息。有利的是，在网关610处对来自传感器的采样进行集中处理，有助于在这些传感器中实现更低的功耗和降低的复杂度。此外，网关610还可以充当为用于多个传感器的集中式时钟同步控制器。

可以使用一个或多个处理器来实现处理系统619。所述一个或多个处理器可以使用下面的任意组合来实现：通用微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑器件（PLD）、控制器、状态机、门逻辑、分立硬件组件、专用硬件有限状态机、或者能够执行信息的计算或其它操作的任何其它适当实体。

此外，处理系统619还可以包括用于存储软件的机器可读介质。软件应当被广泛地解释为意味着任何类型的指令，无论是称为软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言等等。指令可以包括代码（例如，具有源代码格式、二进制代码格式、可执行代码格式或者任何其它适当的代码格式）。当这些指令由所述一个或多个处理器执行时，使得处理系统619执行本申请所描述的各种功能。

图9根据本发明的某些方面描绘了一种压缩传感采样分布。如本申请所描述的，对于CS采样来说，为了从数字信号中真实地重构出模拟信号，可以满足下面条件。首先，保持时间T_h<1/2*f_max ，其中，f_max是具有幅度||X(f_max)||<6*qdB的信号x(t)中的最大谱分量，q是量化x(n)时的比特数量。第二，在任何给定的时间窗，CS采样中的测量值的数量k应当是c*M*log(N/M)，其中M是高于6*qdB的谱分量的数量，N是在给定的时间窗中重构的奈奎斯特采样的数量。常量c可以表示测量基础和稀疏基础之间的相干性。例如，这两个基之间越不相干，则c的值越小。在某些方面，对c进行选择，使得k大约是值M的三到五倍。在一些方面，c可以具有1和2之间的值。如图9中所可以观察的，与奈奎斯特速率采样所呈现的相比，在相同时间窗中的采样的数量更小。在该示例中，使用欠采样率10，这意味着平均来说，对于CS重构，用于给定时间窗的采样的数量是传统奈奎斯特采样的1/10。有利的是，使用更少的采样减少了传感器处的功耗。事实上，使用较少的处理来生成这些采样。此外，对于诸如脉搏血氧仪、LED或者类似元件的传感器来说，可以在与该信号的采样周期相对应的降低的持续时间内加电。当x(t)在谱域中是稀疏的时，根据x(t)中的冗余度，与观察的每一秒的F_s个测量值相比，k可以更小。此外，通过将传感器的模拟电路复杂度转移到网关处的数字域重构复杂度，在传感器中可以有显著的功率增益。如上所述，窗中的测量值的数量k是根据k与高于6*qdB的谱分量的数量M之间的关系来确定的。因此，虽然在网关处没有重构高于6*qdB的带外分量，但是测量值的数量考虑了高于6*qdB的带外分量。实际上，由于带外信号是不可能避免的，因此很多真实世界的传感器在更高频率处的灵敏度降低，并且测量值的数量增加。此外，下面还将更加详细地描述CS采样和重构。

本发明的某些方面涉及用于减小脉搏血氧仪传感器的功耗的方法。一般情况下，商用脉搏血氧仪可能消耗20-60mW数量级的功率。红色和红外线发光二极管（LED）占据了此功率中的大多数。针对PPG传感器的功率有效设计，可以将功耗降低到1.5mW。对于给定的均匀采样速率，可以减小与LED发光相关联的占空比。在其它优化之中，可以使用快速检测器和更高的时钟频率。因此，可以将LED接通T·f_s持续时间，其中f_s和T分别表示采样速率和用于获得每个采样的发光持续时间。

PPG信号在频谱域中是稀疏的，因此是可压缩的。这使得能够使用压缩传感（CS）架构来获得PPG信号。可以按非均匀（即，随机）时间间隔，但具有平均的采样速率F_s，来对PPG信号进行采样。在CS方法中，与非均匀采样速率f_s相比，采样速率F_s可以更小。因子f_s/F_s可以称为欠采样率（USR）。应当注意的是，由于LED可被点亮的持续时间仅为T·f_s/USR而非T·f_s，因此该采样方法可使得用于PPG获取的脉搏血氧仪传感器的功耗降低（即，大约以USR的因子降低）。

与按照f_s/USR进行低通滤波和采样相比，基于CS的方法的优点是，可以不丢失高于f_s/USR的信号内容。同样，还可以使用高USR来获得较高频率处的窄带信号。使用CS架构的另一个优点在于，这些测量值可以与重构时使用的变换空间无关，其包括如在传统的奈奎斯特速率采样中的傅里叶空间。

图10根据本发明的某些方面，描绘了感测数据的方法1001。在一个方面，可以在诸如图5的传感器501之类的传感器中实施方法1001。在步骤1005，传感器501接收针对与某个时间段相对应的数据的请求。该请求可以来自于网关610。或者，传感器501可以配置为，响应于其它激励，定期地产生数据。继续在步骤1027，传感器501判断在执行的特定测量中是否使用驱动信号。例如，如果传感器501检测到由LED（例如，LED 509）产生的光时，可以使用驱动信号来驱动LED。在该情况下，该方法转到步骤1010，以生成驱动信号并且获得另外的采样。如果针对该特定的测量没有使用驱动信号，则该方法转到步骤1015以获得另外的采样。继续转到步骤1010，在接收到该请求之后，传感器501可以生成驱动信号。如上所述，某些传感器可以包括：LED或者受驱动用来生成由传感器501测量的信号的其它电路。如上所述，诸如加速计之类的其它传感器可以不需要驱动信号，故可以省略该步骤。继续转到步骤1015，传感器501接收模拟信号。该模拟信号可以指示个人的某个生命体征或者其它特性。继续转到步骤1020，传感器501可以对该模拟信号进行采样。在一个方面，使用压缩传感来产生这些采样。

