CN107682921A - 无线终端的低功耗唤醒方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线终端的低功耗唤醒方法，其解决了现有无线终端的低功耗唤醒方法终端设备的探测窗口时间长、系统功耗大和通信成功率低的技术问题，用于在主设备有需求时，将某个终端设备或所有终端设备唤醒并发送数据，包括以下步骤：S1.主设备根据欲通信的终端设备的二进制ID号，使用编码器编码生成作为唤醒码的伪随机序列码，主设备将伪随机序列码调制成射频信号向空间广播，编码器为二进制线性反馈移位寄存器。本发明可广泛应用于通信技术领域。

Description

无线终端的低功耗唤醒方法

技术领域

本发明涉及一种唤醒方法，特别是涉及一种无线终端的低功耗唤醒方法。

背景技术

随着人类社会活动的信息化和通信技术的发展，传统设施越来越倾向于网络化、无线化。物联网被人们视为继计算机、互联网之后信息技术产业发展的第三次革命。无线短距离通信方式是物联网的主要通信方式之一，随着物联网终端通信设备应用越来越广，电池供电的设备越来越多，对功耗的要求更加苛刻。因此开发人员必须注重射频IC与MCU的待机电流、唤醒方式和运行模式，即无线通信终端定期开窗接收来自于集中器的唤醒码，唤醒成功后开始数据交互，未被唤醒则处于低电流的睡眠状态。

无线网络低功耗技术分为两个层面：硬件电路低功耗和系统网络低功耗。其中，无线终端设备采取睡眠-探测模式可以降低系统网络的功耗，引入睡眠-探测模式的无线通信系统，同等睡眠-探测周期的条件下，终端的睡眠时间越长，则平均能耗越低。

当前，唤醒无线终端的主流方法有带地址回传、带地址无回传的数据包唤醒法，为保证无线终端能够完整地接到唤醒码，这两种方法要求终端探测窗口时间为带地址的唤醒码的两倍长度，且带地址有回传的唤醒方法需要所有设备的时间上同步，否则易产生数据冲撞。

使用线性反馈移位寄存器编码产生的伪随机序列码作为唤醒码，并使用对应的解码器进行解码，将终端设备地址和控制指令包含在线性反馈移位寄存器的反馈抽头中，类似于一种带地址无回传的唤醒方法。这种方法缩短了终端探测窗口时间，降低了功耗，且不会产生数据冲撞。当前利用伪随机序列码进行通信有如下两种方法：

1.主设备使用将终端设备ID和指令作为反馈抽头的线性反馈移位寄存器，编码产生伪随机序列码，终端设备采用多个解码器解码，根据每个解码器的输出结果判断指令是否对应本机以及对本机的操作。这种方法不能避免误唤醒的问题，由于将指令也包含在伪随机码中，一旦设备被误唤醒，即出现误操作。

2.主设备使用将终端设备ID作为反馈抽头的线性反馈移位寄存器，编码产生伪随机序列码，终端设备采用自身ID作为抽头的解码器进行解码，解码判定为唤醒后，将此时其移位寄存器内的码元存储命名为序列L。然后终端设备用自身ID作为反馈抽头的线性反馈移位寄存器产生伪随机序列码(其移位寄存器初值与主设备相同)，并设变量k＝0。然后进行与主设备相同的编码运算，移位寄存器每移动一位，k加1，同时寄存器内的值会发生变化，将寄存器内的值与L比较，不等则继续移位并k加1，直到寄存器内的值与L相等为止，这时得到非零值k，如果波特率为b，则终端设备的探测窗口期与主设备开始发送唤醒码的时刻之间的差值为k/b。如果处理器运算和处理的时间比较长，因时间基准精度的要求不能忽略，则需要对计算时间进行补偿。在不考虑计算时间补偿的情况下，主机开始发送唤醒码的时刻位于接收到序列L的时刻之前k/b。等待时间计算为T_w＝T_s-k/b，其中T_s为发送伪随机码的时长，为保证所有终端设备都能在探测时间内收到用于唤醒的伪随机序列码，发送伪随机序列码的时长应大于一个睡眠时间和两个探测时间的总和。实际应用中，在伪随机序列码的一个周期内发送时间应≥T_s，即在T_s的发送时间内，最多只能发送一个周期内的序列码，否则时间计算可能会出错，因为无法断定L来自于T_s内第几个伪随机序列码周期。这将对波特率，终端设备的睡眠-探测周期产生严重的限制。又由于线性反馈移位寄存器产生的非最大长度序列周期不能确定，为保证这种方法量化时的可靠性，伪随机序列码需要采用最大长度序列，即其线性反馈移位寄存器反馈抽头需从同阶的本原多项式系数中提取，这又限制了作为线性反馈移位寄存器抽头的ID号。另外对处理器计算时间的补偿如不精确就会造成时间不同步，从而造成误读数据的情况。

