CN111630902A - 超低功率网格网络 - Google Patents

Abstract

一种网格接收器具有：唤醒接收器，其用于接收由键控RF或无线分组和间隙序列形成的唤醒序列；发射器，其形成到其他网格站点的低速RF唤醒序列；网格接收器，其用于接收高速WLAN分组，该发射器响应于唤醒序列而发送无线ACK分组，网格接收器此后从远程站点接收无线分组，网格发射器发送ACK，网格站点此后识别下一跳站点，并且向该站点发送唤醒序列，在接收到ACK后发送数据，网格接收器和网格发射器此后进入睡眠。

Description

超低功率网格网络

技术领域

本发明涉及用于在网格网络中提供低功率连接的站点和方法。特别地，本发明为位于彼此的接收范围内的站点提供超低功率连接。

背景技术

诸如802.11的现有技术无线系统提供通信，其中使用“基础设施模式”将中央节点(“接入点”)耦合到其他站点。这种类型的基础设施系统依赖于对接入点连续供电，并且通过使用例如接入点信标帧来节省电力，其中接入点周期性地在预期时间传输信标帧，使得站点在对应的时间间隔唤醒并侦听信标TDIM帧，该信标TDIM帧指示分组(packet)在退出睡眠模式时是否可用。因此，以与站点唤醒的时间相比于信标间隔的小百分比相等的倍数来降低功耗。这种类型的基础设施在接入点能够由外部电源供电的情况下运行良好，并且要求将站点集中在接入点的接收范围内。图1示出了站点S1至S8和接入点AP1的示例定位。无线信号的典型衰减如下(2x表示站点之间的分隔距离加倍)：

视线(LOS)损耗	6dB/2x距离
		多路径的室内LOS损耗	12dB/2x距离
每次混凝土楼板遍历损耗	15dB/楼+室内LOS损耗

因此，如果图1A的网络位于没有障碍的开放空间中并且在平面图中进行检查(水平放置在开放空间中)，则从AP1到S1的损耗可能为61dB，AP1到S2的损耗为67dB，而AP1到S4的损耗为71dB，而对于相同的尺寸，通过将图1A作为正视图检查，其中线代表混凝土地板并且包括室内多路径损耗，则从AP1到S1的损耗将为106dB，从AP1到S2的损耗将为157dB，而从AP1到S3的损耗将超过200dB。如果链路预算在140dB左右，则大多数站点不在接入点的范围内。

另一种类型的网络被称为网格网络(mesh network)，其中站点各自作为对等方彼此通信。对于图1A，这种类型的网络拓扑具有S1与AP1和S2通信，S2与S1、S4、S5和S3通信等。网格网络具有一组不同的考虑因素和问题。一个问题是网络需要找到从每个站点到网关(例如AP1)的路由，而另一个问题是没有像基础设施模式所提供的集中式定时或传输。

两种类型的网络(即基础设施和网格)都需要访问整个互联网，这是由被称为网关路由器的功能提供的。通常通过图1A的接入点AP1提供此功能，或者可以替代地通过具有与网关路由器的连接的网格站点来提供此功能。

电池供电的系统利用有限量的焦耳存储能量，使得可以仅通过减小功率或减少汲取功率的时间量来节省功率*时间的焦耳乘积。当从固定的焦耳源和给定电池尺寸的期望电池寿命的角度来看时，问题减少到占空比和等待时间(latency)之一。在现有技术的以下说明中，使用了两节AAA电池的固定电源，其在3V电压下提供1000mAh电流。因此，对于从该存储源进行的10年操作，3V下的平均汲取电流为最大10μA，现在将其用于比较各种现有技术系统的性能。

在现有技术中，电池供电的网络节点通常使用蓝牙(在3V下有典型的6mA侦听电流)，其提供比802.11WLAN(在3V下有典型的60mA侦听电流)更低的功耗。对于使用两节AAA电池的10年电池寿命以及跨所有站点的同步唤醒间隔的最佳情况，通过在跨所有站点的周期性和同步侦听间隔内对蓝牙设备进行周期性上电，其中占空比为1/500并且上电(侦听)时间为1ms，可以在蓝牙中实现10μA的平均电流(来自5mA连续电流)。对应的方法可以用于占空比为1/6000且上电(侦听)时间为1ms的WiFi中，两者都将满足指定的10μA平均电流要求。使用两节AA电池的10年1AH 3V约束用作理解本发明及其益处的统一基线示例，可以使用这些度量以相同方式计算其他电源容量。

对于4个站点的网格，其中一个站点必须与四个其他站点中的每个站点进行检查，每个检查都需要1ms事件唤醒事件，因此每跳(hop)的时间为1ms*500*4＝2s(对于蓝牙)和1ms*6000*4＝24s(对于WiFi)。因此，通过网格网络的仅10跳具有20s(～4min)的等待时间(对于蓝牙)以及4分钟的等待时间(对于WiFi)，这对于大多数目的来说是不可接受的。

在四个边缘节点(将吞吐量降低到原来的1/4)的情况下，并且其中WiFi数据吞吐量为10Mbps峰值(1/6000占空比)并且蓝牙吞吐量为250Kbps(1/500占空比)，以上示例提供了针对WiFi的18MB的每日下载数据和针对蓝牙的5.4MB的每日下载数据，这会将这些使用限制为非常低的数据传递应用。

现有技术的另一个问题是：对于动态变化的网络，在蓝牙(蓝牙低功耗，称为BLE)的情况下，RF广告消耗大量功率，其中伺服设备具有广告间隔并且主控设备具有扫描窗口和扫描间隔。如下表所示，短蓝牙连接时间要求广告窗口和扫描间隔都要短，这大大增加了电池消耗。对于蓝牙长距离(BLR)，随着BLR传输帧的增加和对低占空比的要求，该问题相比于BLE更为严重。