继续转到判断步骤1025，传感器501判断是否已获得足够数量的采样，使得网关610可以准确地再生被采样的信号。如上所述，确定k个采样，对于准确地重构被采样的信号来说是足够的。但是，由于时钟失配、分组丢失或者其它问题，可以包括另外的采样或者可以省略多个采样。另外的采样或者缺少的采样的数量可以称为δ。如本申请所描述的，当接收到k+δ个采样时，网关能够处理采样信号的重构。如果确定采样的数量是不足够的，则该方法返回到判断步骤1027。但是，如果采样的数量足够，则该方法转到步骤1030。在步骤1030，传感器1030生成包含模拟信号的采样的一个或多个分组。继续在步骤1035，向网关610发送这些分组。有利的是，在传感器处获得的减少的数量的采样和对于采样信号执行的减少的处理，使得传感器的功耗和电路复杂度降低。

图11根据本发明的某些方面描绘了处理数据的方法1101。在一个方面，可以在诸如图6的网关610之类的网关上实施方法1101。在步骤1105，网关610向传感器（例如，传感器501、550）发送针对与某个时间段相对应的数据的请求。在一个方面，可以定期地执行步骤1105，或者响应于诸如异步请求或用户交互之类的特定激励来执行步骤1105。在另一个方面，传感器501可以配置为在没有接收到请求的情况下，定期地或不定期地向网关610发送数据。转到步骤1110，网关从传感器501接收第一组采样。如上所述，第一组采样可以包括传感器501采集的一组k+δ个CS采样。转到步骤1115，网关610基于来自传感器501的第一组采样，生成第二组采样。在一个方面，第二组采样与该时间段上的完整的一组奈奎斯特采样相对应。下面参照图13-18来更详细地描述从CS采样产生完整的一组奈奎斯特采样的处理。转到步骤1120，网关610对于第二组采样执行另外的处理。例如，网关610可以减轻分组丢失、去除所接收的该组采样中的伪影、确定和减轻网关610和传感器501之间的时钟偏差、分析第二组采样以解释生命体征和触发警告。在另一个方面，该网关可以配置为从一个以上传感器接收一组采样，每一组与一个共同时间段相对应。在一些方面，网关610对每一组的采样进行对准，以有助于实现该共同时间段期间的传感器输入的比较。有利的是，通过在网关610处执行CS重构，可以显著地减少传感器510的电路和功耗。

图12A根据本发明的某些方面描绘了用于处理时钟失配的方法1201。在一个方面，可以在诸如图6的网关610之类的网关上实施方法1201。在一些通信系统中，当在发送器和接收器之间存在时钟失配时，可以在这些节点中的一个节点处执行采样插入/删除，以防止实时缓冲区空转或者溢出。如果没有对采样插入和删除进行适当的考虑，则由该操作造成的中断可能导致非期望的伪影。设备的复杂度和费用取决于所期望的时钟的准确性。例如，与使用基于±百万分之20（20ppm）晶体的时钟进行操作的设备相比，设备同步到GPS时钟的设备将是更昂贵的。同样，使用基于±75ppm晶体的时钟进行操作的设备是更为经济的。在具有CS重构的网关610中，基于传感器处的测量值，在网关处重构奈奎斯特采样。在一些方面，网关610通常具有较佳的时钟管理，并且更接近于真实的挂钟（例如，GPS）。这使得即使测量值的数量为k±δ，网关610也能够对来自多个传感器的数据流进行同步，其中δ包括由于时钟失配而导致的测量值数量。在一些实施例中，对于所述多个传感器中的一个或多个传感器来说，δ值可以不同。此外，对于每一个传感器来说，δ值可以随着时间改变。如本申请所描述的，无论具有CS重构的接收机是否能够在给定的观察窗中处理变化数量的测量值。接收机可以通过针对传感器501、550中的每一个重构N个奈奎斯特采样来实现这点，其中N与网关处的基于时钟的观察窗相对应。

参照图19A-图19C和图20A-图20C，来进一步描述这种CS重构的时钟失配应付能力及其优点。图19A描绘了如在传感器/发射机处检测的波形1903。如该图中所示，发射机的时钟速率是10.1523MHz。如图所示，在37Hz处存在显著的波形分量1903。图19B描绘了在接收机/网关处生成的波形1903的重构1905。如图所示，接收机处的时钟速率是10MHz。因此，在发射机和接收机之间存在着时钟速率的失配。如图所示，在图19B中，发射机和接收机之间的时钟失配对于使用CS技术的重构具有极小的影响。因此，尽管时钟失配，重构的波形1905基本类似于图19A的波形1903。如上所述，CS重构中使用的采样可能不是规则地间隔在该采样信号的时段上。尽管时钟失配，这种非均匀采样部分地有助于准确的重构。图19C描绘了图19A的波形1903的另一个重构1907。关于图19B的波形1905，接收机/网关的时钟速率是10MHz。因此，存在相同的时钟失配。但是，使用传统基于插值的重构来生成重构1907。如图所示，在时钟失配条件下基于插值的重构，导致在重构1907中出现寄生音调1909。部分地，这些寄生音调可能源自于传统的时钟失配减轻。例如，一种技术涉及：删除两个采样，并且插入与其邻居线性内插的采样，来维持接收机缓冲区，防止由于失配造成的溢出。有利的是，使用CS技术，不需要这种减轻方案。因此，尽管存在时钟失配状况，也可以进行准确的重构。如上所述，这还使得在传感器处使用更简单、更少功率密集时钟电路，而不会负面地影响网关处接收的数据。

