CN112243286A - 低功耗的能量检测方法及其通信装置 - Google Patents

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Abstract

一种低功耗的能量检测方法和一种通信装置，该能量检测方法包含下述步骤：将通信装置于第一时间区间进入睡眠模式；在第一时间区间后，通信装置于第二时间区间内，间歇性地开启及关闭通信装置的一部分接收功能；及依据指标信号的能量，判断指标信号是否存在。通信装置的部分接收功能被开启时，控制通信装置接收指标信号的能量。第一时间区间及第二时间区间形成检测周期，且通信装置在第二时间区间的平均功耗小于通信装置开启所有接收功能的平均功耗。

Description

低功耗的能量检测方法及其通信装置
技术领域
本公开描述一种低功耗的能量检测方法及其通信装置，特别涉及一种利用间歇性地开启及关闭一部分接收功能，以降低功耗的能量检测方法及其通信装置。
背景技术
随着无线通信技术的发展，便携式装置也支援各种无线网络协定以及连网功能。例如，平板电脑、智能手机或是个人数字助理等装置可支援蓝牙(Bluetooth)传输功能或无线保真(Wi-Fi)传输功能。由于便携式装置的电能有限，因此无线通信中的低功耗设计技术一直是非常重要且高挑战性的领域。在无线通信技术中，无线终端(如便携式装置)与信号存取点(如Access Point Router，AP路由器)为了维持连接状态，需要进行少量的数据交换。因此，如何优化少量数据交换的功耗，是极为重要的议题。
在目前的无线通信技术中，无线终端接收信号存取点所广播的指标信号(BeaconSignal)的方式描述如下。无线终端为了节省功耗，会周期性地开启所有接收功能以检测指标信号是否由存取点广播。换句话说，无线终端一段时间会进入睡眠模式(Sleep Mode)，使用低电流驱动。在睡眠模式后，无线终端会进入启动模式(Active Mode)一段时间，用高电流驱动所有接收功能以检测指标信号。然而，虽然在睡眠模式的无线终端具有较低的功耗，在启动模式的无线终端具有极高的功耗。换句话说，无线终端与信号存取点维持连接状态的所需功耗，大部分会集中于启动模式的时间区间内。以目前的无线通信技术而言，无法在维持良好连线稳定性的条件下，有效地降低启动模式的时间区间内的功耗。因此，如何在维持良好连线稳定性以及可以容忍的检测精确度的条件下，降低无线终端于启动模式的时间区间内的功耗，是一个重要的设计趋势。
发明内容
本公开一实施例提出一种低功耗的能量检测方法。低功耗的能量检测方法包含将通信装置于第一时间区间进入睡眠模式，在第一时间区间后，通信装置于第二时间区间内，间歇性地开启及关闭该通信装置的一部分接收功能，及依据指标信号的能量，判断指标信号是否存在。通信装置的部分接收功能被开启时，控制通信装置接收指标信号的能量。第一时间区间及第二时间区间形成检测周期，且通信装置在第二时间区间的平均功耗小于通信装置开启所有接收功能的平均功耗。
本公开另一实施例提出一种通信装置。通信装置用以检测信号存取点广播的指标信号。通信装置包含收发器、能量检测器、电源供应器及处理器。收发器用以接收指标信号。能量检测器用以检测指标信号的能量。电源供应器用以提供通信装置的驱动能量。处理器控制电源供应器提供的驱动能量，以使通信装置于第一时间区间进入于睡眠模式。在第一时间区间后，处理器调整电源供应器提供的驱动能量，以使通信装置于第二时间区间内，间歇性地开启及关闭通信装置的一部分接收功能。在部分接收功能被开启时，处理器控制接收指标信号的能量。处理器依据能量检测器所接收的指标信号的能量，判断指标信号是否存在。第一时间区间及第二时间区间形成检测周期，且通信装置在第二时间区间的平均功耗小于通信装置开启所有接收功能的平均功耗。
附图说明
图1是根据本公开一实施例所示出的通信系统的方框图。
图2为图1的通信系统中，通信装置的驱动电流随时间变化的示意图。