期望提供一种用于超低功率网格网络的装置和方法，其以比现有技术所提供的数据速率更高的数据速率提供从多个对等站点到网关路由器的双向连接。

发明目的

本发明的第一目的是一种用于接收分组的网格设备和方法，该网格设备具有唤醒接收器和网格接收器，该唤醒接收器接收唤醒帧，该唤醒帧可选地包括第一唤醒节段和第二唤醒节段，随后是可选的命令部分，该唤醒接收器将唤醒节段与相应模型进行比较，并且当唤醒节段与相应模型匹配时，可选地检查命令部分，网格接收器此后唤醒并接受WLAN分组，网格接收器此后接收分组并将它们放入队列中，此后网格接收器基于路由目的地发送指向网格的远程节点的唤醒序列，该节点传输来自接收队列的分组，此后在远程节点接收到确认后返回睡眠模式。

本发明的第二目的是一种用于传输分组的网格设备和方法，该网格设备具有处于唤醒传输模式的发射器，该发射器在唤醒传输间隔期间传输整个分组以形成每个1值并且以相等的时间间隔不进行传输以形成0值，从而发送1和0值的序列，形成唤醒序列，在远程网格站点已响应于唤醒序列而唤醒并且用确认/回执(acknowledgement)进行应答之后，此后发射器以网格传输模式进行操作以发送WLAN分组并且在完成时返回睡眠。

本发明的第三目的是一种用于在具有唤醒发射器的网格设备上可操作的超低功率通信的装置和方法，该唤醒发射器周期性地传输1和0的唤醒序列，其中每个1是由整个WLAN分组的传输形成的，而每个0是通过在与WLAN分组的持续时间相对应的间隔期间不传输形成的，远程站点通过发送确认分组来确认唤醒序列。

本发明的第四目的是一种用于使用WLAN发射器向远程站点发送唤醒序列的装置和方法，该WLAN发射器发送1和0的第一序列，每个1由整个WLAN分组或RF键控形成，并且每个0由不传输的间隔形成，该不传输的间隔的持续时间等于WLAN分组的持续时间，WLAN此后发送1和0的第二序列，每个1由整个WLAN分组或比WLAN分组短的RF键控或第一序列的RF键控形成，并且每个0由不传输的间隔形成，该不传输的间隔等于第二序列WLAN分组的持续时间。

本发明的第五个目的是一种用于在具有唤醒接收器的网格设备上可操作的超低功率通信的装置和方法，该唤醒接收器连续可操作并且可操作以检测由整个WLAN分组形成的1和0的第一模型，随后是由持续时间比第一模型的WLAN分组短的整个WLAN分组形成的1和0的第二模型，唤醒接收器可操作以侦听第一序列和第二序列，如果第一序列和第二序列与相应模板模型匹配，则唤醒接收器接下来接收单播或广播地址以及可选的命令，该命令包含用于接收网格节点的信道分配或协议分配。

发明内容

被称为“Wake-Fi^TM”的网格网络节点具有能够以唤醒模式和网格传输模式进行操作的发射器。在唤醒传输模式中，节点周期性地向周围网格网络节点传输专用于节点(单播)的或通用(广播)的唤醒序列，该唤醒序列可操作以启用至少一个周围网格网络节点。该唤醒序列还可以包括可选的命令，诸如网格协议分配，该命令可以指导后续通信使用802.11WLAN协议、蓝牙低功耗协议、蓝牙长距离协议、Zigbee协议之一，或者包含用于后续通信的跳信道分配、频率分配或信道分配。节点使用低功率RF发射器以一系列1和0值的序列形式传输唤醒模型，以形成唤醒序列，每个1由固定长度的整个无线分组形成，其中单个分组表示1值，缺少传输表示0值并且其持续时间与1值的分组相等。为唤醒序列生成的RF不必是精确频率或由分组形成，而仅仅是可以被混合、整流和检测的RF，诸如来自环形振荡器的RF或其他简单的低功率方法。唤醒序列可选地具有以低数据速率传输的第一唯一序列和以相对较快数据速率传输的第二序列。可替代地，唤醒序列可以是唯一序列，其与至少一个周围节点的唤醒模型匹配。在用无线分组确认唤醒模型之后，发射器此后可以发送WLAN分组以通过网格网络进行传播。

每个网格网络节点还具有超低功率接收器，该超低功率接收器可操作以接收由不同网格节点传输的整个分组形成的唤醒序列。在接收到唤醒序列和随后的任何可选的命令后，该节点唤醒并且以网格传输模式以WLAN分组传输确认。在接收到匹配的唤醒模型后，网格网络节点为全功能接收器加电，并且接收并缓冲随后的任何分组，确认接收并断电，直到随后的传输事件通过网格网络发送分组为止。

在广告模式中，每个网格网络节点发送短周期性广告，所有周围站点都接收该短周期性广告，并使用该短周期性广告来更新其连接表以指示所接收的广告的相应功率水平。

在通信模式中，当网格网络节点具有要传输或转发的数据时，网格节点确定哪个网格节点沿着最佳路径和最佳接收器，并可选地使用附近站点的表格来选择网格站点以均衡功耗或资源利用率，其中该附近站点的表格为每个附近站点指示信号强度、到网关的跳数(如果适用)、电池荷电状态(以确保网中所有设备的均匀汲取)，并且网格节点引起唤醒发射器发送包含下一站点的地址或唤醒模型的唤醒帧。当网格网络节点从远程站点接收对唤醒序列的确认(该确认是使用诸如WLAN、蓝牙、Zigbee等高速协议发送的)时，网格网络节点将一个或多个高速协议(WLAN、蓝牙、Zigbee)帧传输到目的地站点。

当周期性地传输广告序列模型(由所有站点接收)，或者可替代地当网格节点唤醒接收器从相邻站点接收到唤醒序列时，唤醒接收器进行检查以查看传输站点是否在当前站点列表中，然后或者将相邻站点添加到站点列表中，或者利用由远程站点标识符组织的站点列表更新该相邻站点的现有条目。可选地，传输站点包括度量(metric)，该度量指示其距网关的距离、其荷电状态(SOC)以及在节点自己的广告中向其他节点了解用于计算路由度量的其距网关的距离和SOC信息(对于网关距离的情况，通过将至网关的跳数加一)所使用的任何其他信息。