图20A-图20C类似于图19A-图19C，但描绘了重构，其中发射机/传感器具有与接收机/网关的时钟速率失配的并且更慢的时钟速率。图20A描绘了如在传感器/发射机处检测的波形2003。如该图中所示，发射机的时钟速率是9.85MHz。如图所示，在37Hz处存在显著的波形分量2003。图20B描绘了在接收机/网关处生成的波形2003的重构2005。如图所示，接收机处的时钟速率是10MHz。因此，在发射机和接收机之间存在着时钟速率的失配。如图所示，在图20B中，发射机和接收机之间的时钟失配对于使用CS技术的重构具有极小的影响。因此，尽管时钟失配，重构的波形2005基本上类似于图20A的波形2003。如上所述，CS重构中使用的采样可能不是规则地间隔在该采样信号的时段上。尽管时钟失配，这种非均匀采样部分地有助于准确的重构。图20C描绘了图20A的波形2003的另一个重构2007。关于图20B的波形2005，接收机/网关的时钟速率是10MHz。因此，存在相同的时钟失配。但是，使用传统的基于插值的重构来生成重构2007。如图所示，在时钟失配情况下，基于插值的重构导致在重构2007中出现寄生音调2009。这些寄生音调可能部分地是源自于传统的时钟失配减轻。例如，一种技术包括插入与其邻居线性内插的采样，来维持接收机缓冲区，以免因失配而造成溢出。有利的是，使用CS技术，不需要这种减轻方案。因此，尽管在时钟失配的情况下，也可以进行准确的重构。如上所述，这还使得能够在传感器处使用较为简单的、较小功耗的时钟电路，而不会对网关处接收的数据产生负面影响。

如上所述，与低功率传感器501和550上的时钟管理相比，网关610可以具有更佳的时钟管理。网关610可以向传感器501和550发送定期或不定期地消息，其中该消息使它们与网关610处的时钟同步。这在方法1201中进行了描绘。在步骤1205，网关610检测到网关610的时钟和传感器501的时钟之间的失配。转到步骤1210，网关610可以向传感器501发送时钟同步信号。在一些方面，可以响应于步骤1205中的确定，来执行步骤1210。在其它方面，可以定期地或者响应于其它激励来执行步骤1201。在另一个方面，网关610可以与多个传感器501和550进行通信。网关610可以向多个传感器501和550中的一些或全部广播时钟同步信号。

有利的是，可以将参照图11和图12A所述的方面进行组合。因此，例如，网关610可以根据相对精确的电路，来维持其自己的第一时钟。同样，传感器501可以根据相对不精确的电路，来维持其自己的第二时钟。如上所述，传感器501根据其第二时钟信号，生成一组采样（例如，CS采样），并将该组采样发送给网关610。同样，网关610可以基于所接收的一组采样，根据其自己的第一时钟来生成第二组采样（例如，一组完整的奈奎斯特采样）。或者定期地，响应于检测到时钟之间的失配，响应于来自传感器501的请求，或者响应于其它激励，网关610可以向传感器501发送时钟同步信号。

图12B根据本发明的某些方面，描绘了用于处理时钟失配的方法1250。在一个方面，方法1250在诸如图5中的传感器501之类的传感器中实施。在步骤1255，传感器从诸如网关610之类的网关接收时钟同步信号。转到步骤1260，传感器501将其时钟同步到网关1260的时钟。

图13描绘了用于感测和重构生物医学信号的示例框图。用于获得生物医学信号（例如，PPG信号）的传感器2602可以包括三个主要组件：LED2606、光检测器2610、以及分别针对LED和光检测器的发光序列2604和采样序列2612。LED 2606可以发射具有波长为600nm和1000nm之间的光，其还可以包括光谱的红色部分和红外部分。来自LED 2606的光可以从生物体组织2608（例如，人的手指或者耳朵，如图13中所示）发送/反射，并可以在光检测器2610上收集。与光检测器处所测量的LED相对应的平均强度之比率，可以用于确定血液中的氧含量（S_pO₂）。因此，S_pO₂可以是PPG信号的平均值（DC内容）的函数。

可以根据规定的欠采样率（USR）2616，使用种子产生器2614所生成的随机种子来获得发光序列2604和采样序列2612。可以发送来自光检测器2610的采样数据2618，以便在传输之前用于媒体访问控制/物理层（MAC/PHY）处理2620。随后，经处理的采样可以经过分组化并且由一根或多根天线2622发送。

在接收机方，如图13中所示，发送的采样可以由一根或多根天线2624接收，并由MAC/PHY模块2626进行处理。随后，将该数据传送给重构器2628，以便按奈奎斯特速率获得生物医学信号。为了实现准确重构，生成采样序列2632的随机种子发生器2630可能需要与传感器的随机种子发生器2614相同步。

