CN105337744B - 一种自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于中、短距离通信技术领域，具体涉及一种自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统。本发明自定义唤醒序列的两级唤醒接收机基于大多数中、短距离的无线通信协议，由自定义唤醒序列生成、唤醒序列检测、唤醒使能信号生成等组成。其中，自定义唤醒序列利用无线通信协议特有的编码和调制方式，通过发送合适的信源数据，得到时域里低速数据率的唤醒序列信号；接收端采用极低功耗解调电路实现唤醒序列的检测，解调出的自定义唤醒序列信号和接入点本地存储的唤醒序列信号进行判别，经过分组判别和身份识别两级判别后最终判断是否唤醒主通信接收机进行正常工作。本发明通过降低接收端的成本和待机功耗，从而延长接收机端的电池使用寿命。

Description

一种自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统
技术领域
本发明属于中、短距离通信技术领域，具体涉及一种自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统。
背景技术
物联网的兴起和无线传感网络的蓬勃发展，有力地推动着国家高科技产业的发展，其影响大到国家经济、国家安全、社会稳定，小到个人生活方式、生活质量等各个方面。为兴建智能城市，智能家居，智能农业、智能工业等提供了新的思路。智能型物-物互联的存在，有效的节约了设计成本、设备和资源。现有的物联网基本上是基于基站-接入点通信，接入点-接入点之间通信的无线传感器网络模式，此类应用的发展正朝着无线传感节点的超大规模、多功能、低成本、低功耗、寿命长的方向发展。为了做到全无线传感节点网络的低功耗处理，首先是构建非对称的异步网络，此类网络中存在着少量的基站使其可进行大量数据处理，其余大规模的接入点以简单的方式配置，仅实现最基本的通信和传感功能；其次是降低无线传感节点自身的功耗和制造成本。
在传统的大规模无线传感器网络节点中，基本上是完全依赖于电池供电的应用系统，且性能是其最为主要的参数指标。但随着应用范围的扩展，无线传感器节点的大规模使用以及无线传感器节点使用环境的高度复杂如人体局域网，可穿戴设备，植入式节点等应用环境，成本低、寿命长的无线节点更加切合实际应用需求，因此电路的性能可以降低到仅满足功能即可，然而电池的寿命成为了最大的限制性因素。尤其是最近几年里，电池体积小型化、低成本化并没有带来储电量多的优势，反而越来越影响着无线传感器节点的使用寿命。因此，降低无线传感器节点的待机功耗则显得非常有必要。
对于带有唤醒接收机的无线传感器节点来说，类似于硬件系统中的“看门狗”，其待机功耗仅仅消耗在唤醒部件上。而两级唤醒接收机，充分的利用了分步唤醒，分模块工作的思路，在满足通信延时的条件下将无线传感器节点的功耗降到了最低。一个带有两级唤醒接收机的无线传感器节点的待机功耗约为微瓦量级，远远的低于正常通信的接收机的功耗（一般为了达到-80dBm以上的灵敏度，数据率为Mbps的量级，其功耗约数毫瓦的数量级）。两级唤醒接收机的功耗低的原因主要在于接收机的数据速率低，性能要求低等。这些特点使其对接收机的信噪比、噪声系数的要求也变低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于中、短距离无线通信的两级唤醒接收机系统，该系统通过降低接收端的成本和待机功耗，从而充分的延长接收机端的电池使用寿命。
本发明基于现有的无线通信协议和硬件架构生成时域中低速数据率的自定义唤醒序列，使其满足接收端极低功耗唤醒接收机的工作条件。此系统将接收机端的待机功耗降到了最低，延长了接收机端的电池使用寿命，从而有效地解决了在物联网和无线传感网络中，大规模无线传感器节点的待机寿命短以及设计成本高的问题。
本发明的自定义唤醒序列生成电路借助于中、短距离无线通信协议的编码和调制方式以及已有的硬件电路。利用其编码和调制方式的特点，设置不同数据序列组合的信源，以生成可以供低功耗唤醒接收机检测的唤醒序列数据。对于无线传感器接入点来说，待机状态下工作的唤醒接收机的功耗是极低的。若基站发出唤醒序列后，此时一直处在工作模式下的极低功耗唤醒接收机只解调出唤醒序列中极低速率的数据，即分组序列信息。解调出分组序列后随即将其与接入点本地存储的分组信息进行匹配比较和判别，若判决正确后，则使能相对较高功耗的唤醒接收机模块解调较低速率的数据，即ID序列信息。为了满足通信协议中对延时的需求，发送分组序列信息和ID序列信息的总时间长度应低于协议中的某一特定值，依此即可限定分组序列信息和ID序列信息的长度。在此两级唤醒接收机的实现过程中，可通过合理调整信源的数据组合和改变数据帧的数目和内容来达到此目标。此系统可适用于大多数的中、短距离无线协议传输系统，诸如Wi-Fi的IEEE802.11a/b/g，IEEE802.11n，IEEE 802.11ac，IEEE 802.11ah，IEEE802.15.4以及其它的自定义协议等。
