CN109068381A - 一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对低功耗无线通信技术领域,具体来讲是一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,包括主节点在需要唤醒从节点时,编码产生具有自相关特性的一串连续比特流,并将这串比特流等长分开并形成段;在每段起始位置以及最后一段的结束位置插入时间同步消息形成唤醒数据段,再由唤醒数据段排列连接最终构成唤醒数据包;主节点将唤醒数据包调制成无线信号并持续发送,从节点在休眠模式下周期性的启动无线接收功能,并对接收到无线数据进行解码,本发明通过检测和调度的方法增加休眠时间,避免了节点由于过早唤醒而导致的能量消耗。
Description
技术领域
本发明涉及对低功耗无线通信技术领域,具体来讲是一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法。
背景技术
随着物联网、无线传感器网络(WSN)等应用的不断发展,对低功耗无线通信技术也有了更高的要求。由于大部分无线终端设备受环境制约无法实现外接电源,而采用内置电池供电,如何充分提高电池的工作效率,延长其工作时间,对低功耗无线通信系统具有重要意义。
一个从节点的理想状态应该是:当主节点有信息传送给模块时,模块处于接收状态,当有信息要发送时,从节点处于发送状态,在其他时间从节点总是处于休眠状态。通过在休眠状态和工作状态来回切换,减少不必要的接收状态,可以有效降低节点系统功耗,提高通信效率。
MAC层协议决定无线信道的使用方式,以及无线通信资源在无线节点之间的分配。MAC层协议可以概略地分为两大类:基于调度的协议和基于检测的协议。
在基于调度的MAC协议中,各从节点通信是通过时域或频域协调进行的。如TDMA类型的MAC协议中,首先进行时钟同步,再为每个无线接收模块分配一个侦听时隙。调度的好处是保证了发送方和接收方在一个很小的时间段中几乎同时保持活动状态,而在其他大多数时间处于休眠状态,从而节省了能耗。但是,一般来说,基于调度的协议要求实现节点间的同步而缺乏伸缩性,调度维护和在竞争区间中的空闲侦听也导致了额外开销。
在基于检测的MAC协议,从节点是通过基于射频能量或者符号解码等信道活动检测来判断是否开始接收数据。射频检测是周期进行的,这允许从节点在大部分时间里关闭射频从而节约能量。这种异步协议在实现上更简单,减少了同步开销,也节约了程序空间。但是在基于检测的MAC协议中,如果从节点过早的被唤醒,就需要等待较长的主节点发送唤醒信号时间,这期间的能量消耗是无用的。
所以基于上述问题,我们要提出一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法用以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,通过特殊信道编解码的自相关性检测来快速识别虚假信号和干扰信号,通过插入时间同步消息的方法进行时间同步,从而减少侦听时间,进一步降低从节点功耗。
本发明提供了一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,包括以下步骤:
S1、主节点在需要唤醒从节点时,编码产生具有自相关特性的一串连续比特流,并将这串比特流等长分开并形成段;在每段起始位置以及最后一段的结束位置插入时间同步消息形成唤醒数据段,再由唤醒数据段排列连接最终构成唤醒数据包;
S2、主节点通过射频芯片将唤醒数据包调制成无线信号,并持续发送,时长为Ts;
S3、从节点在休眠模式下周期性的启动无线接收功能,并对接收到无线数据进行解码,判断唤醒码流的自相关性是否达到匹配条件;
S4、如果未达到匹配条件则立即关闭射频进入休眠,否则继续接收数据直至获取到时间同步消息为止;
S5、从节点解析时间同步消息获取索引信息,并根据已知的数据段长度以及无线数据传输波特率计算出主节点剩余唤醒码发送的时长Tw;
S6、从节点根据主节点剩余唤醒码发送时长选择重新进入休眠状态,休眠Tw时间后再唤醒,并进入正常通信模式。
进一步地,所述唤醒数据段包括时间同步消息和自相关码流。
进一步地,所述时间同步消息包括:
前导码,用于让接收方区分出自相关码流和时间同步消息;
同步字,用于让接收方找到索引字段的起始位置;
索引,用于表明每段的序号;
校验码,用于接收方检测时间同步消息是否存在错误。
进一步地,为保证从节点在自唤醒周期T内能收到主节点的唤醒信号,TS不小于T。
进一步地,从节点在等待时间Tout内未收到主节点发来的任何数据,则继续休眠。