发明内容

本发明针对现有无线终端的低功耗唤醒方法终端设备的探测窗口时间长、系统功耗大和通信成功率低的技术问题，提供一种探测窗口时间短、系统功耗小和通信成功率高的无线终端的低功耗唤醒方法。

为此，本发明的技术方案是，用于在主设备有需求时，将某个终端设备或所有终端设备唤醒并发送数据，包括以下步骤：

S1.主设备根据欲通信的终端设备的二进制ID号，使用编码器编码生成作为唤醒码的伪随机序列码，主设备将伪随机序列码调制成射频信号向空间广播，编码器为二进制线性反馈移位寄存器；

S2.终端设备待机时，按预先设定好的睡眠-探测周期交替进入睡眠、探测状态，在探测状态期间接收数据并解码，其接收的数据可以是伪随机序列码的任意一段；若解码结果判定为未唤醒，则进入睡眠-探测周期；若解码结果判定为被唤醒，则终端设备在探测状态结束后，进入前导检测状态；

S3.主设备将伪随机序列码发送完毕后，发送同步前导码，之后发送协议数据；同步前导码分为两个部分，第一部分为区别于伪随机序列码任意一段码元的特征码，第二部分为约定的同步码；

S4.被唤醒的终端设备，若在前导检测状态时段内未接收到同步前导码，则进入睡眠-探测的周期循环，若接收到同步前导码，则对其进行解码判断；若判断到同步前导码的码元与约定的同步码相同时，即认为同步完成，终端设备进入协议数据接收状态，接收到协议数据即与主设备通讯，否则进入睡眠-探测的周期循环。

优选地，步骤S1中的二进制线性反馈移位寄存器的阶数由欲通讯的终端设备的ID号长度决定，二进制线性反馈移位寄存器的反馈抽头由欲通讯的终端设备的二进制ID号确定，二进制线性反馈移位寄存器的初始值不全为0也不全为1。

优选地，步骤S2中的终端设备使用的解码器反馈抽头由终端设备自身的二进制ID号确定。

优选地，步骤S3、S4中的协议数据包含欲通讯的终端设备的ID号。

优选地，若主设备对所有的终端设备有通讯需求，则地址字为约定的广播ID号。

优选地，终端设备设有两个解码器，其中一个解码器以终端设备ID号作为反馈抽头，另一个解码器以广播ID号作为反馈抽头，接到的码元分两路，由两个解码器同时解码，判断是否被唤醒。

优选地，步骤S1中，主设备发送伪随机序列码的时长大于终端设备的睡眠-探测周期时长和探测周期时长的总和。

优选地，步骤S2、S4中，前导检测状态时长大于等于终端设备的睡眠-探测周期时长和主设备发送同步前导码时长的总和。

优选地，步骤S2中，设定循环解码次数的一个门限值，当连续输出0的个数达到该门限值时判定为唤醒。

优选地，步骤S1中编码生成的伪随机序列码可以是最大长度序列或非最大长度序列。

本发明的有益效果是，使用伪随机序列码作为唤醒码，参与通信的无线终端设备无需在时间上同步，相比于带地址的最短数据包唤醒方法，减小了终端设备探测窗口的时间，降低了系统网络的功耗；使用同步前导码作为协议数据传输开始的前导，且同步前导码包括两部分，一部分为区别于伪随机序列码的特征码，另一部分为约定的同步码。终端设备接收的码与约定的同步码相同时，即认为同步完成，进入协议数据接收状态，实现了使用伪随机序列码作为唤醒码时，数据传输的同步问题，且通信波特率、终端设备睡眠-探测周期不受限制。主设备发送的协议数据中包含地址字，被唤醒的终端设备进行第二次判断，再次确认是否对本设备有通信需求，防止对误唤醒设备的误操作。若对所有终端设备都有通信需求，则地址字为广播ID号。减少了终端设备的探测窗口时间，达到系统网络低功耗的同时，保证了通信成功率。