附图说明

图1A以无障碍的平面图或建筑物中的站点的正视图示出了网关站点和多个站点的位置。

图1B示出了网格网络中的多个站点的框图。

图2A和图2B示出了由图1B中的每个节点维持的站点列表。

图3示出了网格节点的框图。

图4示出了图3的节点的唤醒发射器进行的传输序列的波形。

图4A、图4B和图4C示出了替代的唤醒发射序列的波形。

图5A示出了第一网格站点向第二网格站点传输的时间序列图。

图5B示出了数据通过图1B的网格网络的时间序列。

图6A、图6B、图6C、图6D、图6E、图6F和图6G示出了通过三个站点的数据移动的时序图。

图7示出了唤醒接收器过程的流程图。

图8示出了唤醒发射器过程的流程图。

图9示出了网格接收器过程的流程图。

图10A示出了用于包裹递送和跟踪的网格节点的布置的透视图。

图10A-1示出了图10A的示例住宅的平面图。

图10B示出了具有用于监视和跟踪项目的消费者标签的住宅区的透视图。

图10C示出了具有用于公用事业和住宅项目的智能城市监控的基础设施标签的住宅区的透视图。

图10D示出了本发明的智能城市配置中的住宅的平面图。

图10E示出了网格网络中的若干住宅的平面图。

图11A示出了示例分层的第一唤醒序列和第二唤醒序列的时序图。

图11B示出了针对图11A的第一唤醒序列和第二唤醒序列的错误警报率的表格。

图12示出了根据本发明的实施例的唤醒接收器的示例框图。

图12A示出了用于发射器和接收器的安全唤醒模型发生器的框图。

具体实施方式

图1B示出了由本发明的网格设备形成的示例网格网络。网格站点M1 102、M2 104、M3 106、M4 108、M5 110、M6 112、M7 114、M8 116中的每一个都被示出为图3的300，其包括唤醒接收处理器304和传输处理器302，该唤醒接收处理器304用于根据RF序列来唤醒网格接收处理器308，该传输处理器302能够以唤醒传输模式进行操作，以用于将由键控RF模型(或可替代地由整个WLAN分组)形成的唤醒序列作为序列进行发送，该序列中整个分组或RF持续时间为“1”值或者当在相等时间间隔内不传输时为“0”，将该序列作为RF发送到周围网格站点。在网格传输模式中，传输处理器302可以以IEEE 802.11ac、IEEE 802.11n、IEEE802.11g或任何IEEE 802.11帧格式来传输ACK和数据分组，或者可以以Zigbee来传输ACK和数据分组，或者可以以蓝牙分组(BLE或BLR分组)来传输ACK和数据分组。

每个站点将一系列相邻站点维持为条目，每个条目都示出有关联的链接以供参考，该条目包括远程站点标识符、该远程站点的信号强度、指示剩余电池寿命的荷电状态(SOC)，以及示出到远程网关的跳数的网关路径号(GPn)。根据这些条目可以形成度量，该度量指示最佳路由路径，该路径也确保所有网格站点电池在网格站点的整个寿命中被均匀地消耗。图2A和图2B示出了用于每个站点M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8的示例条目列表。在接收到来自相邻网格站点的唤醒帧后，接收站点唤醒，可选地将其自身设置为指定频率信道或时间信道上的特定无线协议(802.11、Zigbee、蓝牙)，使用所选协议和信道(可选地带有唤醒序列)将ACK分组发送到唤醒传输站点，针对所选协议和信道启用其网格接收器，从发送网格站点接收所传输的帧，将其放入队列，并且或者返回睡眠，或者根据从它自己的一组路由表中得出的路由指令以及其接收的分组中的任何地址信息，发送指向预期的下一网格站点的唤醒序列。

图4示出了根据本发明的示例的网格传输协议的时序图。每个网格设备M1至M8从任何其他网格设备自主运行。如先前针对图3所述，每个网格设备具有唤醒发射器，以用于向周围网格设备发送唤醒模型，该唤醒消息包括分别由分组和分组间隙形成或者由键控RF形成的1和0的唤醒序列，其中的每一个可选地被命令跟随，该命令用于建立协议、信道和用于随后使用网格发射器和网格接收器进行的通信的其他任何参数，该通信开始于网格发射器响应于其唤醒序列而将ACK发送到传输站点。

在网格设备具有要传输到另一站点的数据时，网格设备唤醒发射器使用长度为n的整个分组形成“1”值并且在相等的持续时间内不传输以形成“0”值，从而发送唤醒序列。通过发送分组(“1”值)和间隙(“0”值)的序列，可以发送唤醒序列，该唤醒序列可以可选地仅是所有网格站点通用的唤醒序列(例如使得每个站点可以建立或刷新其邻居站点表格)，或者唤醒序列可以包含不同数据速率的第一节段和第二节段，或者命令可以可选地跟随唤醒序列，该命令建立此后使用的协议和信道，如前所述。

在分层唤醒序列中，唤醒序列可以包括具有不同比特间隔定时的两个或更多个唤醒序列，例如该唤醒序列可以包括低速率的第一唤醒序列，随后是较高速率的唤醒序列，每个序列由如前所述的分组和间隙的序列形成，相比于前一序列的1和0，后续唤醒序列中的每个1或0的1或0比特持续时间t为t/2、t/4、t/8或t/16。例如，唤醒序列可以总共为2ms，如1ms中的8比特，随后为1ms中的64比特。在分层唤醒序列的另一个示例中，第一唤醒序列可以是第一唤醒节段的1和0的通用序列，随后是较高速率的第二唤醒序列，其中第二唤醒序列包括专用于特定目的地网格站点的地址。分层唤醒序列的优点在于：接收网格设备可以以相对低的速率进行采样，直到它感测到网格站点希望传输，然后以较高的采样速率检查第二唤醒节段，以确定第二唤醒序列中是否指定了其地址并且它应该被唤醒。与始终以高采样速率进行操作相比，用于唤醒序列的分层方法具有功率节省优势。唤醒序列可以由网格站点以规则的间隔传输，诸如每秒一次或每0.1秒一次，或者可以动态调整以匹配流量或利用率。

