CN106102096A - 用于超低功率模式传输的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及用于超低功率模式传输的系统及方法。揭示用于无线通信网络(100)中的超低功率装置的时隙分配布置。使用各种指示符将被分配到超低功率装置(140、150)唤醒帧的时隙识别为超低功率时隙。所述超低功率时隙被分配为基于争用的时隙而允许所述无线网络(100)中的超低功率装置(140、150)扩展用于与所述网络同步的间隔，从而克服无线通信网络(100)的短同步间隔要求，从而通过保存与所述无线通信网络(100)的频繁同步所需的电力来显著地改进电池寿命。

Description

用于超低功率模式传输的系统及方法
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2015年4月28日申请的第62/153,802号美国临时专利申请案的优先权，所述美国临时专利申请案出于所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及无线通信领域，且更特定来说，涉及低功率无线通信网络的领域。
背景技术
在无线通信网络中，网络控制元件或协调器发射包含信息的周期性信标以促进与为无线通信网络的部分或打算加入无线通信网络的各种无线装置或节点通信。信标中的信息可识别待用于任何特定时间处的通信的频道、何时发送此信标的时序信息、链路信息及其它网络及与通信相关参数等等。无线装置或节点可将此信息用于无线通信网络中的数据传输。为在无线通信网络中通信，需要装置及节点与信标发射时序同步，使得它们能够及时接收信标且能够在网络中通信。
无线网络中的信标接收及同步取决于装置及节点中所使用的时钟晶振的精确度。信标发射的周期性经选择使得可在失去同步之前接收信标。举例来说，在约40ppm的典型时钟晶振精确度及传输帧中的2msec保护时间间隔下，需要约每隔25秒发射信标。这要求装置及节点每隔25秒唤醒及接收信标。对于(例如)每隔30分钟或每隔一小时传输数据的装置及节点，以每25秒间隔唤醒显著地降低功率效率。
一般来说，装置及节点基于电池电力操作。期望这些电池能持续较长时间；然而，在频繁唤醒以接收信标进行同步的情况下，即使在没有待传输的数据时，这些装置及节点也快得多地释放电池电力。无线网络(例如(举例来说)IEEE 802.15.4e-时隙化信道跳跃(TSCH)、无线传感器网络(WSN)及类似网络)需要保存电池电力，使得装置及节点能够操作较长的时间而无需频繁地更换电池。
参看图1，说明基于TSCH的无线网络的常规时隙操作。传输时间被散布到隙帧中，其中每一隙帧包含时隙(或隙)。在分配的时隙期间，装置及节点使用各种不同的信道在网络中通信。举例来说，如果节点A及节点B被分配隙帧1中的时隙3以与彼此通信，那么它们可使用信道3通信；然而，如果节点A及节点B被分配隙帧2中的时隙4，那么它们可使用信道5通信等等。
参看图2，说明基于TSCH的无线网络的常规时隙操作的时间线。在接收侧处添加约2msec的保护时间。保护时间与同步间隔及时钟晶振精确度的关系给定如下：
Synchronization_interval＝guard_time/(2*clock_accuracy)
表1说明呈现约2msec保护时间间隔的TSCH的针对不同晶振精确度的同步间隔。如所说明，具有约40ppm的晶振精确度的装置/节点，需要约每隔25秒与网络同步。
晶振精确度(ppm) 20 30 40 50 60
同步间隔(sec) 50 33 25 20 16
表1：TSCH的针对不同晶振精确度的同步间隔。
为加入无线通信网络，装置/节点扫描由网络元件或网络协调器发送的信标的传输信道。信标包含关于由装置/节点用来在网络中建立通信链路的共享及专用隙(或时隙)的信息。一旦装置/节点加入网络，那么其开始使用专用隙且有时使用共享隙向网络协调器报告数据。
装置/节点处执行的应用的类型确定向协调器节点报告的数据的频率。举例来说，一些应用可能需要每隔30分钟或每隔一小时或每天一次等等报告数据。对于这些装置/节点，必须比报告数据所需更频繁地与网络同步(例如每隔25秒)需要显著的电力使用且使装置/节点功率低效。