附图说明

图1是本发明主设备伪随机唤醒码编码器的结构图；

图2是本发明终端设备解码器的结构图；

图3是本发明通信方法的时序图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

本发明无线终端的低功耗唤醒方法的步骤如下：

S1.主设备根据欲通信的终端设备的二进制ID号，使用对应的编码器编码生成作为唤醒码的伪随机序列码。其中，编码器为二进制线性反馈移位寄存器。

如图1所示，二进制线性反馈移位寄存器的阶数由欲通讯的终端设备的ID号长度决定，二进制线性反馈移位寄存器(LFSR)的反馈抽头C₁,C₂,…,C_n由欲通讯的终端设备的二进制ID号确定。以ID号为9033H的欲唤醒终端设备为例，其C₁₆,C₁₅,…,C₁的值为1001000000110011。寄存器初值a₁,a₂,…,a_n-1设置不全为0且不全为1即可。

C_i抽头为1时表示其对应的a_n-i参与异或运算，C_i抽头为0则表示其对应a_n-i的不参与异或运算。为保证其为严格的n阶LFSR，C_n必须为1。当选取的C₁,C₂,…,C_n构成的特征多项式f(x)＝C_nxⁿ+C_n-1x^n-1+···+C₁x¹+C₀x⁰为n阶本原多项式时，此LFSR产生的伪随机序列为最大长度序列，否则为非最大长度序列。若设置ID号为两个二进制字节，则LFSR为16阶，可供选择的ID号有32768个。设置好寄存器初值后，进行复数次的循环，每次循环进行以下步骤：

(1)移位寄存器按位进行异或运算

(2)输出移位寄存器最低位a₀；

(3)移位寄存器右移一位；

(4)异或运算得到的a_n的值赋给a_n-1。

LFSR每次循环的输出排列起来就是伪随机序列码，主设备将伪随机序列码通过GPIO接口按位传送给射频模块，射频模块按位调制成射频信号向空间广播。为保证所有终端设备都能在探测时间内收到用于唤醒的伪随机序列码，主设备发送伪随机序列码的时长应大于终端设备的睡眠-探测周期时长和探测周期时长的总和。

S2.终端设备待机时，按预先设定好的睡眠-探测周期交替进入睡眠、探测状态，在探测状态期间接收数据并解码，其接收的数据可以是伪随机序列码的任意一段。若解码结果判定为未唤醒，则进入睡眠-探测周期；若解码结果判定为被唤醒，则终端设备在探测状态结束后，进入前导检测状态。前导检测状态时长大于等于终端设备的睡眠-探测周期时长和主设备发送同步前导码时长的总和。若检测到同步前导码，则持续保持检测状态；若在前导检测状态时段内未检测到同步前导码，则进入睡眠-探测循环状态。

如图2所示，终端设备所使用的解码器反馈抽头C₁,C₂,…,C_n由终端设备自身的二进制ID号确定，探测窗口开启后，先接收等同于线性反馈移位寄存器阶数的n个码元，并与第n+1个码元进行异或运算，若结果为0，即说明a_n与前面的n个码元具有相关性。解码过程可以看作是编码过程的逆过程，可以证明若编码器和解码器采取的抽头相同，即主设备器欲唤醒设备的ID号与终端设备ID号相同时，解码任意一段伪随机序列码，输出的结果都为0。本发明采用移位循环解码方式，每次解码完成后其移位寄存器进行一次移位，存入n位初值后每次循环进行如下步骤：