图11A示出了示例分层唤醒序列，其中在信道噪声1107之后，接收1ms长的第一唤醒序列，该第一唤醒序列包括以每比特125μs的速率传输的8比特并且具有在8比特序列上的10％的第一序列假警报率(FAR)，这意味着输入模型是互相关的，以形成互相关总和，该互相关总和与阈值corr_threshold进行比较。在该示例中，第一8比特唤醒序列1108可以与通用的8位唤醒模型互相关，该互相关针对每个比特匹配生成+1，并且针对每个不匹配生成0，结果在结束时，互相关与corr_threshold进行比较以生成触发，该触发告诉唤醒处理器继续对第二个1ms进行采样，但使用8倍的更高采样速率(并且因此功耗也更高)。设置为125μs的初始采样速率有利地具有较低的电流汲取，而仅当超过第一序列互相关阈值时才产生较高的采样速率和较高的电流汲取，其中将阈值设置为示例10％的FAR(第一唤醒序列的假检测率)。阈值corr_threshold可以根据期望的系统性能而变化为更高或更低的假警报率。如果第一唤醒序列与设备存储的模型不匹配，则设备将继续以1ms的速率采样，直到找到匹配为止。在搜索匹配的8比特序列的时间期间的电流消耗具有仅为1μA的有利的低电流消耗，并且前8比特序列1108可以是所有设备认识的公共模型。第二序列1110的持续时间也为1ms，以每比特15.6μs传输为64比特，从而导致在第二唤醒序列期间的8μA下的8倍功耗。如果第二唤醒序列与唤醒模型(可能包括专用于设备的地址或多播地址)不匹配，则设备将返回到第一个唤醒序列搜索的较低采样速率。因此，第二序列的64比特具有10^-8的低假警报率，从而确保仅20％的唤醒序列(第一序列和第二序列)指向特定站点的时间。因此，该站点的电流消耗是80％的时间为1μA，20％的时间是8μA，导致平均电流为2.6μA。与使用64比特的单个唤醒模型从而导致唤醒序列的电流汲取为8μA的情况相比，这是一个显著的改进。在一个示例分层实施例中，第一唤醒序列是1ms内的8比特，并且不包括伪随机序列，如美国专利第9,477,292号中所述的，该专利通过引用整体并入。在示例实施例中，第二唤醒序列的长度为64比特，并且第二唤醒序列的至少一部分被时间加密，使得可能的下一伪随机序列的序列被自动相关以便唤醒。另外，第二唤醒序列可以包括用于单个设备的单播地址、用于若干设备的广播地址，并且第二唤醒序列可以被包括信道分配或协议分配的附加命令跟随。

由于输入唤醒模型比特率非常低，因此可以以被采样的比特序列的比特率的速率对唤醒的RF接收器上电和掉电。对于本例中的1ms内的8比特，随后是1ms内的64比特，接收器可以在第一间隔期间以8Khz的速率并且在第二间隔期间以64Khz的速率重复上电和掉电，每个样本用于形成与唤醒模型的运行互相关结果，如美国专利第9,477,292号所述。

关于本发明之前的现有技术接入点(AP)和其他设备的唤醒模型传输，唤醒发射器模式302的特定优点在于：能够进行固件升级的任何现存的现有技术WiFi设备都可以根据本发明形成唤醒分组，因为具有任意数据内容的WLAN分组可以容易地形成为唤醒序列，其中分组长度被选择为形成“1”模型并且不传输(non-transmission)形成第一和第二唤醒序列的“0”模型，并且一旦使用现有技术WLAN方法和标准唤醒了网格设备，网格设备和现有技术WiFi设备都已经完全能够通信。以这种方式，可以容易地对现有技术WLAN设备进行固件升级，以将唤醒序列作为一系列分组和分组间隙来传输。

图4的波形402示出了示例唤醒序列，其中以规则的间隔针对网格节点广告(诸如，从404到406、从408到410以及从412到414)传输唤醒序列，或者当节点具有要通过网格传输的数据时，基于需求来传输唤醒序列。可替代地，唤醒传输可以以不频繁的速率发生，并且此后在已经接收到要转发到随后网格站点的数据时基于需求来进行。

图4A的波形420中示出了唤醒序列404到406的放大图，其中每个“1”值422和426例如由整个WLAN分组(从前导码到CRC)形成，并且每个“0”值424通过在与“1”值分组持续时间相等的持续时间内使发射器保持静默来形成，其中“1”值和“0”值各自在每个序列中具有统一的时间长度，如前所述。波形420示出了单个唤醒序列434，其中唤醒序列是接收站点的唯一地址(用于单播传输)，或者是所有站点共享的公共地址(用于广播消息)。

图4B的波形440示出了分层唤醒序列实施例，其中唤醒序列443包括第一唤醒序列442，随后是更高速率的第二唤醒序列456。可选的命令458可以遵循协议和信道选择，如前所述。

图4C示出了另一变体，其中唤醒序列469对于所有网格站点可以是相同的，并且可选地随后是设备地址(单播或广播)478，并且还可选地包括命令480。

图5A示出了网格站点A 502使用WLAN协议和预定义的信道分配向网格站点B 504发送数据的时序图。站点A 502通过向周围站点发送唤醒序列(从图3的发射器302发送作为WLAN分组/静默的1和0)而开始。站点B的地址对应于由站点A 502传输的特定唤醒序列，并且通过在间隔508期间唤醒进行响应，激活其网格发射器以用于WLAN分组，并向站点A传输确认/回执510，该站点A也已唤醒以接收作为WLAN分组的确认/回执。网格站点502传输分组512，该分组512被站点B 504确认514，并且站点A仅响应其可以从周围站点接收的唤醒分组而返回低功率模式中的睡眠，其中唤醒分组被形成为包括STN A的地址。