图3为图1的通信系统中，通信装置执行能量检测方法的流程图。
附图标记列表：
100 通信系统
STA 通信装置
AP 信号存取点
S 指标信号
10 收发器
11 能量检测器
12 电源供应器
13 处理器
T1 第一时间区间
T2 第二时间区间
A1 第一电流值
A2 第二电流值
A3 第三电流值
A4 第四电流值
D1 第一操作时间区间
D2 第二操作时间区间
D3 第三操作时间区间
S301至S303 步骤
具体实施方式
图1是根据本公开一实施例所示出的通信系统100的方框图。通信系统100可为任何有传送装置及接收装置的无线通信系统，且通信系统100也可以使用任何合理的通信协定进行数据传输。通信系统100可包含信号存取点AP以及通信装置STA。
信号存取点AP用以广播指标信号(Beacon Signal)S。通信装置STA用以检测指标信号S。信号存取点AP可为无线网络的路由器。通信装置STA可为任何具有连网功能的装置，例如平板电脑、智能手机或是个人数字助理等终端装置。信号存取点AP与通信装置STA可以执行上行(Uplink)或是下行(Downlink)的数据传输。
通信装置STA可包含收发器10、能量检测器(Energy Detector)11、电源供应器12及处理器13。收发器10用以接收指标信号S或发送连线请求至信号存取点AP。收发器10可发送及接收任何合理的无线通信协定的无线信号，如无线保真(Wi-Fi)的信号。
能量检测器11耦接于收发器10，用以检测能量。能量检测器11可为时间积分器，可将收发器10接收到的信号随时间积分，而积分后的面积即为信号能量。
电源供应器12耦接于收发器10及能量检测器11，用以提供通信装置STA的驱动能量。电源供应器12可为任何的供电装置，例如直流电源、交流电源或电池等。
处理器13耦接于能量检测器11及电源供应器12。处理器13可为任何形式的处理装置，例如在媒介存取控制(Media Access Control，MAC)层上的系统单芯片处理器。处理器13也可用来处理通信装置STA内的基频信号(Baseband Signal)。在一些实施例中，能量检测器11与处理器13也可整合为一颗芯片。任何合理的硬件变更都属于本公开所公开的范围。
在通信系统100中，检测指标信号S的方式可为周期性的检测。检测周期可包含第一时间区间及第二时间区间。处理器13可控制电源供应器12的驱动能量，以使通信装置STA于第一时间区间进入于睡眠模式。在第一时间区间后，处理器13可控制电源供应器12的驱动能量，以使通信装置STA于第二时间区间内，间歇性地开启及关闭通信装置STA的一部分接收功能。例如将收发器10及能量检测器11的功能间歇性地关闭及开启。能量检测器11在开启时，可检测收发器10于第二时间区间内接收指标信号S的能量。处理器13可依据第二时间区间内接收指标信号S的能量，判断指标信号S是否存在。并且，由于通信装置STA于第二时间区间内，间歇性地开启及关闭通信装置STA的一部分接收功能，故通信装置STA在第二时间区间的平均功耗小于通信装置STA开启所有接收功能的平均功耗。通信装置STA在检测周期的驱动模式细节将于后文详述。
图2为通信系统100中，通信装置STA的驱动电流随时间变化的示意图。X轴为时间轴，Y轴为电流值(驱动电流)。通信装置STA在第一时间区间T1内处于睡眠模式。通信装置STA在睡眠模式对应的第一电流值A1很低，如0.1毫安培(mA)。第二时间区间T2接在第一时间区间T1之后。通信装置STA在第二时间区间T2的开始，即可开启能量检测对应的一部分的接收功能一段时间。例如，通信装置STA可于第一操作时间区间D1内开启能量检测对应的一部分的接收功能。在一些实施例中，第一操作时间区间D1可为500纳秒(nanosecond，ns)或是更久的时间。通信装置STA开启能量检测对应的一部分的接收功能对应的第二电流值A2较高，如40mA。通信装置STA于第一操作时间区间D1内，能量检测器11可以用时间积分的方式检测指标信号S的能量。