(1)解码器按位进行异或运算

(2)输出(1)中的运算结果与a_n的异或结果

(3)截取到的伪随机序列码左移一位(原a_n存入移位寄存器最低位，接收到伪随机序列码的下一位作为当前a_n，a₀舍弃，解码器以a₀为最高位)；

第(2)步输出0时继续循环，当连续输出0的位数到达预定门限值时即判定为唤醒，输出1时说明解码的该终端设备ID号不是欲唤醒的终端设备ID号，即停止解码进入睡眠。

由于采用的伪随机序列码具有平衡特性，设截取出任意n阶LFSR产生的一段伪随机序列码进行解码，前n位写入移位寄存器后，序列的第n+1位出现0或1的概率各为1/2，换言之第n+1位与前n位相关的概率为1/2，即上述循环第(2)步中输出“0”的概率为1/2。以此类推，第n+2位与前n+1相关的概率为1/2*1/2＝1/4，第n+3位与前n+2相关的概率为1/8，以此类推。因此，解码器连续输出0的位数越多，当前解码器的反馈抽头与产生该段序列的LFSR的反馈抽头相同的概率越高，当连续输出8个0时，非欲唤醒ID号的排除率高达99.6％。

S3.主设备将伪随机序列码发送完毕后，发送同步前导码，之后发送协议数据。同步前导码分为两个部分，第一部分为区别于伪随机序列码任意一段码元的特征码，第二部分约定的为同步码。同步前导码必须区别于编码所使用的LFSR产生的伪随机序列码的任意一段码元，作为伪随机序列码发送完毕的标志，否则被唤醒的终端设备可能会在协议数据到来之前出现误读数据的情况。可以证明n阶LFSR产生伪随机序列码的所有子序列中最长连0的个数最大不超过n-1：

以16阶LFSR为例，根据16阶LFSR产生伪随机序列码的原理，连续产生16个0的充要条件是移位寄存器出现“全0”状态，而“全0”态的前态为0001H，0001H次态为0000H的充要条件是C₁₆＝0，0001H的前态为0002H或0003H，这两个状态的次态为0001H的充要条件为C₁₅＝0，以此类推可得，移位寄存器初值不为“全0”态条件下，产生“全0”态的充要条件是反馈抽头“全0”。S1中所述移位寄存器初值不全为0和C_n必须为1的条件，使得n阶LFSR不会产生超过n-1长度的连0。

因此可使用三个字节长度的同步前导码，前两个字节为连续16个0，即区别于伪随机序列码的特征码；最后一个字节为约定的区别于特征码的同步码，如10101001B(A9H)。

S4.被伪随机序列码唤醒的终端设备，将在一定时间内继续开窗接收码元，将接收到的码元继续存入16阶移位寄存器，并持续读寄存器状态，这里利用解码器的移位寄存器即可。当移位寄存器的状态为16个0时，即移位寄存器值为0000H时，则继续接收码元并持续读寄存器状态，至低8位与约定的同步码相同时，即移位寄存器的值为00A9H时，终端设备即认为同步完成，进入协议数据接收状态。否则进入睡眠-探测的周期循环。

步骤S3、S4中的协议数据包含欲通讯的终端设备的ID号。

主设备发送的协议数据中包含地址字，被唤醒的终端设备进行第二次判断，再次确认是否对本设备有通信需求，防止对误唤醒设备的误操作。若主设备对所有的终端设备有通讯需求，则约定一个ID号作为广播ID号，地址字为广播ID号。终端设备设有两个解码器。其中一个解码器以终端设备ID号作为反馈抽头，另一个解码器以广播ID号作为反馈抽头，接到的码元分两路，由这两个解码器同时解码，判断是否被唤醒。

如图3所示，T_s为主设备发射用于唤醒码的伪随机序列码的时长，T_p为主设备发送同步前导码的时长，T为终端设备的睡眠-探测周期时长，t为一个睡眠-探测周期内的探测窗口时长，T_w为被唤醒的终端设备的前导检测时长。

为确保所有终端开窗探测时都能接收到伪随机序列码，T_s最小值应满足T_s＝T+t。主设备在发送伪随机序列码结束后，发送同步前导码，因此，主设备发送总时长为T_s+T_p。被伪随机序列码唤醒的终端i将进入前导检测状态继续接收数据，为保证被唤醒的终端接收到同步前导码，前导检测状态时长T_w≥T+T_p。