本发明提出的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其结构由发射端的信源1，编码及信号处理模块2，发射机射频前端3、通信信道4，两级唤醒接收机5，唤醒使能信号生成模块6，控制开关7，主通信收发机8组成，如附图1所示。其中，发射端信源1为自定义的数据组合序列；发射端编码及信号处理模块2负责对自定义的信源进行编码和调制以得到时域里的低速数据率的自定义唤醒序列；发射机射频前端3负责已调信号的发射，通信信道4负责信号的传输，两级唤醒接收机5负责对自定义的唤醒序列进行检测和判断，唤醒使能信号生成模块6负责使能主通信收发机8，控制开关7负责接收天线与主通信收发机8的通断。主通信收发机8为通常的数据通信模块，其产生正常通信数据9。
本发明中，利用信源1中的自定义数据序列，依照通信协议在编码及信号处理模块2中设计生成时域中极低速数据率的序列信号和较低速数据率的序列信号这两种信号。并通过发射机射频前端3发射到通信信道4；系统利用极低速数据率的数据传输接入节点的第一级唤醒分组信息，利用较低速数据率的数据传输接入节点的第二级唤醒身份识别（ID）信息。接收端的唤醒接收机的功耗与传递序列的数据率相关，序列数据率越低则唤醒接收机的功耗越低。本发明的两级唤醒接收机5为两级唤醒接收机。依据受限的功耗需求，通过合理的配置接收机的带宽以及相关的电路设计参数，可以分别解调出自定义的极低数据率的唤醒序列和较低数据率的唤醒序列。最终利用唤醒使能信号生成模块6判断是否开启控制开关7，若控制开关7开启则主通信收发机8开始工作，接入点进入到正常通信状态。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义的唤醒序列是由自定义的信源数据序列按照通信协议的规定而编码和调制后生成的。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义的唤醒序列的时域波形是频率极低的振幅键控（ASK）信号或其简化形式ON-OFF-Keying（OOK）信号。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义的唤醒序列依据通信协议的规定生成极低速和较低速两种数据率的数据。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义的唤醒序列中的极低速数据序列传输接入点的分组信息序，较低速数据序列传输接入点的身份识别（ID）信息。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义的唤醒序列长度受限于协议规定的通信延迟时间以及传递唤醒序列的数据速率。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其两级唤醒接收机的待机功耗处于微瓦的量级。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义唤醒序列信号处理过程参见附图2所示。唤醒序列的信号处理分为唤醒序列生成16，唤醒序列解调17，唤醒序列判断18，最终得到使能输出信号19。发射端按照通信协议的规定方式编码，利用自定义的“信源1”（“数据组1”）10和“信源2”（“数据组2”）11得到一组由分组序列12和身份识别ID序列13构成唤醒序列生成16，并经由射频前端上变频后经天线发射；在通信协议规定的调制方式下，分组序列12以极低速传输14，而ID序列13以较低速传输15。与此同时，每一个接入点预先设置好唤醒的分组序列和ID身份序列。在唤醒序列解调17模块，两级唤醒接收机分别解调出解调的分组序列21和解调的ID序列20。然后将解调的序列和本地存储的序列进行唤醒序列判断18，判断结果的输出信号为使能输出信号19。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其接收机架构参见附图3所示。包括：依次连接的接收端天线22、射频模拟前端23、信号检测模块24、信号处理模块25、1位模数转换模块26，最后得到解调信号27。接收端天线22接收信道传递的信号，首先经由射频模拟前端23实现对输入信号的预处理。预处理后的输入信号经信号检测模块24完成信号检测后，再经过信号处理模块25并经由1位模数转换模块26得到解调信号27。其中，参考电压28为输出电平“0“和“1”的判决电平。
本发明所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其工作流程如下（参见附图4所示）：
（1）初始时刻，接收端两级唤醒接收机处于待机睡眠状态29，两级唤醒接收机处于待机状态且功耗极低的模式下工作。在发射端，唤醒序列中的分组序列和 ID序列分别以不同的数据率传输。与此同时，每一个接入点预先设置好用于唤醒的分组序列和用于身份识别的ID序列；
（2）接收端两级唤醒接收机只能通过极低速率数据解调31解调极低速数据率的序列信息得到解调的分组信息；