若指标信号S的能量尚未达到门限值(可依据Beacon Preamble能量的比例调整)，表示信号存取点AP并无广播指标信号S。因此，处理器13可关闭通信装置STA的一部分接收功能一段时间以节省电力消耗。例如，通信装置STA可于第二操作时间区间D2内，关闭一部分接收功能。第二操作时间区间D2可为1微秒(microsecond，μs)。通信装置STA关闭一部分接收功能对应的第三电流值A3较低，如2mA。并且，通信装置STA在第二操作时间区间D2内关闭一部分接收功能后，处理器13可再次开启通信装置STA的能量检测对应的接收功能一段时间，以检测指标信号。换句话说，当信号存取点AP并无广播指标信号S时，通信装置STA在睡眠模式后，可以间歇性地开启能量检测对应的接收功能、关闭一部分接收功能、开启能量检测对应的接收功能、关闭一部分接收功能…以持续地检测广播指标信号S。并且，由于通信装置STA在睡眠模式后，有一大半时间都是操作于关闭一部分接收功能的状态，故通信装置STA在第二时间区间T2的平均功耗可大幅度地降低。并且，若通信装置STA在第二时间区间T2仍未检测到指标信号S，通信装置STA可进入下一个睡眠模式对应的下一个第一时间区间T1，或是将系统唤起，并发送连线请求至信号存取点AP以重新连线。
并且，若收发器10于第二时间区间T2内的时间点接收的指标信号S的能量大于或等于门限值，表示指标信号S有从信号存取点AP广播。接着，处理器13可执行相关性判断程序。例如，处理器13可以依据接收的指标信号S的前置信息(Preamble)进行匹配(Matching)程序。应当理解的是，在图2中，由于通信装置STA会间歇性地开启及关闭一部分的接收功能。因此，指标信号S有可能在第二操作时间区间D2广播，而未被通信装置STA接收。通信装置STA于下一个第一操作时间区间D1接收到指标信号S。换句话说，通信装置STA接收到指标信号S的时间点可能会与信号存取点AP广播指标信号S的时间点有稍微的延迟。然而，依据指标信号S的前置信息特性，即使通信装置STA稍微延迟(如1μs)接收到指标信号S，处理器13仍然可以做出指标信号S的存在性的正确判断。换句话说，若接收的指标信号S的能量的误差值小于容忍值，处理器13仍可判断指标信号S存在(例如指标信号超过一定的位元数目且符合匹配能量，即可判断指标信号存在)。
在通信系统100中，通信装置STA于第二时间区间T2内，“间歇性”地开启及关闭一部分接收功能的特性整理如下。若通信装置STA接收的指标信号S的能量大于或等于门限值，表示指标信号S有从信号存取点AP广播，故处理器13可控制通信装置STA进入下一个连线阶段。例如通信装置STA可进入第三操作时间区间D3的阶段，将接收功能全开以接收指标信号S封包的完整内容。因此，对应的第四电流值A4较第二电流值A2高，如50mA。若通信装置STA接收的指标信号S的能量小于门限值，表示指标信号S不存在，处理器13可控制通信装置STA在进入下一个检测周期时继续检测指标信号S的能量。
在图2中，为了使具有一般常识的技术人员能够具体地理解通信装置STA的平均电流计算方式以及节能的手段，以下将用一组通信参数以计算通信装置STA的平均电流。然而，通信装置STA的通信参数设定并不被后文所局限。在图2中，通信装置STA所用的通信参数可列于表1，如下所示：
第一时间区间T1： 99.4ms
第二时间区间T2： 3ms
第一电流值A1： 0.1mA
第二电流值A2： 40mA
第三电流值A3： 2mA
第四电流值A4： 50mA
第一操作时间区间D1： 0.5μs
第二操作时间区间D2： 2μs
第三操作时间区间D3： 1ms
间歇性地开启及关闭循环次数n： 800
表1
在图2的波形中，通信装置STA的平均电流EAVG计算方式可为：
EAVG＝(ES+ED)/T
ES表示第一时间区间T1内的波形面积。ES可表示为下：
ES＝A1×T1
＝0.1×99.4＝9.94