在本发明的一个方面，通过使用例如l₁范数的经修改的Gabor稀疏基础正则化向量2638，可以将基于梯度的稀疏重构2636应用于采样数据2634。随后，用于特定任务处理的单元2642利用经估计的信号2640来获得例如血压估计、血液中的氧含量水平和心率。来自其它传感器（例如，550）的包括ECG数据或3D加速计数据的重构数据，可用于这种特定于任务的处理的2642。单元2648可以将实际信号2644与目标信号2646进行比较，以更新用于生成采样实例的USR。单元2650的输出的已更新的USR值2652，可以由随机种子产生器2630使用，并且还可以反馈回传感器，以便调整传感器的USR 2616。除了USR之外，还可以向传感器发送另外的反馈信息，以便调整某些其它参数，例如：传感器处的测量值的数量、测量矩阵的系数、信号的发送的采样的数量、和每一个发送的分组中的采样的数量。

（与红色LED或红外LED相关联的）PPG波形中的调制，可以与瞬时血液流量有关。可以将瞬时心率（HR）估计成波形峰值之间的距离的倒数。LED的发光序列可以取决于PPG信号的期望的采样速率。可以假定均匀奈奎斯特采样速率。此外，还应当注意，LED的频繁发光可以导致脉搏血氧仪传感器的显著功耗。

本发明的某些方面支持使用PPG信号的稀疏本质，进行较少的测量，以便节约传感器功率。Gabor基可用作具有各种余弦波的变换空间，其中时间支持受到不同比例的高斯窗函数的限制。

使原始采样的PPG信号表示为N维向量x，通过N×N矩阵W来表示稀疏域变换基。矩阵W的第（i，j）项可以给出为：

${\left[W\right]}_{i,j}=\cos \left(\frac{2\mathrm{\&pi;}(i-1)(j-1)}{2N}\right)\&times;\exp (-\frac{{(i-1)}^2{(j-N/2)}^2}{w{N}^2}).---\left(1\right)$

来自式（1）的项w可以与Gabor基中的高斯核的宽度相关联。可以对矩阵W中的每一行进行归一化，使得相应的l₂范数等于1，矩阵W可以称为稀疏基。可以将PPG信号x投影到稀疏基上，以便产生Gabor变换空间中的相应的N维表示，其可以给出为：

y=W·x                    (2)

图14A根据本发明的某些方面，描绘了PPG信号的短片段和在Gabor变换空间中的相应表示y的示例。图14B描绘了按125Hz采样的八秒片段（即，总共N＝1000个采样）。可以观察到，信号x在变换域中可以是稀疏的并且可压缩的，其中依绝对值来看，约有30个系数大于0.2。这指示大多数PPG信号特性可位于比N低得多的维度空间中，因此PPG信号是可压缩的。

因此，可以采用CS原理，其允许进行K<<N次测量（即，对原始数据进行大量欠采样），并能够以高保真度对x进行估计。如果信号x在变换空间中是明显稀疏的（仅具有M个非零元素），则从x中随机地选择K≥MlogN/M个采样，可以高概率地提供足够的信息以能够实现在零误差的情况下进行信号重构。

在真实情形下，信号可能从来都不是真正稀疏的，一些信息内容可能存在于整个变换空间中。但是，幅度大于ε（其中ε<<max(y)）的显著分量的数量可能与N小得多。在图14中，ε的值是0.2。可以将该方法扩展到x不是明显稀疏的并且CS范式仍可保持有效的情况。但是，重构误差可能并不正好等于零。

可以用数学方式来表示对x的感测过程。假设P表示包含独特条目的K维向量（例如，随机选择），其中每一个元素在1和N之间。这本质上可以提供K个随机位置，来从x中选择元素。可以在传感器处本地生成或者也可以在接收机处生成用于构建向量P而产生随机数的种子。该种子可以基于通信链路的安全协议中使用的密钥。可以将从x获得的K维测量向量r写为：

r=H·x,                  (3)

其中，H表示K×N测量矩阵。

来自式（3）的矩阵H的第i行可以是全零向量，其中1处于由P的第i个元素给出的位置处。应当注意的是，在CS架构中，可以将测量矩阵定义为包含随机独立和均匀分布（i.i.d.）元素的矩阵。当先前不知道输入信号在时域或者在变换域中是稀疏的时，这种测量矩阵是必需的。实际中，可以将感测处理实现成Δ_i＝MINDUR*USR+J(i)，其中Δ_i是第(i-1)和第i个采样实例之间的持续时间，MINDUR是具有均匀奈奎斯特采样的最小持续时间，USR是欠采样率，J(i)是对第i个采样引入的某种随机抖动，使得J(i)≤MINDUR。

可以使用匹配追踪（MP）算法来从测量向量r中进行信号重构。MP技术表示贪婪演算法，贪婪演算法是通过进行本地最优判决来迭代地建立信号逼近。可以通过规定维度K×N的修改的基V＝H·W，使得V＝[V₁…V_N]（其中V_j是V的第j列向量），来进行MP算法的初始化。随后，可以将余项初始化为r₀=r，并且逼近

向量

的维度与y的维度相同（即，N）。此外，还可以将迭代计数器初始化为i＝1。

之后，从V中找到使余项r_i-1的内积最大化到V上的列向量：

$n_i=\arg \underset{j=1...N}{\max }\frac{<r_{i-1},V_j>}{{\left|\right|V_j\left|\right|}_{L_2}}.---\left(4\right)$