发明内容
根据实施例，揭示一种装置。所述装置包含收发器及耦合到所述收发器的处理器。所述处理器经配置以确定无线网络同步时间周期，及如果所述无线网络的同步时间周期比预定的时间周期短那么将用于传输帧的时隙识别为超低功率时隙。
根据另一实施例，揭示一种方法。所述方法包含：确定无线网络同步时间周期；及如果所述无线网络的同步时间周期比预定的时间周期短那么将用于传输帧的时隙识别为超低功率时隙。
根据又另一实施例，揭示一种网络元件。所述网络元件包含：收发器，其经配置以发射及接收无线网络中的数据；及处理器，其耦合到所述收发器且经配置以确定网络装置的数据传输时间及如果所述无线网络的同步时间比所述网络装置的数据传输时间间隔短那么将用于从所述网络装置接收帧的时隙识别为超低功率时隙。
附图说明
图1说明基于TSCH的无线通信网络的常规时隙操作。
图2说明基于TSCH的无线网络的常规时隙操作的时间线。
图3A说明根据实施例的示范性无线通信网络。
图3B说明根据实施例的无线通信网络中的网络节点的示范性结构。
图4说明根据实施例的用于在无线通信网络中以超低功率模式传输数据的流程图。
具体实施方式
以下描述提供用于实施标的物的不同特征的许多不同实施例或实例。这些描述仅出于说明性目的且并不限制本发明的范围。
根据实施例，揭示克服无线通信网络的短同步间隔要求的时隙分配布置。使用各种指示符将被分配到超低功率装置唤醒帧的时隙识别为超低功率时隙。将超低功率时隙分配为基于争用的时隙而允许无线网络中的超低功率装置扩展用于与网络同步的间隔以克服无线通信网络的短同步间隔要求，从而通过保存电力来显著地提高电池寿命。
参看图3A，说明根据实施例的网络100。网络100包含网络协调器110、中间节点INM(1)到(n)及叶节点LN(1)到(n)。中间节点INM(1)到(n)是提供叶节点LN(1)到(n)到网络协调器110的通信路径的节点。从叶节点到网络协调器可存在一个或一个以上跳跃连接，例如(举例来说)，叶节点LN(1)必须经过仅一个中间节点INM(1)以到达网络协调器110，而叶节点LN(2)及LN(3)在到达网络协调器110之前必须跳跃通过两个中间节点INM(2)及INM(3)。类似地，基于任何特定网络配置，在叶节点与网络协调器之间可存在许多中间节点。
当新节点(叶节点或中间节点)加入网络100时，此时基于网络100的网络通信协议，新节点扫描传输信道以搜索由网络协调器广播的信标且确定其可用来与网络协调器建立信任的时隙。一旦新节点与网络协调器建立信任且加入网络100，网络协调器可将专用链路及时隙分配到新节点以将数据发送到网络协调器及网络中的其它节点。
参看图3B，根据实施例说明无线网络100中的网络节点(叶、中间或协调器)的示范性结构。网络100包含网络元件110，其作为用于网络100的网络协调器。网络元件110可为任何无线通信网络元件(例如，接入点、网络中继器、网络扩展器、无线路由器或能够连接到网络的任何其它装置)且提供到各种装置的无线通信连接。网络元件110包含收发器112、处理器114、存储装置116及天线118以及各种其它系统组件。尽管为进行解释而展示简单的元件；然而，网络元件110可具有各种其它系统组件及多个元件，举例来说，网络元件110可具有多个处理器、天线、存储装置、收发器、显示器、用户接口及类似物。
网络元件110可通信地耦合到后端网络装置120及网络130。网络元件110可耦合到各种其它网络及系统以提供网络服务，举例来说，可将网络元件110连接到内容服务器、因特网、蜂窝式网络、媒体服务提供商、路由器及类似物。此外，可经由有线或无线通信链路或其组合将网络元件110连接到这些系统。网络100包含各种无线通信装置，例如(举例来说)中间节点140及叶节点150。尽管出于示范性目的，仅展示一个中间节点及叶节点；然而，网络100可具有多个中间节点及叶节点，例如(举例来说)如图3A中所说明。网络100还可包含能够与网络元件110无线地通信的许多其它装置，例如控制系统、打印机、消费者电子装置及各种其它装置及系统。此外，网络元件110也可通信地耦合到网状网络或其它类型的网络方案中的其它网络元件。网络元件(例如中间节点140及叶节点150)中的每一者还可包含各种其它系统组件，例如收发器142、152、处理器144、154、存储装置146、156及如同显示器、键盘、天线、其它用户接口及类似物(未展示)的其它组件。