ED表示第二时间区间T2内的波形面积。ED可为第三操作时间区间D3内的波形面积，与在n次循环下的第一操作时间区间D1及第二操作时间区间D2内的波形面积的加总。ED可表示为下：
ED＝(A2×D1+A3×D2)×n+A4×D3
＝(40×0.0005+2×0.002)×800+50×1＝69.2
T表示为一个检测周期，包含第一时间区间T1及第二时间区间T2。T可表示为下：
T＝T1+T2
＝99.4+3
因此，依据表1的通信参数，通信装置STA的平均电流EAVG可推导为下：
EAVG＝(ES+ED)/T
＝(9.94+69.2)/102.4
＝0.77mA
并且，传统的检测方式由于没有节能功能，因此传统通信装置的平均电流EAVG_ORIGIN的计算方式为很直观地将第一时间区间T1内的波形面积与第二时间区间T2内的波形面积取平均，可推导为下：
EAVG_ORIGIN＝(0.1×99.4+50×3)/102.4
＝1.56mA
由上述结果可观的，依据表1的通信参数设定，驱动通信装置STA的平均电流EAVG比驱动传统通信装置的平均电流EAVG_ORIGIN低了接近0.78mA。换句话说，依据表1的通信参数设定，驱动通信装置STA可以改善50％以上的节能等级。
图3为通信系统100中的通信装置STA执行低功耗的能量检测方法的流程图。通信装置STA检测指标信号S的能量方法可包含步骤S301至步骤S303。任何合理的技术变更都属于本公开所公开的范围。步骤S301至步骤S303描述于下：
步骤S301：将通信装置STA于第一时间区间T1进入睡眠模式；
步骤S302：在第一时间区间T1后，通信装置STA于第二时间区间内，间歇性地开启及关闭通信装置STA的一部分接收功能，且于通信装置STA的部分接收功能被开启时，控制通信装置STA接收指标信号的能量；
步骤S303：依据第二时间区间T2内接收指标信号S的能量，判断指标信号S是否存在。
步骤S301至步骤S303的细节已于前文详述，故于此将不再赘述。通信装置STA可以利用步骤S301至步骤S303，以低功耗的能量检测方法判断指标信号S是否存在。并且，通信装置STA检测到指标信号S的时间点，与信号存取点AP广播指标信号S的时间点的延迟非常微小(<1us)，故不会影响到检测精确度。因此，通信装置STA可在不损失检测精确度的条件下，以省电的方式检测到指标信号S。
在通信系统100中，任何合理的硬件变更或是技术修正都属于本公开所公开的范围。举例而言，判断指标信号S是否存在所用的门限值可以自定义。通信装置STA短暂开启一部分接收功能对应的第一操作时间区间D1可以自定义。通信装置STA短暂关闭一部分接收功能对应的第二操作时间区间D2可以自定义。并且，通信系统100的循环检测的次数也可以自定义。意即，使用者可以预先设定通信系统100在M个检测周期都检测到指标信号S后，才判断指标信号S存在。M可为正整数。或者，通信装置STA于第二时间区间T2内，间歇性地开启及关闭通信装置STA的一部分接收功能的时间分布或是时间长度也可以自定义。通信系统100的检测机制及参数设定可为周期性的调整，或可为非周期性的调整。
综上所述，本公开描述一种低功耗的能量检测方法及其通信系统。通信系统包含用以广播指标信号的信号存取点，以及用以检测指标信号的通信装置。通信装置可利用间歇性能量检测机制，检测指标信号的前置信息(Preamble)能量。由于通信装置利用间歇性能量检测机制运行，故可节省电力消耗。并且，虽然传统的通信装置也会进入睡眠模式，然而，当传统的通信装置被唤醒后，无论是否接收到指标信号的封包，传统的通信装置所有的接收功能将持续开启，因此造成额外的耗电。然而，在本公开的通信装置经过睡眠模式的时间区间后，会以间歇性能量检测机制检测指标信号的能量。因此，本公开的通信装置可在不损失检测精确度的条件下，以省电的方式检测指标信号。