图5B示出了网格通信的时序图，其中针对站点M8 520通过网格向GW1 528发送分组的每个事件来重复图5A的序列。唤醒序列530、WLAN ACK 532、WLAN数据534和WLAN ACK536的序列完成了从网格站点M8到M5 522的传输。M5 522在向M8发送ACK 536之前或之后，向M2发送唤醒分组538，其在从M5向M2传输中启动相同的WLAN ACK序列540、TX DATA 542和WLAN ACK 544。类似地，从唤醒序列546开始发生从M2到M1的传递，并且网格发射器550使用所描述的任何协议将高速数据从M2发送到M1。从网格站点M1 526到网关528的数据是在最终步骤中完成的，在该步骤中，网关528可以用分组554唤醒，该分组554被确认为WLAN分组556，并且该数据被传输558和确认560。

图6A至图6G示出了与数据从图5B的M8到M5和从M5到M2的移动相对应的时间序列。波形602示出了唤醒序列从620至622被发送到M5并且由M5接收，如波形604示出了从624至626的1和0唤醒序列的接收事件，从时间628至630确认该接收事件，随后是从632至634的数据传输，远程站点从646至648确认该数据传输，这启动了从640至642的站点M5唤醒M2，从而结束了由601(竖直轴线)的事务示出的唤醒、确认、数据传输、确认和下一站点唤醒的规范循环。

在一个示例中，网格网络可以被配置用于作为本地网格操作(诸如，图10A的包裹递送示例，其中包裹的网格站点在短距离上耦合到附近的仓库接入点1027、无人机网格站点、递送卡车网格站点或住宅网格站点)。在另一个示例中，网格网络可以被配置为用于更长的长距离连接，诸如当用作图10B的邻域网格或10C的智能城市时。

对于本地网格，唤醒接收器要求接收灵敏度类似于在WLAN IEEE标准802.11n、802.11ac、Zigbee或蓝牙中使用的灵敏度，其中接收器灵敏度为大约100-110dB的链路预算，这意味着大约为10-20dBm传输功率和大约-85至-95dBm的接收器灵敏度。根据路径障碍，本地网格的每一跳中的站点之间的距离通常为30m-200m。在链路距离更长的邻域网格中，使用类似于WLAN IEEE 802.11ah或蓝牙长距离协议的更高灵敏度，其为大约125-140dB的链路预算，转换为10-25dBm的传输功率和-105至-120dBm的接收器灵敏度。使用这些度量，邻域网格中的每一跳通常可以达到200m至2km，这取决于多路径反射和路径障碍。

另外，对于邻域网格，接收器灵敏度要求大于本地网格配置。通过使用具有更低噪声系数、更大天线增益以及更窄的大约100KHz至400KHz的接收器带宽的接收器，可以实现邻域网格的增加的接收器灵敏度，而在本地网格配置上操作的唤醒接收器可以具有大约2MHz到10MHz的宽松的接收带宽。对于网格通信，通常通过将接收的RF混合到中频(IF)并对该频率进行滤波，然后对IF进行基带转换来实现接收带宽。在唤醒接收器的情况下，将输入RF转换为与本地网格通信的载波频率偏移大约2Mhz至10Mhz的IF对于唤醒接收器就足够了，而对于邻域网格通信则需要500Hkz的IF，其中对于802.11，载波通常为2.4Ghz或5Ghz。在任一种方法中，都将IF混频器的输出滤波至所述带宽，并且诸如使用二极管或基带混频器和滤波器检测包络。

图12示出了根据本发明的唤醒接收器1204的示例框图。根据RF功率的键控开/关模型，在天线1202上接收无线唤醒序列，该无线唤醒序列被接收和放大1206并施加到混频器1208，混频器1208与本地振荡器混合，该本地振荡器以诸如大约100Khz-400Khz(对于邻域(长距离)接收器)或2Mhz-10Mhz(对于本地(短距离)接收器)的频率偏移，并对其进行滤波1212，检测包络1214，检测阈值以产生和存储二进制模型，并对该模型进行相关和累加1218-1。相关器将在来自阈值检测器1216的输入唤醒序列与密钥1220-1中存储的唤醒模型匹配的点处以示例8Khz的采样速率产生峰值累加值，该峰值累加值将触发阈值检测器1222-1，并向控制器发信号以开始以第二唤醒序列的速率(对于1ms内的64比特，速率为64Khz)进行采样。作为额外的功率节省，处理电路1206、1208、1210、1212、1214、1216仅加电足够长的时间以采集样本并提供给相关器1218-1，每个部件在采样时间之前的稳定时间(settling time)加电。还应当注意，因为邻域网格应用的IF滤波器频率1212具有比本地网格应用更长的响应时间，所以相应地通过控制器1226对IF滤波器进行编程，并且稍微增加了上电占空比1228以补偿邻域网格唤醒配置所需的比本地网格唤醒配置更长的稳定时间。在本发明的一个示例中，采样速率(和图12的处理元件的上电速率)与比特率相同。在本发明的另一示例中，以1倍唤醒模型比特率的“偶数”样本和1倍唤醒模型比特率的“奇数”样本进行采样，该“奇数”样本偏移180度到“偶数”样本的中点。以这种方式，避免了采样转变的问题。

