CN109511159A

CN109511159A - 一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法

Info

Publication number: CN109511159A
Application number: CN201811612817.9A
Authority: CN
Inventors: 刘鲲; 刘元成; 陈文康; 陈丽恒
Original assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: LEAGUER MICROELECTRONICS CO Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109511159B

Abstract

本发明提供本发明提供一种低功耗微功率无线通信系统的唤醒信号生成方法，包括如下步骤：1.生成唤醒符号的同步部分，同步部分是基础线性调频信号；2.生成唤醒符号的计时部分，计时部分为经过调制的线性调频信号；3.将唤醒符号同步部分和计时部分组合成一个完整的唤醒符号，其中同步部分和计时部分之间相位连续；4.将唤醒符号组合成唤醒信号。唤醒信号的调制方法均为线性调频，使接收机迅速响应唤醒信号，并能使接收端降低接收等待时间，达到降低功耗的目的等特点。

Description

一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法

技术领域

本发明涉及通信领域，特别是涉及一种以低功耗来进行远距离传输的无线系统的唤醒信号生成方法。

背景技术

低功耗广域网在全球快速发展，根据全球GSMA的统计数据，到2020年，整个物联网行业将具备更大发展能力，其中LPWAN(Low-Power Wide-Area Net，低功耗广域网)的应用连接数将占到物联网总连接数的60％，其重要性不言而喻。我国也一直积极推进物联网相关产业发展，国内产业政策支持力度不断加强，产业和市场规模持续扩展，具有巨大发展潜力。为解决当前物联网终端功耗较高、无法适应海量终端连接、广域覆盖能力不足和成本等困难，远距离无线通信技术(LPWAN)作为当前物联网技术的重要组成部分，成为该领域的新热点,适应长距离、广覆盖终端设备连接的应用场景需求。

LPWAN能够实现城域范围内物联网低成本全覆盖,非常适合城市中远距离传输、通信数据量很少、需电池供电长久运行的物联网应用:智能停车、智能抄表、智能物流追踪、可穿戴应用、智能环境监测、智慧农业。能效问题是LPWAN部署面临的一个重大问题。随着智能无线终端通信设备应用越来越广，电池供电的产品也越来越多，对功耗的要求更加苛刻。作为LPWAN的主要通信方式之一的微功率无线数字通信技术必然要向低功耗、微功耗方向发展。

目前现有的低功耗远距离传输的无线通信系统中，点对点通信时，接收机不能迅速被唤醒，降低通信效率；在被唤醒后，等待有效信号的到来时会导致接收机能耗增加，降低设备使用寿命。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中能耗增加的问题，提供一种低功耗微功率无线通信系统的唤醒信号及生成方法，其生成的唤醒信号能满足接收机迅速响应唤醒信号；并能使接收端降低接收等待时间，达到降低功耗的目的。

为解决上述技术问题，本发明提出本发明提供一种低功耗微功率无线通信系统的唤醒信号生成方法，包括如下步骤：S1.生成唤醒符号的同步部分，同步部分是基础线性调频信号；S2.生成唤醒符号的计时部分，计时部分为经过调制的线性调频信号；S3.将唤醒符号同步部分和计时部分组合成一个完整的唤醒符号，其中同步部分和计时部分之间相位连续；S4.将唤醒符号组合成唤醒信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：唤醒信号的调制方法均为线性调频，使接收机迅速响应唤醒信号，并能使接收端降低接收等待时间，达到降低功耗的目的等特点。