本发明使用伪随机序列码作为唤醒码，参与通信的无线终端设备无需在时间上同步，相比于带地址的最短数据包唤醒方法，减小了终端设备探测窗口的时间，降低了系统网络的功耗；使用同步前导码作为协议数据传输开始的前导，且同步前导码包括两部分，一部分为区别于伪随机序列码的特征码，另一部分为约定的同步码。终端设备接收的码与约定的同步码相同时，即认为同步完成，进入协议数据接收状态，实现了使用伪随机序列码作为唤醒码时，数据传输的同步问题，且通信波特率、终端设备睡眠-探测周期不受限制。主设备发送的协议数据中包含地址字，被唤醒的终端设备进行第二次判断，再次确认是否对本设备有通信需求，防止对误唤醒设备的误操作。若对所有终端设备都有通信需求，则地址字为广播ID号。减少了终端设备的探测窗口时间，达到系统网络低功耗的同时，保证了通信成功率。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (10)

1.一种无线终端的低功耗唤醒方法，用于在主设备有需求时，将某个终端设备或所有终端设备唤醒并发送数据，其特征是，包括以下步骤：

S1.主设备根据欲通信的终端设备的二进制ID号，使用编码器编码生成作为唤醒码的伪随机序列码，所述主设备将所述伪随机序列码调制成射频信号向空间广播，所述编码器为二进制线性反馈移位寄存器；

S2.所述终端设备待机时，按预先设定好的睡眠-探测周期交替进入睡眠、探测状态，在探测状态期间接收数据并解码，其接收的数据可以是伪随机序列码的任意一段；若解码结果判定为未唤醒，则进入睡眠-探测周期；若解码结果判定为被唤醒，则终端设备在探测状态结束后，进入前导检测状态；

S3.所述主设备将所述伪随机序列码发送完毕后，发送同步前导码，之后发送协议数据；所述同步前导码分为两个部分，第一部分为区别于所述伪随机序列码任意一段码元的特征码，第二部分为约定的同步码；

S4.被唤醒的所述终端设备，若在前导检测状态时段内未接收到所述同步前导码，则进入睡眠-探测的周期循环，若接收到同步前导码，则对其进行解码判断；若判断到所述同步前导码的码元与约定的所述同步码相同时，即认为同步完成，所述终端设备进入协议数据接收状态，接收到协议数据即与所述主设备通讯，否则进入睡眠-探测的周期循环。

2.根据权利要求1所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述二进制线性反馈移位寄存器的阶数由欲通讯的所述终端设备的ID号长度决定，所述二进制线性反馈移位寄存器的反馈抽头由欲通讯的所述终端设备的二进制ID号确定，所述二进制线性反馈移位寄存器的初始值不全为0也不全为1。

3.根据权利要求1或2所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S2中的所述终端设备使用的解码器反馈抽头由所述终端设备自身的二进制ID号确定。

4.根据权利要求3所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S3、S4中的所述协议数据包含欲通讯的所述终端设备的ID号。

5.根据权利要求4所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，若所述主设备对所有的所述终端设备有通讯需求，则所述地址字为约定的广播ID号。

6.根据权利要求5所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述终端设备设有两个解码器，其中一个所述解码器以终端设备ID号作为反馈抽头，另一个所述解码器以广播ID号作为反馈抽头，接到的码元分两路，由两个所述解码器同时解码，判断是否被唤醒。

7.根据权利要求1所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述主设备发送伪随机序列码的时长大于所述终端设备的睡眠-探测周期时长和探测周期时长的总和。

8.根据权利要求1所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S2、S4中，所述前导检测状态时长大于等于所述终端设备的睡眠-探测周期时长和所述主设备发送同步前导码时长的总和。

9.根据权利要求1所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S2中，设定循环解码次数的一个门限值，当连续输出0的个数达到该门限值时判定为唤醒。

10.根据权利要求1所述的无线终端的低功耗唤醒方法，其特征在于，所述步骤S1中编码生成的所述伪随机序列码可以是最大长度序列或非最大长度序列。