进一步地,所述自相关码流为m序列码、巴克码、Gold序列码、walsh序列码或R-S序列码。
本发明与现有技术相比具有以下的优点:
1、本发明通过加入时间同步消息,对从节点设备的休眠状态和工作状态做进一步调度,在从节点检测匹配后继续休眠一段时间,直到有效数据载荷通信前再唤醒。而在缺少调度的唤醒机制中,节点唤醒后就一直处于接收状态,即使发送方还未真正发送有效通信数据。通过调度的方法增加休眠时间,避免了节点由于过早唤醒而导致的能量消耗。
2、本发明自相关码流检测过程使用自相关编解码算法,其自相关码流具有预先可确定性,可重复,使它易于实现相关接收和匹配接收。噪声或者其他邻频同频的信号不会产生具有相同相关性的的编码,故其具有好的抗干扰性能。
附图说明
图1是本发明的唤醒数据包格式示意图;
图2是本发明休眠/唤醒方法时序图;
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语),具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语,应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非被特定定义,否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明的目的是提供一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,通过特殊信道编解码的自相关性检测来快速识别虚假信号和干扰信号,通过插入时间同步消息的方法进行时间同步,从而减少侦听时间,进一步降低从节点功耗。
如图1所示,本发明提供了一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,包括以下步骤:
S1、主节点在需要唤醒从节点时,编码产生具有自相关特性的一串连续比特流,并将这串比特流等长分开并形成段;在每段起始位置以及最后一段的结束位置插入时间同步消息形成唤醒数据段,再由唤醒数据段排列连接最终构成唤醒数据包;
S2、主节点通过射频芯片将唤醒数据包调制成无线信号,并持续发送,时长为Ts;
S3、从节点在休眠模式下周期性的启动无线接收功能,并对接收到无线数据进行解码,判断唤醒码流的自相关性是否达到匹配条件;
S4、如果未达到匹配条件则立即关闭射频进入休眠,否则继续接收数据直至获取到时间同步消息为止;
S5、从节点解析时间同步消息获取索引信息,并根据已知的数据段长度以及无线数据传输波特率计算出主节点剩余唤醒码发送的时长Tw;
S6、从节点根据主节点剩余唤醒码发送时长选择重新进入休眠状态,休眠Tw时间后再唤醒,并进入正常通信模式。
进一步地,所述唤醒数据段包括时间同步消息和自相关码流。
进一步地,所述时间同步消息包括:
前导码,用于让接收方区分出自相关码流和时间同步消息;
同步字,用于让接收方找到索引字段的起始位置;
索引,用于表明每段的序号;
校验码,用于接收方检测时间同步消息是否存在错误。
如图2所示,主节点为唤醒端,从节点为被唤醒端,Ts为主节点发送唤醒信号的时间,T为从节点自唤醒周期,t为从节点侦听唤醒信号的开窗口时间。为了保证从节点在自唤醒周期内能收到主节点的唤醒信号,Ts不能小于T。从节点在Tout的等待时间内没有收到主节点发来的任何数据,则又进入休眠。
具体的,可以选取m序列码、巴克码、Gold序列码、Walsh序列码或R-S序列码等作为自相关码流。将自相关码流长度平均分成N段,若有剩余比特则可以舍弃。假设每个数据段中自相关码流长度为L1比特。
具体的,时间同步消息中前导码作用主要是让接收方区分出自相关码流和时间同步消息;同步字是让接收方找到索引字段的起始位置;索引是每段的序号,按从N到0依次递减的顺序排列;校验码索引字段中各字节的累加和,用于接收方检测时间同步消息是否有错。假设时间同步消息长度为L2比特。
具体的,在前N-1段自相关码流中,每段起始位置插入时间同步消息。前N-1个唤醒数据段每段长度为(L1+L2)比特。
具体的,在最后一段,即第1段自相关码流的首尾都须附加时间同步消息,即最后一段唤醒数据段的长度为(L1+2L2)。当接收方侦听时刻是在发送方发送的最后一段自相关码流上,则需要在侦听自相关码流结束后获取到一个时间同步消息以确定有效载荷通信时间点
具体的,假设解析时间同步消息得到段序号i,0≤i<N,则剩余发送比特数为
Lw=(L1+(i-1)*(L1+L2)+L2)=i*(L1+L2);假设空中数据波特率为b比特/秒,则休眠时间Tw=Lw/b。
具体的,从节点自唤醒周期T可以根据业务需求设置,长周期模式可以降低系统能量消耗,短周期模式满足系统实时性要求。