根据实施例，网络协调指定传输链路且将一或多个通信时隙指定为基于争用的时隙。将这些时隙用作超低功率时隙(ULPT)。这些隙不同于由网络中的各种节点用来传输封包/帧/数据的共享时隙。网络协调器定义用于中间及叶节点的信息元素以请求及识别时隙为基于争用的时隙。举例来说，IEEE 802.15.4e定义用于时隙化信道跳跃(TSCH)协议的链路信息元素(链路IE)，如表2中所说明。
八位位组 2 2 1
信息 时隙 信道偏移 链路选项
表2：链路IE
链路IE为五个八位位组长。前两个八位位组包含关于传送信息所使用的时隙的信息。接下来两个八位位组包含关于确定待用于通信的传输信道所使用的信道偏移的信息。局部地使用最后八位位组以指示链路是否为传输(TX)链路、接收(RX)链路或共享链路。当前，保留TSCH协议中的最后八位位组的部分。根据实施例，可使用最后八位位组的保留部分来指示被分配到节点的链路是否用于超低功率时隙(ULPT)。
当节点(例如叶节点)从非活动状态唤醒时，此时其向网络协调器请求传输资源以将数据及报告传输到网络协调器及网络中的其它节点。网络协调器分配包含传输链路及时隙的传输资源，叶节点可使用所述传输资源来传输数据。分配链路可具有相关联的寿命计时器。所述寿命计时器为在其期间叶节点可使用分配链路的时间周期。当寿命计时器期满时，叶节点不再具有对数据传输可用的分配链路。
可将被分配到节点(例如叶节点)的时隙指定为ULPT。分配时隙的指定可基于节点上所执行的应用。举例来说，如果网络需每隔25秒的同步；然而，执行于节点上的应用需要每隔一小时的数据传输，那么节点无需浪费电力资源以每隔25秒进行同步。其可将其分配时间识别为基于争用的时隙，因此其可等待以与网络同步且无需专用时隙。可由包含网络协调器的网络中的任何节点使用链路IE完成分配时隙的指定。网络协调器还可基于其叶节点知识、运行于叶节点上的应用及其传输调度将分配时隙指定为ULPT。因为这些时隙被指定为基于争用的时隙，所以图2中所说明的常规时隙结构并不适用于ULPT传输。在ULP时隙中的传输期间，节点争用ULP唤醒帧的传输，如表3中所说明。
表3：ULP唤醒帧。
表3中所说明的唤醒帧类似于由802.15.4e定义的唤醒帧。根据实施例，定义新的帧类型。新的帧类型可指示唤醒帧是ULP唤醒帧。帧类型可由任何指定(例如，帧类型110或类似物)指示。根据另一实施例，揭示待添加到标准唤醒帧字段的额外字段“TimeslotEnd”。Timeslot End字段基于节点(例如叶节点)的估计指示相对于唤醒帧何时发送的时隙的结束。可由接收节点(例如，中间节点或网络控制节点等等)使用此估计时间以估计叶节点的ACK响应所需的时间校正。
为传输唤醒帧，叶节点争用传输信道。如果在ULP时隙期间存在冲突，那么叶节点可使用退避机制(例如(举例来说)指数退避或类似物)，且在退避时间期满时，叶节点再次争用传输信道。在叶节点加入网络或与网络相关联时可协商退避窗的时间，或可由网络控制节点在其控制消息(例如(举例来说)信标帧)中授权退避窗的时间。
如图2中所说明，可由耦合到叶节点(例如中间或协调器/根节点)的中间节点(或母节点)使用Rx保护时间。如果时隙时序的结束基于叶节点估计使叶节点能够做以下操作，那么叶节点可在ULP时隙中传输数据，操作如下：
如上文所陈述，当接收器节点从发送器节点接收数据时，此时其基于唤醒帧的TimeslotEnd字段值中接收到的时序校正信息计算用于传输确认(ACK)的时间。此可与ULP唤醒帧及接收ULP唤醒帧的母节点中的TimeslotEnd值不同。ACK帧还包含关于用于来自ULP叶节点及绝对隙编号(ASN)或到ULP叶节点及绝对隙编号(ASN)的任何额外传输的时隙分配的信息。