随后，对余项进行更新，可以将系数向量y估计如下：

$r_i=r_{i-1}-\frac{<r_{i-1},V_{n_i}>}{{\left|\right|V_{n_i}\left|\right|}_{l_2}^2}{V}_{n_i},---\left(5\right)$

${\hat{y}}_{n_i}={\hat{y}}_{n_i}+\frac{<r_{i-1},V_{n_i}>}{{\left|\right|V_{n_i}\left|\right|}_{l_2}^2}.---\left(6\right)$

之后，可使迭代计算器i递增，可以定义

如果i<m且Δ_i>ε，则可以重复式（4）所规定的算法步骤。否则，

且该算法可以转到式（5）和（6）所规定的步骤。最后，可以获得的原始估计为

项m表示允许用于重构的迭代次数的上限，项ε规定了收敛准则。MP算法背后所蕴含的本质原理有两部分。在每一个迭代步骤，该算法可以尝试寻找V中可与r的余项最强烈相关的列，随后从r中减去该列向量的贡献。该算法在本质上是贪婪的，这是由于在每一个步骤，其可以估计投影空间W中的原始信号x的最主要分量。此外，还应当注意到，MP算法的主要复杂度在于式（4），该式对于单次迭代可能花费了O(K·N)数量级的算术运算。

本发明的某些方面使用基于梯度投影的稀疏重构（GPSR）方法来从测量向量r获得重构的信号。该方法可以通过在无约束情况下，共同地最小化数据保真项（即，误差的l₂范数）和变换空间中的l₁范数（即，稀疏性的测量），来估计原始信号x。本发明提出了通过使用加权的l₁范数，来修改该优化问题。可以将重构算法给出为：

$\underset{x}{\max }{\left|\right|\mathrm{Hx}-r\left|\right|}^2+\mathrm{\&tau;}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left|{\left[f\right]}_i{[W\&CenterDot;x]}_i\right|,---\left(7\right)$

其中，f是提供变换空间中的相对重要性系数以用于计算稀疏性的测量（即，l₁范数）的N维向量。量τ是非负参数，其表示成本函数（cost function）中的l₂范数和l₁范数的相对权重。项[f]_i和[W·x]_i分别表示向量f和[W·x]_i的第i个元素。

向量f的第i个元素可以由如下式给出：

${\left[f\right]}_i=\frac{1}{{[W\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{x}]}_i+\mathrm{\&sigma;}},---\left(8\right)$

其中，σ是较小的正则化参数。量

表示原始信号向量x的集合平均值，其可以通过对训练示例向量进行平均来估计。可以使用来自MIMIC数据库的片段来估计

随后可以将其从下面描述的实验性验证中排除。

图15根据本发明的某些方面，描绘了用于传感器处的欠采样采集和接收机处的重构的示例操作。图16描绘了用于对传感器的光源进行驱动和解驱动的示例操作2800。如下所述，图15和图16中所描绘的操作可以有关。因此，为了说明目的，本申请联合地描述图15和图16。在图15的步骤2510，可以根据随机种子，在传感器处生成非均匀采样实例。在步骤2520，至少在多个非均匀采样实例期间，对信号的采样进行感测。在图16的步骤2810，例如，通过至少在多个所生成的非均匀采样实例期间接通一个或多个LED，来驱动传感器的源，在步骤2820，至少在多个非均匀采样实例之间，对传感器进行解驱动。

随后，可以对信号的感测的采样进行分组化，以获得感测的采样的至少一个分组，所获得的至少一个分组可以通过无线信道进行发送。在图15的步骤2530，在重构器处，从传感器接收该信号的采样。在步骤2540，在传感器根据所述随机种子来采样信号的期间，重构器确定一组非采样实例。在一个方面，基于传感器和重构器之间的通信链路的安全协议中使用的密钥，在重构器处生成用于非均匀采样序列的种子。在另一个方面，可以在传感器处确定用于非均匀采样序列的种子，并将其传送给重构器（即，接收机）。在另一个方面，可以在接收机处确定用于非均匀采样序列的种子，并将其传送给传感器。在步骤2550，根据例如式（7）-（8）所规定的修改的GPSR算法，使用所确定的非均匀采样序列从所接收的采样中重构该信号。

非均匀采样实例可以与信号的接收采样相同步，以实现该信号的准确重构。可以通过反馈机制将观测的信息传送给传感器，来使用在重构期间观察的信息（例如，下面中的至少一个：与重构的信号有关的系数、在传输期间丢失的分组的数量、信道信噪比或者变量

和

），来调整各种传感器参数（例如，USR、测量值的数量K、信号的发送的采样的数量N、每一个发送的分组中的信号的采样的数量P、测量矩阵H）。随后，可以根据所接收的反馈信息，在传感器处调整非均匀采样实例。

本发明中给出了基于CS方法生成的一些重构示例。可以从按照125Hz采样的MIMIC数据库中选择八秒片段（即，N＝1000个采样）。可以记得，CS采样的数量是K，其将欠采样率（USR）规定为N/K。图17描绘了针对USR为10、20和30而获得的CS-PPG信号重构的示例，其中MP迭代次数的上限m等于500。曲线1710表示被均匀采样的原始信号，曲线1720、1730和1740分别表示针对USR的值为10、20和30的重构信号。图18描绘了在USR为40时，在非均匀采样实例下所感测的信号的示例。将采样实例示出为垂直线。