以上所述仅为本公开的优选实施例，凡依本公开权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本公开的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种低功耗的能量检测方法，包含：
将一通信装置于一第一时间区间进入一睡眠模式；
在该第一时间区间后，该通信装置于一第二时间区间内，间歇性地开启及关闭该通信装置的一部分接收功能，其中，于该通信装置的该部分接收功能被开启时，控制该通信装置接收一指标信号的能量；及
依据该指标信号的能量，判断该指标信号是否存在；
其中该第一时间区间及该第二时间区间形成一检测周期，且该通信装置在该第二时间区间的一平均功耗小于该通信装置开启所有接收功能的一平均功耗。
2.如权利要求1所述的方法，其中在该第一时间区间后，该通信装置于该第二时间区间内，间歇性地开启及关闭该通信装置的该部分接收功能包含：
在进入该第二时间区间后，开启该通信装置的该部分接收功能一第一操作时间；
若该通信装置开启该部分接收功能的该第一操作时间内，该指标信号的该能量尚未达到一门限值，关闭该通信装置的该部分接收功能一第二操作时间；及
在关闭该通信装置的该部分接收功能该第二操作时间后，再次开启该通信装置的该部分接收功能一第三操作时间，以检测该指标信号。
3.如权利要求1所述的方法，其中依据该指标信号的该能量，判断该指标信号的是否存在的步骤包含：
若该指标信号的该能量大于或等于一门限值，进入一相关性判断程序；及
若该指标信号的该能量的一误差值小于一容忍值，判断该指标信号存在。
4.如权利要求1所述的方法，其中依据该指标信号的该能量，判断该指标信号的是否存在的步骤包含：
若该指标信号的该能量小于一门限值，判断该指标信号不存在。
5.如权利要求1所述的方法，另包含：
若该通信装置判断该指标信号不存在，该通信装置进入下一个检测周期以继续检测该指标信号的该能量，或重置该通信装置的一连线功能；及
若该通信装置判断该指标信号存在，该通信装置进入下一个连线阶段。
6.一种通信装置，用以检测一信号存取点广播的一指标信号，该通信装置包含：
一收发器，用以接收该指标信号；
一能量检测器，用以检测该指标信号的能量；
一电源供应器，用以提供该通信装置的驱动能量；及
一处理器；
其中该处理器控制该电源供应器提供的该驱动能量，以使该通信装置于一第一时间区间进入于一睡眠模式，在该第一时间区间后，该处理器调整该电源供应器提供的该驱动能量，以使该通信装置于一第二时间区间内，间歇性地开启及关闭该通信装置的一部分接收功能，在该部分接收功能被开启时，该处理器控制接收该指标信号的能量，该处理器依据该能量检测器所接收的该指标信号的能量，判断该指标信号是否存在，该第一时间区间及该第二时间区间形成一检测周期，且该通信装置在该第二时间区间的一平均功耗小于该通信装置开启所有接收功能的一平均功耗。
7.如权利要求6所述的通信装置，其中在进入该第二时间区间后，该通信装置开启该部分接收功能一第一操作时间，若该通信装置开启该部分接收功能的该第一操作时间内，该指标信号的该能量尚未达到一门限值，该处理器关闭该通信装置的该部分接收功能一第二操作时间，且在关闭该通信装置的该部分接收功能该第二操作时间后，该处理器再次开启该通信装置的该部分接收功能一第三操作时间，以检测该指标信号。
8.如权利要求6所述的通信装置，其中若该指标信号的该能量大于或等于一门限值，该处理器执行一相关性判断程序，及若该指标信号的该能量的一误差值小于一容忍值，该处理器判断该指标信号存在。
9.如权利要求6所述的通信装置，其中若该指标信号的该能量小于一门限值，该处理器判断该指标信号不存在。
10.如权利要求6所述的通信装置，其中若该处理器判断该指标信号不存在，该处理器控制该通信装置进入下一个检测周期以继续检测该指标信号的该能量，及若该处理器判断该指标信号存在，该处理器控制该通信装置进入下一个连线阶段。
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