对于由从安全唤醒序列的时间得出的随机序列所保护的唤醒模型，使用多个相关器和密钥1218-1/1220-1、1218-2/1220-2、1218-3/1220-3，每个可能的密钥对应一个相关器，以涵盖临时边界密钥改变的情况。图12A示出了密钥生成1250的示例，其中每个匹配的密钥在传输站点和每个接收网格站点处均被安全地生成。信任根(root of trust)1252确保共享的公共密钥1254是可信的，并且公共密钥1254、私有密钥1256在调试事件期间被安全地提供给所有站点。调试事件可以是在制造所有网格站点设备时烧录到设备中的硬编码秘密密钥的分配，或者通过在配置事件中使用分配的秘密密钥来实现。公共密钥和私有密钥以及时钟1258被输入到单向函数1260，该单向函数1260生成输出代码，难以从该输出代码中提取产生该代码的算法。该单向函数可以是散列(hash)，或者它可以是很难找到反函数的任何函数，从而防止从通过检查单向函数1260或其输出序列的行为而获得的知识中提取用于欺骗网络的私有密钥或函数。函数1260的输出用于更新由接收唤醒相关器使用的第一密钥1220-1、第二密钥1220-2或第三密钥1220-3中的至少一个。通常，如前所述，发射器将使用第一时变密钥进行单播传输，并且使用第二时变密钥进行多播传输，或者单个密钥可以与后续字段提供的单播/多播区别一起使用。如针对图12所述，接收器密钥1220-1、1220-2和1220-3是由自动相关器使用的唤醒序列模型，并且还用作由唤醒发射器发送的唤醒序列。当安全密钥由于时间增量而改变时，发射器协议在改变为不同的安全传输密钥之前完成了当前的安全密钥传输，因此在控制器1226提供新的安全密钥之前允许完成输入相关序列，并且在每个安全密钥更新事件时，一次只需要更改一个安全密钥。

通过使用分层的第一唤醒模型和第二唤醒模型，可以在不牺牲假警报率的情况下获得更长的比特时间。第一唤醒序列主要确定比特持续时间，并且因此确定唤醒接收器采样速率，并且分层的第二唤醒序列主要确定假警报率。出于此原因，在具有可能更长的链路和更低SNR的邻域网格中，分层的第一唤醒序列和第二唤醒序列的使用更为重要，以将唤醒接收器的平均功率最小化至小于10μA，同时在第一序列和第二序列的总长度中唤醒模型长度大约为2ms的情况下将网格跳等待时间保持在小于2ms。

先前已经注意到，对于以10μA水平操作的现有技术，蓝牙能够达到5.4MB/天，并且WiFi能够达到18MB/天。然而，使用1ms/500ms的现有技术蓝牙连接将导致每跳2秒的等待时间，并且1/6000ms的Wifi将导致每跳24秒的等待时间，而本发明的1ms的第一唤醒序列和第二唤醒序列的等待时间各自导致小于每跳3ms的等待时间，从而对于蓝牙提供了约100倍的等待时间改善，并且对于WiFi提供了约1000倍的等待时间改善。

图7示出了使用分层唤醒序列的唤醒接收器的过程流程。图3的唤醒接收器304可以通过针对超低功耗的阈值对输入RF能量进行整流(整流器是无源的并且阈值检测器需要最小功率)，通过将输入RF与基带混合并放大和检测以检测RF的包络来检测RF能量704，这更加灵敏，同时消耗的电流量很小，仅略大于整流电流。当在步骤704中通过这些方法之一检测到RF分组能量时，在与图4的440相对应的持续时间中发生706低速率前导码检测过程，可选地，随后是对应于图4的456的高速率前导码检测过程708(用于分层唤醒处理)。当唤醒序列对应于特定网格接收器的单播唤醒序列时，对应的网格接收器唤醒710，启用图3的网格站点发射器302确认唤醒(使用网格WLAN分组)，接收来自相邻站点的网格分组，并发送确认，此后或者返回睡眠712并等待下一个唤醒分组704，或者将其自身的唤醒分组发送到下一跳站点，每个站点重复跳序列，直到到达目的地站点或网关。步骤710和712以虚线示出以供参考，因为这些功能是由网格发射器和接收器执行的，而不是由图7的唤醒接收器执行的。另外，对于先前已经将网格数据传输到唤醒接收器的站点，维持如图2A和图2B的表格中所描述的站点RSSI数据和其他信息，这可以通过使每个站点传输广播分组以使得所有相邻站点可唤醒并更新其相应站点表格(如图2A和图2B所示)来周期性地完成。

图3的网格站点示出了如前所述的传输处理器302，其能够通过将RF发射器接通和切断或者通过使用可用于形成唤醒序列的整个分组来传输键控唤醒序列，或者可替代地，将分组用于特定协议，包括802.11系列无线分组、Zigbee分组或蓝牙分组。另外，可以通过以下方式来形成传输开/关1/0序列：使传输处理器发送长基带分组以将其混合到载波频率并进行传输，并通过打开和关闭以下任意一项来执行开/关键控：RF放大器、混频器或将RF放大或耦合到天线的任何其他RF链部件，从而形成期望的1/0唤醒序列模型。唤醒接收器过程304将输入唤醒序列与专用于站点的接收器地址和广播地址进行比较，从而在做出匹配时使设备退出睡眠模式。可选地，唤醒处理器304还处理诸如指令的命令，该指令使网格站点能够以特定协议或信道进行操作。网格接收器308能够接收和处理如在图4中描述的在唤醒序列的可选命令部分中指定的指定协议类型和频率信道。对于某些应用，可能期望网格站点300经由GPS确定位置，或使用WiFi协议确定位置，或使用由位置和运动功能314提供的加速度计来检测移动。提供IPv6子网路由器316以用于在网格站点的子网上形成和操作，并且基于提供SOC度量向本地子网路由提供路由/邻居表318，使得在本地电池的生命周期内均会针对功耗对站点收取相同的税费。路由表还可以包括指示路由成本或可用带宽的条目，使得可以通过在路由表中包括路由利用信息来进行网格站点的均匀利用，从而在路由度量中考虑这些信息。

图8示出了用于处于网格数据传输模式中的发射器的过程流程，该流程始于在步骤802中使用整个WLAN分组或键控RF形成1和0的唤醒模型，该唤醒模型对应于单播目标设备的唤醒模型。发射器可以使用现有技术方法在信道上发射“自身CTS”，以防止其他站点在发射器正在发送唤醒序列的间隔期间进行传输。在传输自身CTS和唤醒模型之后，如果未接收到ACK，则执行重新传输步骤802，或者如果接收到ACK，则使用指定的协议806来传输网格数据，并且最终或者接收到ACK并在发生下一次传输唤醒事件时返回到步骤802，或者如果未接收到ACK，则重新传输先前的数据806。