从图17中可以观察到，可以良好地保持信号完整性直到USR为20，此后信号完整性下降。但是，应当注意的是，即使具有高USR（即，USR值为30），也可以良好地保留信号峰值位置。在该情况下，LED功耗（作为PPG数据获取的一部分）可以以USR为因子而显著地减少，这是由于LED点亮的持续时间短得多，具体而言，仅点亮T·f_s/USR秒而非T·f_s秒。

在一些方面，本申请所陈述的功能中的一个或多个是在被配置为用来执行所述一个或多个功能的电路中实现的。同样，上面所描述的单元可以包括：配置为实现这些单元的功能的一个或多个电路。例如，图22描绘了无线通信设备2350的方面。该无线通信设备可以与诸如图6的网关610之类的网关相对应。在一个方面，通信设备2250包括发送电路2253、接收电路2255、生成电路2257、以及维持电路2259。发送电路2253可以对应于图6中的BAN无线电装置613，或者对应于与BAN MAC 616和处理系统619相结合的BAN无线电装置613。接收电路2255可以对应于图6中的BAN无线电装置613，或者对应于与BAN MAC 616和处理系统619相结合的BAN无线电装置613。生成电路2257可以与处理系统619相对应。维持电路2259可以与处理系统619相对应。

图23描绘了无线通信设备2315的方面。该无线通信设备可以与诸如图5的传感器501之类的传感器相对应。在一个方面，无线通信设备2315包括接收电路2323、调整电路2329、生成电路2319、发送电路2331、获得电路2317、确定电路2321、调节电路2325、以及采样电路2327。接收电路2323可以对应于与图5中的BAN无线电装置514、或者对应于与BANMAC 516相结合的BAN无线电装置514。调整电路2329可以与处理系统505相对应。生成电路2319可以对应于图5中的CS ADC 513、或者对应于图5中的与BAN MAC 516和处理系统505相结合的CS ADC 513。发送电路2331可以对应于图5中的BAN无线电装置514、或者对应于与图5的BAN MAC 516相结合的BAN无线电装置514。获得电路2317可以对应于图5的LNA 511、或者对应于与DAC 508相结合的LNA 511。确定电路2321可以与图5的LNA 511和CS ADC 513相对应。调节电路2325可以与图5的LNA 511和CS ADC 513相对应。采样电路2327可以与图5的CS ADC电路513相对应。

上文所述方法的各种操作可以由能够执行相应功能的任何适当单元来执行。这些单元可以包括各种硬件和/或软件组件和/或模块，其包括但不限于电路、专用集成电路（ASIC）或者处理器。

如本申请所使用的，术语“确定”包括很多种动作。例如，“确定”可以包括计算、运算、处理、推导、研究、查询（例如，查询表、数据库或其它数据结构）、断定等等。此外，“确定”还可以包括接收（例如，接收信息）、存取（例如，存取存储器中的数据）等等。此外，“确定”还可以包括解析、选定、选择、建立等等。

如本申请所使用的，指代一个列表项“中的至少一个”的短语是指这些项的任意组合，其包括单数成员。举例而言，“a、b或c中的至少一个”旨在覆盖：a、b、c、a-b、a-c、b-c和a-b-c。

上文所述方法的各种操作可以由能够执行这些操作的任何适当单元（例如，各种硬件和/或软件组件、电路和/或模块）来执行。通常，在附图中示出的任何操作可以由能够执行这些操作的相应功能单元来执行。

用于执行本申请所述功能的通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列信号（FPGA）或其它可编程逻辑器件（PLD）、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意组合，可以实现或执行结合本申请所公开内容描述的各种示例性的逻辑框、模块和电路。通用处理器可以是微处理器，或者，该处理器也可以是任何市售处理器、控制器、微控制器或者状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、多个DSP内核、一个或多个微处理器与一个或多个DSP内核的结合，或者任何其它此种结构。

结合本申请所公开内容描述的方法的步骤或者算法可直接体现在硬件、由处理器执行的软件模块或二者组合中。软件模块可以位于本领域已知的任何形式的存储介质中。可以使用的一些示例性存储介质包括：随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM、信号等等。软件模块可以包括单一指令或多个指令，并且可以分布在一些不同的代码段上、分布在不同的程序中和分布在多个存储介质中。存储介质可以耦接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。或者，存储介质也可以是处理器的组成部分。

本申请所公开方法包括实现所描述方法的一个或多个步骤或动作。在不脱离本发明保护范围的基础上，这些方法步骤和/或动作可以相互交换。换言之，除非指定特定顺序的步骤或动作，否则在不脱离本发明保护范围的基础上，可以修改特定步骤和/或动作的顺序和/或使用。

本申请所述功能可以用硬件、软件、固件或其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储成计算机可读介质上的一个或多个指令。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。通过示例的方式而不是限制的方式，这种计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储介质或其它磁存储设备、信号或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机进行存取的任何其它介质。如本申请所使用的，磁盘（disk）和光碟（disc）包括压缩碟（CD）、激光碟、光碟、数字多用途光碟（DVD）、软盘和蓝光光碟，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光碟则用激光来光学地复制数据。

因此，本发明的某些方面包括用于执行本申请所示的操作的计算机程序产品。例如，这种计算机程序产品可以包括在其上有存储（和/或编码的）的指令的计算机可读介质，可以由一个或多个处理器执行这些指令以实现本申请所述的这些操作。对于某些方面而言，计算机程序产品可以包括封装材料。