附图说明

图1为本发明实施例中唤醒信号生成方法的流程图。

图2为本发明实施例中唤醒符号计时部分调制原理图。

图3为本发明实施例中唤醒符号的时域图。

图4为本发明实施例中唤醒符号的频域图。

图5为本发明实施例中唤醒信号的完整结构图。

图6为本发明实施例中接收唤醒信号的流程时序图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

具体实施方式1

本实施例提供一种微功率无线通信系统的唤醒信号的生成方法，如图1所示。

唤醒信号包括N_wake个唤醒符号，唤醒符号的个数N_wake可根据系统需要计算得到。本实施例中，唤醒符号发送时长为T＝2s，唤醒符号的最大峰值幅度为A＝1，扩频因子SF＝8，频率范围为0～250kHz；则信号带宽为BW＝250kHz。每一个唤醒符号分为同步部分S_syn(t)和计时部分S_cnt(t)，它们的调制时间配比为2:1，同步部分S_syn(t)单个唤醒符号的调制时间为T_s＝2^SF/BW,即调制时间为1.024ms，计时部分S_cnt(t)单个唤醒符号的调制时间为Tc＝2^SF-1/BW，即调制时间为0.512ms，所以一个唤醒符号调制周期为T_wake＝1.536ms；计时部分可选择的调制值Modu范围为0～2^SF-1，即0～255，一共256种情况，此种情况计算出唤醒符号个数N_wake＝ceil(T/2^SF)为1303，式中ceil为向上取整运算，计时部分连续发送相同调制值Modu个数N＝floor(N_wake/2^SF)，式中floor为向下取整运算。

唤醒符号的同步部分使用基础线性调频信号，按如下公式产生：

式中，当调制时间为t∈[0,T_s/2)时，f₀表示初始频率，其数值为250000，μ₁表示线性调频信号的斜率，计算方法为：μ₁＝BW×BW/2^SF，示例中μ₁为244140625，表示初始相位，示例中为0，此为一个频率下降的线性调频信号；当调制时间为t∈[T_s/2,T_s)时，f₁表示初始频率，其数值为0，使用相同的斜率μ₁为244140625，表示起始相位，符号内相位连续，故与前一段线性调频信号结束相位相同，此为一个频率上升的线性调频信号。由上式知，唤醒符号的同步部分先是频率下降的基础线性调频信号，然后是频率上升的基础线性调频信号构成。

唤醒符号的计时部分为调制的线性调频函数信号，其基础线性调频信号按如下公式产生：

式中，当调制时间为t∈[T_s,T_s+T_c/2)时，f₀表示初始频率，其数值为250000，μ₂表示线性调频信号的斜率，计算方法为：μ₂＝BW×BW/2^SF-1，示例中μ₂为488281250，表示初始相位，示例中为唤醒符号中同步部分结束时的相位，此为一个频率下降的线性调频信号；当调制时间为t∈[T_s+T_c/2,T_s+T_c)时，f₁表示初始频率，其数值为0，使用相同的斜率μ₂为488281250，表示起始相位，由于唤醒符号内相位连续，故与前一段线性调频信号结束相位相同，此为一个频率上升的线性调频信号。

唤醒符号计时部分的调制方式为循环移位，即唤醒符号的调制值Modu表现在线性调频信号上是频率的循环移位。循环移位按如下方式定义：以4个循环移位值为例，如图2所示，将计时部分按时间分为4等份，每一段时长均为T_int，即T_int为调制值Modu的步进。当唤醒符号计时部分的调制值为0时，为基础线性调频信号；当调制值Modu为1时，符号1相对于符号0变化了1个T_int，基础线性调频信号发生了T_int的移位，当调制值Modu为2时，符号2相对于符号0变化了2个T_int，基础线性调频信号发生了2个T_int的移位，当调制值Modu为3时，符号3相对于符号0变化了3个T_int，基础线性调频信号发生了3个T_int的移位。依此类推，本实施例中，调制值Modu为0～255，一共有256个。按照调制值Modu产生计时部分信号，当调制值Modu小于2^SF-1时，起始频率为BW*(2^SF-1-Modu*T_int)/2^SF-1，然后对基础线性调频信号进行循环移位，生成一个频率范围为BW*(2^SF-1-Modu*T_int)/2^SF-1～BW的频率上升线性调频信号，然后是频率范围为0～BW的频率下降线性调频信号，最后是频率范围为0～BW*(2^SF-1-Modu*T_int)/2^SF-1的频率上升线性调频信号；当调制值Modu大于2^SF-1时，起始频率为BW*(Modu*T_int-2^SF ^-1)/2^SF-1，频率范围为BW*(Modu*T_int-2^SF-1)/2^SF-1～0的频率下降线性调频信号，然后是频率范围为0～BW的频率上升线性调频信号，最后是频率范围为0～BW*(Modu*T_int-2^SF-1)/2^SF-1的频率下降线性调频信号。