可以将图8理解为用于通过传输所有网格站点都对其做出响应的广播序列来进行周期性广告。在广告模式中，广播唤醒序列被周期性地传输到周围网格站点(诸如，通过波形440的分层唤醒模型)，其中第一序列和第二序列的生成和传输在步骤802中被调用，其生成第一序列440和可选的第二序列442以用于分层唤醒模型。为了允许每个设备更新其在图3中的站点表格318，不频繁地传输802广告，其中ACK 804是可选的，并且没有数据被传输806或接收808。

图9示出了用于网格接收器的过程，该网格接收器仅在接收到将当前网格识别为目的地的唤醒帧时(诸如通过使用该站点的唯一唤醒模型)才上电。在步骤904中，网格接收器接收分组，对分组进行确认(如图6B-图6E的系列601所示)，并启动传输序列(唤醒、确认、传输数据、确认、睡眠)。

在使用分层唤醒序列的本发明的另一方面中，第一序列或第二序列使用随时间变化的模型，并且该模型对于本地网格中的所有设备都是已知的。唤醒接收器容易感受到的一种安全漏洞是其中侦听的敌对设备学习第一唤醒序列和第二唤醒序列并且通过重复发送唤醒序列并使接收器在不存在分组时以唤醒状态汲取过量电流来对网格设备发起“电池攻击”的漏洞。这可以通过提供一系列带时间戳的唤醒模型来解决，诸如通过使用仅网格设备知道的一系列时间同步的唯一唤醒模型，例如，其中从初始状态开始，将公共(共享)密钥以广播命令的形式发送到所有节点。在本发明的一个示例中，第一唤醒序列是网格发射器和网格唤醒接收器已知的伪随机序列。然而，由于第一唤醒序列的目的是低功率并且通常是短序列，所以这可能不是期望的。在本发明的另一个实施例中，第二唤醒序列更长并且用于带时间戳的唤醒模型，因为随后在第二唤醒序列匹配特定网格设备之后启用接收器。

图10A示出了使用本发明的示例包裹追踪和递送系统的透视图。在本发明的一个示例中，配送仓库1001具有一个或多个仓库接入点节点1027，以用于与仓库内部的网格节点进行通信，并且具有中转点节点1029以检测配备有网格设备的包裹已经离开仓库以用于配送给客户。包裹可以由无人机1002、1004、1006、1008、1010和1022以及卡车1030和1032递送，每个无人机或卡车都具有本地网格节点、GPS或其他位置跟踪系统，以及LTE无线通信系统，其诸如通过LTE无线网络1007向远程跟踪服务器传输位置和包裹状态。无人机无线站点1002、1004、1006、1008、1010、1022类似地配备有：GPS或位置跟踪系统；网格节点，其用于与它们运输的包裹或包裹网格节点进行通信；以及LTE无线系统，其用于与LTE网络1007进行通信。递送的包裹1015可以由住宅1014中的住宅网格或接入点检测，以便除了递送无人机或卡车提供的通知外还确认递送到居民。可替代地，无人机无线站点1002、1006、1008、1010、1022以及卡车无线站点1030和1032各自在接近时可以在本地彼此形成单独网格，每个站点与能够通过LTE网络1007或网格网关或接入点将更新返回提供到配送仓库1001或其他接入点的至少一个相邻站点进行通信，从而将关于包裹递送和包裹状态的数据传送到各个递送目的地客户1012、1014、1016、1018、1020、1024、1026和1028。在另一个替代实施例中，配备有网格节点的包裹将位置信息相互传输，该位置信息被传输回到仓库1001。从图10A的移动网格站点的数量可以明显看出，可能期望至少一个网格站点具有加速度计、GPS接收器或WiFi位置信息314，以指示其何时移动，使得它可以重建其邻居网格节点的数据库，并且周期性地向中央仓库1001提供位置更新，中央仓库1001将更新提供到各个包裹接收者。

图10B示出了网格网络的邻域标签跟踪示例，其中本地网格由特定家庭内的站点形成，或者可替代地，网格网络由房屋1050、1052、1054、1056、1058、1062和1064中的网格站点形成。邻域内的宠物1074和1062可能会在由固定站点位置确定的既定边界内徘徊，使得当动物移出其既定边界时(基于RSSI、GPS、到一个或多个位置的信号强度，或在意外的远程网格站点附近显示)，可以将警报与当前位置或用于提供移动矢量的连续更新的一系列位置一起发送给所有者。在一个示例中，当检查已知站点的网格网络和与动物的正常移动范围相关联的接收信号强度指示符(RSSI)在失去与已知网格站点的联系之后检测到与先前未知的网格站点的接近度时，发生发送位置消息的触发。例如，网格站点1058或1060对于与网格站点1058相邻的后院中的宠物1062来说可以是已知的，而丢失的宠物1074可以与后院1056相关联，使得当站点1056失去与宠物1074的通信或接收网关接收到宠物1074未与1056通信但与1050和1052通信的信息时，可以将指示宠物的位置的警报发送给所有者。

图10C示出了“智能城市”示例，其中每个家庭1050、1052、1056、1058、1060和1064的网格节点都与相关联的城市基础设施的各方面以及通过网格网络提供的城市服务进行本地通信，网格网络是路标1066、1068和1070以及灯杆网格站点1075和1077的一部分。可以将其他移动或固定网格站点放置在需要与其他网格站点进行通信的位置，这些其他网格站点可以随时展示自己并交换信息。

图10D示出了来自图10C的示例家庭1064，其可以包括住宅家庭安全或家庭基础设施信息系统。中央接入点1080可以与网格站点1081通信以报告电力公用事业测量，与垃圾桶网格站点1082通信以用于确认垃圾收集，与汽车1084网格设备1083通信以用于车辆安全，或者与前门网格设备1086通信，其可以检测递送的包裹。附加网格节点可以专用于安全警报系统、运动检测器、火炉和HVAC控制系统、安全相机系统以及可用于提供更有效的能量使用和增加的安全性的其他设备。