此外，软件或指令还可以在传输介质上进行传输。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤光缆、双绞线、数字用户线（DSL）或者诸如红外线、无线和微波之类的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输的，那么同轴电缆、光纤光缆、双绞线、DSL或者诸如红外线、无线和微波之类的无线技术包括在传输介质的定义中。

此外，应当理解的是，用于执行本申请所述方法和技术的模块和/或其它适当单元可以通过接入终端和/或接入点按需地进行下载和/或获得。例如，这种设备可以耦接至服务器，以便有助于实现传送执行本申请所述方法的单元。或者，本申请所述的各种方法可以通过存储单元（例如，RAM、ROM、诸如压缩碟（CD）或软盘之类的物理存储介质等等）来提供，使得接入终端和/或接入点将存储单元耦接至或提供给该设备时，可以获得各种方法。此外，还可以使用向设备提供本申请所述方法和技术的任何其它适当技术。

应当理解的是，本发明并不受限于上文示出的精确配置和组件。在不偏离本发明保护范围基础上，可以对上文所述方法和装置的排列、操作和细节做出各种修改、改变和变化。

本发明中的无线设备可以包括基于在该无线设备处发送或接收的信号来执行功能的各种组件。此外，无线设备还可以称为可穿戴无线设备。在一些方面，可穿戴无线设备可以包括无线头戴装置或者无线手表。例如，无线头戴装置可以包括用于基于通过接收机接收的数据来提供音频输出的换能器。无线手表可以包括用于基于通过接收机接收的数据来提供指示的用户接口。无线感测设备可以包括用于提供通过发射机进行发送的数据的传感器。

无线设备可以通过一个或多个无线通信链路进行通信，其中所述一个或多个无线通信链路基于或者支持任何适当的无线通信技术。例如，在一些方面，无线设备可以与网络进行关联。在一些方面，所述网络可以包括使用超宽带技术或者某种其它适当技术实现的个域网（例如，支持30米数量级的无线覆盖区域）或者体域网（例如，支持10米数量级的无线覆盖区域）。在一些方面，所述网络可以包括局域网或者广域网。无线设备可以支持或者使用多种无线通信技术、协议或者标准（例如，CDMA、TDMA、OFDM、OFDMA、WiMAX和Wi-Fi）中的一种或多种。同样，无线设备可以支持或者使用多种相应调制或者复用方案中的一种或多种。因此，无线设备可以包括使用上面或其它无线通信技术，通过一个或多个无线通信链路进行建立和通信的适当组件。例如，设备可以包括具有相关联的发射机和接收机组件（例如，发射机210或302和接收机212或304）的无线收发机，其中无线收发机可以包括有助于通过无线介质实现通信的各种组件（例如，信号发生器和信号处理器）。

本申请内容可以并入到多种装置（例如，设备）中（例如，在多种装置中实现或者由多种装置执行）。例如，本申请教示的一个或多个方面可以并入到电话（例如，蜂窝电话）、个人数据助理（“PDA”）或者所谓的智能电话、娱乐设备（例如，便携式媒体设备，其包括音乐和视频播放器）、头戴装置（例如，耳机、听筒等等）、麦克风、医学感测设备（例如，生物传感器、心率监测器、计步器、EKG设备、智能绷带等等）、用户I/O设备（例如，手表、远程控制、光开关、键盘、鼠标等等）、环境感测设备（例如，轮胎压力监测器）、可以从医学或环境感测设备接收数据的监测设备（例如，桌面型计算机、移动计算机等等）、定点照护设备、助听器、置顶盒或者任何其它适当设备。此外，监测设备还可以通过与网络的连接从不同的感测设备接入数据。

这些设备可以具有不同的功率和数据需求。在一些方面，本申请内容可以适合用于低功率应用（例如，通过使用基于脉冲的信号发送方案和低占空比模式），可以支持包括相对高数据速率的多种数据速率（例如，通过使用高带宽脉冲）。

在一些方面，无线设备可以包括用于通信系统的接入设备（例如，接入点）。例如，这种接入设备可以通过有线或无线通信链路，提供到另一个网络（例如，诸如互联网或蜂窝网络之类的广域网）的连接。因此，该接入设备可以使另一个设备（例如，无线站）能够接入该其它网络或者某种其它功能。此外，应当理解的是，这些设备中的一个或两个可以是便携式的，或者在一些情况下相对地非便携。此外，还应当理解的是，无线设备还可以能够以非无线方式（例如，通过有线连接），通过适当的通信接口来发送和/或接收信息。

Claims (34)

1.一种处理数据的方法，所述方法包括：

在第一装置处维持第一时钟信号；

从所述第一装置发送用于将第二装置处的第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；

在所述第一装置处接收一个或多个分组，所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；

至少部分地基于所述第一组采样，在所述第一装置处生成第二组采样，其中所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述时钟同步信号是非定期发送的。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述第一时钟信号和所述第二时钟信号不同步的数量；

将所述数量与门限进行比较；

其中，如果比较结果指示所述数量超过所述门限，则发送所述时钟同步信号。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组采样中的至少两个相邻采样之间的持续时间，与所述第一组采样中的至少两个其它相邻采样之间的持续时间不同。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二组采样中的任意两个相邻采样之间的持续时间相同。