本发明自相关码流检测过程使用自相关编解码算法,其自相关码流具有预先可确定性,可重复,使它易于实现相关接收和匹配接收。噪声或者其他邻频同频的信号不会产生具有相同相关性的的编码,故其具有好的抗干扰性能。
自相关码流检测能够快速识别虚假信号和干扰信号,节省能量消耗。例如使用m序列码作为自相关码流,可以从自相关码流的任意位置开始解码,若使用16阶的线性反馈移位寄存器,则最少只需要17个比特时间就可以排除非法信号,最多也只需要32个比特时间就可以完全排除非法信号,此时排除率可以达到99.99%。非目的唤醒节点只要检测到码流未达到匹配条件,便立即进入休眠,这样减少了系统总体消耗能量。而一般的数据包唤醒法中,假设数据包长度为12个字节,为了保证收到完整的数据帧,从节点至少需要侦听24个字节数据,能量消耗多于自相关码流检测法。
一些自相关码流算法可以不通过增加额外时间同步消息来实现同步,但这种方法对其码流长度有限制,如m序列码流长度不能超过其最大周期2n-1(n为阶数)比特才能进行时间同步。而本发明使用的方法对自相关码流长度无限制,可以灵活设置。
本发明通过加入时间同步消息,对从节点设备的休眠状态和工作状态做进一步调度,在从节点检测匹配后继续休眠一段时间,直到有效数据载荷通信前再唤醒。而在缺少调度的唤醒机制中,节点唤醒后就一直处于接收状态,即使发送方还未真正发送有效通信数据。通过调度的方法增加休眠时间,避免了节点由于过早唤醒而导致的能量消耗。
通过以上的实施方式的描述,本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现,当然也可以通过硬件。基于这样的理解,上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
此外,本领域的技术人员能够理解,尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征,但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如,在下面的权利要求书中,所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、主节点在需要唤醒从节点时,编码产生具有自相关特性的一串连续比特流,并将这串比特流等长分开并形成段;在每段起始位置以及最后一段的结束位置插入时间同步消息形成唤醒数据段,再由唤醒数据段排列连接最终构成唤醒数据包;
S2、主节点通过射频芯片将唤醒数据包调制成无线信号,并持续发送,时长为Ts;
S3、从节点在休眠模式下周期性的启动无线接收功能,并对接收到无线数据进行解码,判断唤醒码流的自相关性是否达到匹配条件;
S4、如果未达到匹配条件则立即关闭射频进入休眠,否则继续接收数据直至获取到时间同步消息为止;
S5、从节点解析时间同步消息获取索引信息,并根据已知的数据段长度以及无线数据传输波特率计算出主节点剩余唤醒码发送的时长Tw;
S6、从节点根据主节点剩余唤醒码发送时长选择重新进入休眠状态,休眠Tw时间后再唤醒,并进入正常通信模式。
2.根据权利要求1所述的结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,其特征在于,所述唤醒数据段包括时间同步消息和自相关码流。
3.根据权利要求1所述的结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,其特征在于,所述时间同步消息包括:
前导码,用于让接收方区分出自相关码流和时间同步消息;
同步字,用于让接收方找到索引字段的起始位置;
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校验码,用于接收方检测时间同步消息是否存在错误。
4.根据权利要求1所述的结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,其特征在于,为保证从节点在自唤醒周期T内能收到主节点的唤醒信号,TS不小于T。
5.根据权利要求1所述的结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,其特征在于,从节点在等待时间Tout内未收到主节点发来的任何数据,则继续休眠。
6.根据权利要求1所述的结合检测和调度机制的低功耗唤醒方法,其特征在于,所述自相关码流为m序列码、巴克码、Gold序列码、walsh序列码或R-S序列码。
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