在示范性实施例中，为发送约1280字节的数据帧(例如以IEEE 802.15.4g)，时隙大小可大于200msec。ULP唤醒帧及ACK的传输可能需要约20到30msec(包含帧间间距)。这留下可由ULP叶节点用来传输这些帧的约170msec的传输时间。从而导致相对于旧有TSCH保护时间及同步间隔的约85倍的改进。在示范性实施例中，这可导致用于ULP叶节点的约18分钟同步间隔，其允许叶节点通过不在18分钟之前与网络同步来节省更多电力。
在某些情况中，如果每隔一小时左右需要节点传输，那么每隔18分钟进行同步可能仍然太频繁。为进一步降低同步频率或增加同步间隔，网络控制节点(根节点)可对连续时隙进行分组且将其分配到ULPT时隙。因此，对于3个级联时隙，同步间隔将大于3700sec。这导致ULP叶节点每隔约一小时进行同步。类似地，为提供不同的同步间隔，根/协调器节点可基于特定应用及隙帧的大小及所支持的网络对分配给ULP叶节点的不同连续时隙进行分组。此方法显著地增加用于同步化信道跳跃网络中的叶节点的同步间隔，从而得到更高的功率效率及更长的电池寿命。
参看图4，说明用于在无线通信网络中以超低功率模式传输数据的流程图。在410处，装置或网络元件(例如，叶节点或类似物)确定无线通信网络的网络同步时间周期。如上文所陈述，可由网路协调器且根据网络节点的时钟晶振精确度确定网络同步时间。在420处，装置确定网络同步时间周期是否小于预定的时间周期。预定的时间周期可为执行于装置上的应用的数据传输时间间隔。可存在执行于装置上的多个应用且考虑到针对每一应用传输数据的需要，装置可相应地调整预定的时间周期以确保装置与网络同步以进行数据传输。如果网络同步时间周期需求不小于预定的时间间隔，那么装置继续到480以与网络同步且如果需要在490处传输数据。
当网络同步时间周期小于传输数据所需要的时间间隔时，此时为避免频繁的网络同步，装置将其唤醒帧时隙识别为超低功率时隙(ULPT)。如上文所陈述，可由网络协调器节点也基于叶节点的数据传输调度、时钟晶振精确度及类似物确定作为ULPT的唤醒帧时隙的识别。当时隙被识别为ULPT时，此时时隙不再为专用的，且叶节点必须争用时隙以传输唤醒帧。基于争用的时隙允许叶节点延迟同步且提高功率效率。在450处，装置确定时隙是否可用于传输，且如果时隙是不可用的，那么装置启动如上文所解释的退避机制且在440处再次争用时隙。退避可在第一次检查时隙时开始以避免冲突。如果时隙为可用的，那么在470处，装置传输唤醒帧且在480处与网络同步且在490处传输数据。
前述内容概述数个实施例的特征，使得所属领域的一般技术人员可较佳地理解本发明的各种方面。所属领域的一般技术人员应了解，他们可容易地使用本发明作为设计或修改其它过程及结构以用于实施相同目的及/或实现本文中所引入的各种实施例的相同优点的基础。所属领域的一般技术人员也应认识到，此类等效构造不背离本发明的精神及范围且在不背离本发明的精神及范围的情况下他们可在本文中进行各种改变、替换及更改。
尽管已使用专用于结构特征或方法学动作的语言描述标的物，但应理解，所附权利要求书的标的物并不一定限于上文所描述的特定特征或动作。而是，将上文所描述的特定特征及动作揭示为实施至少一些权利要求的实例形式。本文提供实施例的各种操作。描述操作的部分或所有的次序不应被解释为暗示这些操作必须是取决于次序的。应了解，替代的次序受益于此描述。此外，应理解，并非所有操作都必须存在于本文所提供的每一实施例中。而且，应理解，在一些实施例中并非所有操作都是必要的。
此外，本文中使用“示范性”意味着用作实例、例子、说明等等且不一定作为优点。而且，尽管已关于一或多个实施方案展示及描述本发明，但基于对此说明书及附图的解读及理解所属领域的一般技术人员将设想出等效更改及修改。本发明包括所有此类修改及更改且仅受限于所附权利要求书的范围。特定来说，关于由上文所描述的组件(例如元件、资源等等)所执行的各种功能，除非另外指示，否则希望描述此类组件所使用的术语对应于执行所描述的组件(例如，其在功能方面为等效的)的指定功能的任何组件，即使在结构上并不等效于所揭示的结构。另外，尽管已关于数个实施方案中的仅一者揭示本发明的特定特征，但此类特征可如对于任何给定或特定应用来说可为期望的或有利的那样与其它实施方案的一或多个其它特征组合。