（3）判别器32判断解调的分组信息是否与预先存储的接入点的分组信息30一致。若一致，则触发较低速率数据解调34开始工作，两级唤醒接收机由待机模式无缝切换到ID识别模式，否则保持在待机模式29；
（4）若ID识别解调模块触发工作后，接收端两级唤醒接收机可以通过较低速率数据解调34解调较低速数据率的序列信息得到解调的ID信息；
（5）判别器35判断解调的ID信息是否与预先存储的接入点ID信息33一致。若一致则触发主通信收发机36开始正常的通信工作，否则将回到待机模式29，等待下一次触发；
（6）若主通信接收机正常工作36后，基站端和接入点之间正常通信。
本发明的优势：提出的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统可以被应用到现有的中、短距离无线通信协议支持下的物联网、无线传感网络中。此系统降低了接入节点的待机功耗，延长了接入节点的寿命，从而大大的降低了整个无线传感器网络的功耗和成本。其应用范围适合于大多数的中、短距离无线通信协议，无论是不同长度的帧结构，或者是特殊的调制方式如OFDM等，其均可以通过合理的信源序列编码调制而得到低速的唤醒序列信号。
附图说明
图1为自定义唤醒序列的两级唤醒接收机系统结构的示意图。
图2为自定义唤醒序列的两级唤醒接收机的唤醒序列时域信号处理示意框图。
图3为两级唤醒接收机的结构示意图。
图4为自定义唤醒序列的两级唤醒接收机的工作流程示意图。
图5为自定义唤醒序列的两级唤醒接收机的功耗分布示意图。待机监控模式的功耗最低，ID信息识别模式的功耗次之，而主通信收发机的功耗最大，平均功耗略高于待机功耗。
图中标号：1-信源，2-编码及信号处理模块，3-发射机射频前端，4-通信信道，5-两级唤醒接收机，6-唤醒使能信号生成模块，7-控制开关，8-主通信收发机，22-接收端天线，23-两级唤醒接收机射频前端，24-信号检测，25-信号处理电路，26-1位模数转换器，27-唤醒序列数据，28-输出电平判决参考电压。
具体实施方式
本发明的基本思想是：在发射端利用通信协议规定的编码和调制方式设定出时域上的低速的数据序列使其作为自定义的唤醒序列，并且根据数据帧格式的特点设计出两种不同数据率的时域波形；在接收端，由极低功耗的两级唤醒接收机实现对两种不同数据率的信号的解调；并由判决器判断是否与本地预存的唤醒序列匹配，最终得到是否唤醒主通信接收机的使能信号。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
为了更详细的说明本发明的内容，这里结合具体实例进行说明。
在本案例中，所产生的唤醒序列是依据IEEE802.11a/ah的通信协议。利用数据帧的组合和变化通过16-QAM和OFDM的调制方式生成两种数据率分别为5kbps和125kbps的唤醒序列为例进行说明。本领域的技术人员皆知，此仅为一举例，并非用来限制本发明的范围。
在本实施例中，依照802.11a/ah协议规定，在发射端信源1处，选取自定义的信源数据“数据组1”10生成时域里极低速周期变化的高电平“1”和低电平“0”的波形，比如“数据组1”10为一帧全为“0”的数据代表高电平“1”和“数据组1”10为一帧全“1”的数据代表低电平“0”，依此法即可以得到唤醒序列生成16中的分组序列12；选取自定义的信源数据“数据组2”11生成时域里较低速周期变化的“1”和“0”的波形，比如数据“数据组2”11组成的一帧数据中每一个符号长度的数据全为“0”的数据代表高电平“1”或者数据“数据组2”11组成的一帧数据中每一个符号长度的数据全为“1”的数据代表低电平“0”，依此即可以得到唤醒序列生成16中的ID序列13。依照802.11a/ah协议规定的一帧数据的时间长度约为96us，一个符号长度时间为4us。若以一帧数据作为一比特的唤醒序列中的分组序列12的数据率约为5kbps。若以一帧数据中的每一个符号长度作为一比特的唤醒序列中的ID序列13的数据率约为125kbps。
发射端编码及信号处理2模块负责对自定义的信源进行编码和调制以得到时域里的极低速数据率和较低速数据率的自定义唤醒序列，即就是得到唤醒序列生成16中的分组序列12和ID序列13的过程。编码和调制后的信号经由发射机射频前端3发射，通信信道4负责信号的传输。
在接收端，天线22接收信号，经由两级唤醒接收机5中的射频模拟前端23负责对自定义的唤醒序列进行信号检测24和信号的处理25，并经过1位ADC 26解调出两类唤醒使能信号：解调出的分组序列21和解调的ID序列20。并由唤醒使能生成模块6中的唤醒序列判断18得到最终的使能输出信号，以判断是否使能主通信收发机8正常工作。
本发明的两级唤醒接收机系统的工作流程如下：
（1）初始时刻，接收端两级唤醒接收机处于待机睡眠状态29，两级唤醒接收机仅处于待机状态且功耗极低的模式下工作。基于通信协议规定的调制方式，在发射端，唤醒序列中的分组序列12以5kbps的数据率传输，唤醒序列中的ID序列13以125kbps的数据率传输。与此同时，依照802.11a/ah协议规定，可以为每一个接入点预先设置好4位用于唤醒的分组序列和20位用于身份识别的ID序列；