据上述方法生成的唤醒符号调制值Modu为0的时域波形图和频谱图如图3、4所示，(a)为唤醒符号时域波形图，(b)为唤醒符号频谱图。

本实施例中，连续生成N＝5个调制值modu为0的唤醒符号后，将调制值Modu变为1，然后再连续生成N＝5个唤醒符号，依此类推，直至调制值Modu为255，连续生成33个唤醒符号，如图5所示。

接收机的唤醒接收流程如图6所示。下面给出一种基于本唤醒信号设计下的接收方案的功耗计算应用实例，假设以下应用场景：网络主节点和子节点每日通信1小时4次，则1天一共96次，主节点发送给子节点的数据长度为Rx_Length＝100Byte，子节点每天上报1次，子节点发送主节点的数据长度也为Tx_Length＝100Byte，扩频因子SF＝8，子节点接收电流为I_RX＝10mA，发射电流为I_TX＝60mA，子节点检测空中信号周期为T_duty＝2s，电池容量C为1500mAh。

以普通方法计算：

一个数据符号时长：T_sym＝2^SF/BW＝256/250000＝1.024ms。

一次唤醒时长为：T_{RX_Eff}＝1.5*T_wake＝1.5*1.536＝2.304ms。

一次成功唤醒到有效信号的等待时间，按子节点检测空中信号周期的一半为平均时间：T_{RX_Wake_wait}＝T_duty*0.5＝1000ms。

一次有效信号接收时长：T_{RX_Eff}＝RxLength*8/SF*T_sym＝102.4ms。

一天接收总能耗：

E_RX＝I_RX*(T_{RX_Wake}+T_{RX_Wake_wait}+T_{RX_Eff})*96＝1060.515mAs＝0.2946mAh。

一天唤醒接收的能量：

E_Wake＝I_RX*(60*60*24/T_duty-1-24)*T_wake*1.5＝994.572mAs＝0.276mAh。

一次发送数据时长：T_TX＝T_sym*Tx_Length*8/SF+T_duty＝2102.4ms。

一天发送数据的能量：E_TX＝T_TX*I_TX＝126.144mAs＝0.03504mAh。

则电池一共可使用：Day＝C/(E_wake+E_TX+E_RX)＝2476，即6.79年。

如果使用此唤醒方法计算，一次成功唤醒到有效信号的等待时间为：

T_{RX_Wake_wait}＝T_wake*33＝50.688ms。

唤醒功耗和发送功耗与普通方法相同，则一天接收总能耗：

E_RX＝I_RX*(T_{RX_Wake}+T_{RX_Wake_wait}+T_{RX_Eff})*96＝149.17632mAs＝0.0414mAh。

则电池一共可以使用Day＝C/(E_wake+E_TX+E_RX)＝4256，即11.6年。

从接收能耗来看，使用直接接收唤醒信号后等待与此方法相比，电池使用寿命大幅提升，在上述应用场景下可提高5年左右。

根据上述可知，通过唤醒信号的唤醒部分能在1个符号内判定空中是否存在唤醒信号，唤醒信号的计时部分可以让接收机载相同的接收时长内处于低功耗等待模式，即降低接收等待功耗，从而降低整个接收机的功耗。从实例中，参数可使用年限来比较，本方案与普通方案相比有大幅提升。

Claims

1.一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、生成唤醒符号的唤醒部分，用于接收机的唤醒；

S2、生成唤醒信号的计时部分，使接收设备可以计时唤醒；

S3、将同步部分和计时部分组合成唤醒符号，生成唤醒符号；

S4、将唤醒符号组合成唤醒信号，构成完整的唤醒信号。

2.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法，其特征在于，步骤S2为基于不同的时刻，通过循环移位的方式生成计时部分。

3.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法，其特征在于，步骤S2为对于不同的时刻，生成不同初始频率和线性调频斜率的计时部分。

4.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法，其特征在于，步骤S2为计时部分调制值连续发送N＝floor(N_wake/2^SF)个符号后，N_wake为发送唤醒符号个数，SF为扩频因子，调制值从0开始按1递增，直至调制值为2^SF-1。

5.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线通信系统唤醒信号的生成方法，其特征在于，步骤S3为所述生成的唤醒符号中唤醒部分和计时部分的相位保持连续。

6.一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至5任一项所述方法。