图10E示出了稀疏网格网络的示例，其中只有住宅1095具有网关1093，但是此住宅和其他住宅1095A、1095B和1095C各自具有支持网格网络的设备，诸如冰箱1091A、1091B、1092C、洗衣机1092A、1092B、1092C、烘干机1094A、1094B、1094C、洗碗机1090A、1090B、1090C以及由支持物联网(IoT)的硬件启用的其他网格设备。这些“智能”家电中的持续存在的问题是，需要对其进行设置才能将其提供给网络，这是“加入”或“关联”到无线网络的现有技术过程，需要配置IoT设备，这通常需要计算机以及访问点SSID、网络密钥和网络密钥类型的知识。因此，很少有具有这种“智能”家电的消费者有耐心或时间将它们连接到网络，并且否则可能以电子方式可读的服务代码等需要服务访问以读取设备试图提供的维修代码。在图10E的示例中，仅一个住宅1095A具有无线网关1093A，并且也许仅冰箱1091A被配置为使用该网关，或者也许没有家电被配置为使用该网关，但是根据本发明，网关1093是网格启用的。在图10E的网格网络中，不仅其他家电1090A、1092A和1094A可以使用冰箱1091A的网格站点连接到互联网以到达网关1093A，而且周围住宅1095B和1095C中的家电也可以加入该网格网络以通过网格将其数据发送到设备1091A或接入点路由器1093A，并且只要能够为每个网格节点形成彼此接收范围内的两个站点的链，网络路径就可用于每个家电或网格就绪设备通过网格设备到达网关，诸如1093A。

在本说明书中，对于信号水平，“大约”被理解为是指+/-12dB，而对于距离或其他线性测量，“大约”是指+/-50％。阐述说明书的示例是为了理解本发明，本发明的范围仅由所附权利要求书限制。

Claims (16)

1.一种用于接收分组的网格设备，所述网格设备具有唤醒接收器、网格接收器和发射器，所述唤醒接收器接收具有由射频能量的存在或不存在形成的唤醒序列的唤醒帧；

所述唤醒接收器将所述唤醒序列与唤醒模型进行比较，并且当所述唤醒序列与所述唤醒模型匹配时，启用所述网格接收器以根据至少一个无线协议来接收分组，并且还启用所述发射器；

所述发射器向发送所述唤醒分组的所述站点发送无线ACK；

启用的网格接收器接收无线分组并将它们放入队列中，此后所述发射器发送ACK并且所述网格接收器返回睡眠模式。

2.根据权利要求1所述的网格设备，其中所述无线分组是802.11分组、蓝牙分组或Zigbee分组中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的网格设备，其中所述唤醒序列具有以下至少之一：广播唤醒序列或单播唤醒序列。

4.根据权利要求1所述的网格设备，其中所述唤醒序列包括识别供所述网格接收器和所述网格发射器进行后续操作的协议类型或信道中的至少一个的命令。

5.根据权利要求1所述的网格设备，所述唤醒序列根据发射器和唤醒接收器两者已知的时间模型而改变。

6.根据权利要求1所述的网格设备，其中，当分组在接收队列中时，所述发射器发送唤醒序列，并且在接收到所述唤醒序列的确认之后，所述网格设备使用无线协议传输所述接收队列中的任何分组。

7.根据权利要求1所述的网格设备，其中所述网格设备在接收到唤醒序列之后传输网格确认。

8.根据权利要求1所述的网格设备，其中所述唤醒序列包括第一低速唤醒序列，随后是相对高速的第二唤醒序列。

9.根据权利要求8所述的网格设备，其中所述唤醒处理器以比所述第二唤醒序列低的速率来采样所述第一唤醒序列。

10.一种用于传输分组的网格设备，所述网格设备具有用于唤醒传输和网格传输的发射器，所述唤醒发射器周期性地传输1和0的唤醒序列，所述唤醒序列由键控RF或者为1的整个WLAN分组和为0的不传输间隔中的至少一个形成；

所述顺序传输和不传输从而形成1和0的序列，形成所述唤醒序列；

所述唤醒序列可选地包括指示在后续无线通信中使用的无线协议和信道中的至少一个的命令。

11.根据权利要求10所述的网格设备，其中所述唤醒序列包括第一低速唤醒序列部分，随后是第二相对较高速度的唤醒序列部分。

12.根据权利要求11所述的网格设备，其中所述第一低速唤醒序列部分是所有设备的通用序列，并且所述第二部分专用于特定设备。

13.根据权利要求10所述的网格设备，其中所述第二唤醒序列部分具有广播模型和单播模型。

14.根据权利要求10所述的网格设备，其中所述网格设备在接收到确认之后传输包括以下至少之一的无线数据分组：IEEE 802.11分组、蓝牙分组或Zigbee分组。

15.一种用于在网格设备上可操作的超低功率通信的方法，所述网格设备具有发射器、用于接收低速唤醒序列的唤醒接收器以及用于接收高速无线数据分组的网格接收器；

所述唤醒发射器周期性地传输1和0的序列，其中每个1是由整个RF分组形成的，并且每个0是在与RF分组的持续时间相对应的间隔期间通过不传输形成的；

在所述网格接收器接收到ACK分组后，所述发射器发送指向发送所述ACK的所述网格站点的数据分组，所述发射器和网格接收器此后在从接收所述数据分组的所述远程网格站点接收到ACK分组后进入睡眠模式。

16.一种用于在网格设备上可操作的超低功率通信的方法，所述网格设备具有唤醒接收器、网格接收器和发射器，所述唤醒接收器连续可操作并且可操作以检测接收的由键控RF或无线分组和间隙形成的唤醒模型；

所述唤醒接收器可操作以将接收的唤醒模型与模板模型进行比较，所述唤醒接收器此后使所述发射器发送符合以下至少之一的无线ACK分组：IEEE802.11无线分组、蓝牙无线分组或Zigbee无线分组；

所述网格接收器此后从远程网格站点接收数据；

所述发射器此后发送高速无线ACK分组，所述网格接收器和发射器此后进入睡眠模式。

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