（2）接收端的两级唤醒接收机，仅极低速率数据解调31模块在工作，因此只能解调出以极低速率5kbps数据率传递的分组序列数据，解调得到的结果为极低速数据率的分组信息；
（3）判别器32判断解调的分组信息是否与预先存储的接入点的分组信息30一致。若一致，则触发较低速率数据解调34开始工作，两级唤醒接收机由待机模式无缝切换到ID识别模式，否则保持在待机模式29；
（4）若ID识别模块触发工作后，较低速率数据的解调34可以解调出以较低速率125kbps数据率传递的ID序列数据，解调得到的结果为较低速数据率的ID信息；
（5）判别器35判断解调的ID信息是否与预先存储的接入点ID信息33一致。若一致则触发主通信收发机36开始正常的通信工作，否则将回到待机模式29，等待下一次触发；
（6）若主通信接收机正常工作36后，基站端和接入点之间正常通信。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的应用范围，且案例中的具体数据只能作为特殊举例而不可限制于此。本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于由发射端的信源（1），编码及信号处理模块（2），发射机射频前端（3）、通信信道（4），两级唤醒接收机（5），唤醒使能信号生成模块（6），控制开关（7），主通信收发机（8）组成；其中，发射端信源（1）为自定义的数据组合序列；发射端编码及信号处理模块（2）负责对自定义的信源进行编码和调制以得到时域里的低速数据率的自定义唤醒序列；发射机射频前端（3）负责已调信号的发射，通信信道（4）负责信号的传输，两级唤醒接收机（5）负责对自定义的唤醒序列进行检测和判断，唤醒使能信号生成模块（6）负责使能主通信收发机（8），控制开关（7）负责接收天线与主通信收发机（8）的通断，主通信收发机（8）为数据通信模块，其产生通信数据（9）；
其中，利用信源（1）中的自定义数据序列，依照通信协议在编码及信号处理模块（2）中生成时域中极低速数据率的序列信号和较低速数据率的序列信号这两种信号；并通过发射机射频前端（3）发射到通信信道（4）；系统利用极低速数据率的数据传输接入节点的第一级唤醒分组信息，利用较低速数据率的数据传输接入节点的第二级唤醒身份识别ID信息；接收端的唤醒接收机的功耗与传递序列的数据率相关，序列数据率越低则唤醒接收机的功耗越低；所述的唤醒接收机为两级唤醒接收机；依据受限的功耗需求，通过合理的配置接收机的带宽以及相关的电路设计参数，可以分别解调出自定义的极低数据率的唤醒序列和较低数据率的唤醒序列；最终利用唤醒使能信号生成模块（6）判断是否开启控制开关（7），若控制开关（7）开启则主通信收发机（8）开始工作，接入点进入到正常通信状态。
2.根据权利要求1所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于自定义的唤醒序列由自定义的信源数据序列按照通信协议的规定而编码和调制后生成。
3.根据权利要求1所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其自定义的唤醒序列的时域波形是数据率极低的振幅键控信号或其简化形式ON-OFF-Keying信号。
4.根据权利要求1所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于自定义的唤醒序列依据通信协议的规定生成极低速和较低速两种数据率的数据。
5.根据权利要求1所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于自定义的唤醒序列长度受限于协议规定的通信延迟时间以及传递唤醒序列的数据速率。
6.根据权利要求1所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于所述的自定义唤醒序列信号处理过程分为：唤醒序列生成，唤醒序列解调，唤醒序列判断，最终得到使能输出信号；发射端按照通信协议的规定方式编码，利用自定义的“信源1”和“信源2” 得到一组由分组序列和身份识别ID序列构成的唤醒序列，并经由射频前端上变频后经天线发射；在通信协议规定的调制方式下，分组序列以极低的数据率传输，而ID序列以较低速的数据率传输；与此同时，每一个接入点预先设置好唤醒的分组序列和ID身份序列；在唤醒序列解调模块，两级唤醒接收机分别解调出解调的分组序列和解调的ID序列；然后将解调出的序列和本地存储的序列进行唤醒序列判断，判断结果的输出信号为使能输出信号。
7.根据权利要求1所述的自定义唤醒序列的极低功耗两级唤醒接收机系统，其特征在于接收端包括：依次连接的接收端天线、射频模拟前端、信号检测模块、信号处理模块、1位模数转换模块；接收端天线接收信道传递的信号，首先经由射频模拟前端实现对输入信号的预处理；预处理后的输入信号经信号检测模块完成信号检测后，再经过信号处理模块并经由1位模数转换模块得到解调信号；其中参考电压为输出电平“0”和“1”的判决电平。
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