Claims (20)

1.一种装置，其包括：
收发器；及
处理器，其耦合到所述收发器且经配置以：
确定无线网络同步时间周期，及
如果所述无线网络的同步时间周期比预定的时间周期短，那么将用于传输帧的时隙识别为超低功率时隙。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器进一步经配置以使用所述超低功率时隙将唤醒帧传输到所述无线网络中的网络元件。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述超低功率时隙是基于争用的时隙。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述处理器通过在链路信息元素中设置将用于传输所述唤醒帧的链路指示为超低功率时隙链路的指示符来将所述时隙识别为超低功率时隙。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述唤醒帧包含将所述唤醒帧指示为所述超低功率唤醒帧的帧类型指示符。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述超低功率唤醒帧包含时隙结束字段，其包含指示关于所述超低功率唤醒帧被传输到所述无线网络中的所述网络元件的时间的所述超低功率时隙的结束的时间周期。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述帧类型指示符包含于所述唤醒帧的帧控制字段中。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述预定的时间周期是执行于所述装置上的应用的数据传输时间间隔。
9.一种方法，其包括：
确定无线网络同步时间周期；及
如果所述无线网络的同步时间周期比预定的时间周期短，那么将用于传输帧的时隙识别为超低功率时隙。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：
在所述超低功率时隙中将唤醒帧传输到所述无线网络中的网络元件。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：
将所述超低功率时隙识别为基于争用的时隙。
12.根据权利要求11所述的方法，其中将用于传输所述唤醒帧的所述时隙识别为超低功率时隙进一步包括：
在链路信息元素中设置将用于传输所述唤醒帧的链路指示为超低功率时隙链路的指示符。
13.根据权利要求10所述的方法，其中所述唤醒帧包含将所述唤醒帧指示为所述超低功率唤醒帧的帧类型指示符。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述唤醒帧包含时隙结束字段，其包含指示关于所述超低功率唤醒帧被传输到所述无线网络中的所述网络元件的时间的所述超低功率时隙的结束的时间周期。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述帧类型指示符包含于所述唤醒帧的帧控制字段中。
16.一种网络元件，其包括：
收发器，其经配置以发射及接收无线网络中的数据；及
处理器，其耦合到所述收发器且经配置以：
确定网络装置的数据传输时间，及
如果所述无线网络的同步时间比所述网络装置的数据传输时间间隔短，那么将用于从所述网络装置接收帧的时隙识别为超低功率时隙。
17.根据权利要求16所述的网络元件，其中
在所述超低功率时隙中传输唤醒帧，且
所述超低功率时隙是基于争用的时隙。
18.根据权利要求17所述的网络元件，其中所述唤醒帧包含将所述唤醒帧指示为所述超低功率唤醒帧的帧类型指示符。
19.根据权利要求17所述的网络元件，其中所述唤醒帧包含时隙结束字段，其包含指示关于从所述网络装置接收到所述唤醒帧的时间的所述超低功率时隙的结束的时间周期。
20.根据权利要求18所述的网络元件，其中所述帧类型指示符包含于所述唤醒帧的帧控制字段中。
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