6.一种用于处理数据的装置，所述装置包括：

处理系统，其配置为维持第一时钟信号；

发射机，其配置为发送用于将第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；

接收机，其配置为接收一个或多个分组，其中所述一个或多个分组包括用于表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；

其中，所述处理系统还配置为：至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样，所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述发射机配置为非定期地发送所述时钟同步信号。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述处理系统配置为：

确定所述第一时钟信号和所述第二时钟信号不同步的数量；

将所述数量与门限进行比较；

其中，所述发射机配置为：当比较结果指示所述数量超过所述门限时，发送所述时钟同步信号。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第一组采样中的至少两个相邻采样之间的持续时间，与所述第一组采样中的至少两个其它相邻采样之间的持续时间不同。

10.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二组采样中的任意两个相邻采样之间的持续时间相同。

11.一种处理数据的装置，所述装置包括：

用于维持第一时钟信号的单元；

用于发送使第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号的单元；

用于接收一个或多个分组的单元，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；

用于至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样的单元，其中所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述用于发送的单元配置为非定期地发送所述时钟同步信号。

13.根据权利要求11所述的装置，还包括：

用于确定所述第一时钟信号和所述第二时钟信号不同步的数量的单元；

用于将所述数量与门限进行比较的单元；

其中，所述发送单元配置为：当比较结果指示所述数量超过所述门限时，发送所述时钟同步信号。

14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第一组采样中的至少两个相邻采样之间的持续时间，与所述第一组采样中的至少两个其它相邻采样之间的持续时间不同。

15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二组采样中的任意两个相邻采样之间的持续时间相同。

16.一种计算机程序产品，包括：

其上存储有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中当所述计算机可执行指令由一种装置执行时，使所述装置执行包括如下操作的方法：

维持第一时钟信号；

发送用于使第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；

接收一个或多个分组，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；

至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样，其中所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

17.一种移动电话，包括：

天线；

处理系统，其配置为维持第一时钟信号；

发射机，其配置为通过所述天线发送用于使第二时钟信号同步到所述第一时钟信号的时钟同步信号；

接收机，其配置为通过所述天线接收一个或多个分组，其中所述一个或多个分组包括表示一段时间上的输入的第一组采样，所述第一组采样与所述第二时钟信号相对应；

其中，所述处理系统还配置为：至少部分地基于所述第一组采样生成第二组采样，所述第二组采样与所述第一时钟信号相对应。

18.一种数据通信的方法，所述方法包括：

接收时钟同步信号；

至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；

生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样；

生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；

发送所述一个或多个分组。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述时钟同步信号是非定期接收的。

20.根据权利要求18所述的方法，还包括：

接收针对一段时间上的输入的请求，其中生成所述第一组采样是响应于该请求来执行的。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一组采样中的至少两个相邻采样之间的持续时间，与所述第一组采样中的至少两个其它相邻采样之间的持续时间不同。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，同与一段时间上的奈奎斯特速率采样相对应的采样数量相比，所述第一组采样中的采样总数量更低。

23.一种用于数据通信的装置，所述装置包括：

接收机，其配置为接收时钟同步信号；

处理系统，其配置为：

至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；

生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样；

生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；

发射机，其配置为发送所述一个或多个分组。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述处理系统包括硬件有限状态机。

25.根据权利要求23所述的装置，其中，所述接收机配置为非定期地接收所述时钟同步信号。

26.根据权利要求23所述的装置，其中，所述接收机进一步配置为：

接收针对所述输入的请求，其中所述处理系统配置为响应于所述请求来生成所述第一组采样。

27.根据权利要求23所述的装置，其中，所述第一组采样中的至少两个相邻采样之间的持续时间，与所述第一组采样中的至少两个其它相邻采样之间的持续时间不同。

28.根据权利要求23所述的装置，其中，同与一段时间上的奈奎斯特速率采样相对应的采样数量相比，所述第一组采样中的采样总数量更低。

29.一种用于数据通信的装置，所述装置包括：

用于接收时钟同步信号的单元；

用于至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号的单元；

用于生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样的单元；

用于生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组的单元；

用于发送所述一个或多个分组的单元。

30.根据权利要求29所述的装置，还包括：

用于接收针对一段时间上的输入的请求的单元，其中所述生成单元配置为响应于所述请求来生成所述第一组采样。

31.根据权利要求29所述的装置，其中，所述第一组采样中的至少两个相邻采样之间的持续时间，与所述第一组采样中的至少两个其它相邻采样之间的持续时间不同。

32.根据权利要求29所述的装置，其中，同与一段时间上的奈奎斯特速率采样相对应的采样数量相比，所述第一组采样中的采样总数量更低。

33.一种计算机程序产品，包括：

其上存储有计算机可执行指令的计算机可读介质，其中当所述计算机可执行指令由一种装置执行时，使所述装置执行包括如下操作的方法：

接收时钟同步信号；

至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；

生成与所调整的时钟信号相对应的第一组采样；

生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；

发送所述一个或多个分组。

34.一种感测设备，包括：

换能器，其配置为接收输入；

接收机，其配置为接收时钟同步信号；

处理系统，其配置为：

至少部分地基于所述时钟同步信号来调整时钟信号；

至少部分地基于所述输入，生成与所述时钟信号相对应的第一组采样；

生成至少部分地包括所述第一组采样的一个或多个分组；发射机，其配置为发送所述一个或多个分组。

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