CN114173405B - 一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统 - Google Patents

一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统，方法包括：发射端和接收端约定唤醒频率f0；当进行唤醒时，发送端以和接收端约定好的唤醒频率生成唤醒信号，所述唤醒信号由两段信号组成，分别为信号频率从唤醒频率f0开始以斜率u0线性上升或下降T毫秒的上或下扫频信号，信号频率开始以斜率u0线性下降或上升T毫秒到唤醒频率f0的下或上扫频信号；在约定的时隙发送唤醒信号；接收端在休眠状态中，在约定的时隙短暂苏醒，打开两个时长为L毫秒的接收窗口，处理两个窗口内的接收信号，如果满足唤醒条件，则进入持续苏醒状态。本发明的方法，啁啾信号不但可用于唤醒，还可以用于同步，提高系统可靠性。

Description

一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统。
背景技术
低功耗广域物联网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)是为物联网应用中的M2M(Man to Man，Man to Machine，Machine to Machine)通信场景优化的，由电池供电的，低速率、超低功耗、低占空比的，支持单节点最大覆盖可达100公里的蜂窝汇聚网关的远程无线网络通讯技术。随着物联网应用的高速发展，未来必将有海量低功耗物联网终端的接入网络，大规模部署的LPWAN网络需要能同时满足高负荷、高容量、高可靠、远覆盖、低开销、低延迟和低功耗要求。
近年来，随着大量的低功耗物联网终端接入低功耗广域物联网，终端的功耗控制将尤为重要。低功耗广域物联网中的终端，需要支持电池的长时间续航，因此终端大部分时间必须处于休眠状态才能降低功耗。如果有终端要发起通信，其在与目标终端进行通信之前，必须对目标终端实施唤醒，然后才能进行有效通信。目前的唤醒方法有三种：一是，发射载波，终端测试接收到的载波信号强度，超过门限则被唤醒，否则继续休眠；二是，发射01010101……比特流，终端计数接收到的01或10的个数，超过设定的门限则被唤醒，否则继续休眠；三是，重复发射一个数据包，终端接收到完整的其中一个数据包则被唤醒，否则继续休眠。
方法一的载波属于单频信号，由于无法保证信道很干净，容易受到非法信号干扰导致误唤醒，并且其误唤醒概率无法计算和评估，所以系统可靠性大幅度降低。方法一和方法二的唤醒信号分组少，无法实现唤醒信号的多样性。方法二和方法三为了可靠接受到唤醒信号，接受窗口的时间需要大于唤醒信号的周期，导致了功耗的增加。现有的无线唤醒技术大都繁琐，实施起来对硬件要求高。
因此，现在亟需一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统来解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统，根据本发明提供的第一方面，本发明提供一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统，包括：
发射端和接收端约定唤醒频率f0；
当进行唤醒时，发送端以和接收端约定好的唤醒频率生成唤醒信号，所述唤醒信号由两段信号组成，分别为信号频率从唤醒频率f0开始以斜率u0线性上升或下降T毫秒的上或下扫频信号，信号频率开始以斜率u0线性下降或上升T毫秒到唤醒频率f0的下或上扫频信号；
在约定的时隙发送唤醒信号；
接收端在休眠状态中，在约定的时隙短暂苏醒，打开两个时长为L毫秒的接收窗口，处理两个窗口内的接收信号，如果满足唤醒条件，则进入持续苏醒状态。
其中，所述处理两个窗口内的接收信号，包括：
在两个窗口接收信号并进行下采样得到两段采样序列；
将下采样后的两段信号和两段本地序列分别做点对点共轭相乘，相乘结果进行傅里叶变换，得到两段傅里叶变换序列，下采样后的信号和本地序列的采样率相同；
计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，若两个峰值都大于预设门限，且两个峰值频点之和的平均值0.5*(F1+F2)在规定频点范围内，则满足唤醒条件，进入持续苏醒状态。
其中，所述啁啾信号由上扫频信号和下扫频信号组成，上扫频信号公式为式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号持续时间，下扫频信号公式为/>式中f0唤醒频率，u0为调频斜率，θ用于相位调整，t～[T,2T]，T为下扫频信号持续时间。
其中，所述啁啾信号还由下扫频信号和上扫频信号组成，信号下扫频部分公式为式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号持续时间，信号上扫频部分为/>式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，θ用于相位调整，t～[T,2T]，T为下扫频信号持续时间。
其中，第一本地序列为对在时间段的信号/>下采样得到本地序列1，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号的持续时间，L为接收窗口的时间长度，第二本地序列为对在/>时间段的信号/>下采样得到本地序列2，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[T,2T]。
其中，第一本地序列为对在时间段的信号/>下采样得到本地序列1，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为下扫频信号的持续时间，L为接收窗口的时间长度，第二本地序列为对在/>时间段的信号/>下采样得到本地序列2，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[T,2T]。
其中，不同的接收端分配不同的唤醒频率。
其中，所述方法还包括：
若不准备唤醒接收端，则发送端以唤醒频率fd生成唤醒信号并且发送，fd与已分配给所有接收端的唤醒频率不同。
其中，所述方法还包括：
接收端在约定时隙打开两个时长为L毫秒的接收窗口，在两个窗口接收信号并进行下采样得到两段采样序列；
将下采样后的两段信号和两段本地序列分别做点对点共轭相乘，相乘结果进行傅里叶变换，得到两段傅里叶变换序列，下采样后的信号和本地序列的采样率相同；
计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，通过两峰值频点索引的差计算得时间偏差，根据时间偏差去调整下一次接收窗口的开窗时间。
根据本发明提供的第二方面，本发明提供无线通信技术领域快速唤醒系统，包括：
发射端和接收端，所述发射端和接收端执行上述的方法。
本发明内容提供的一种无线通信技术领域快速唤醒方法及接收端，唤醒发射信号不但可以用来唤醒，还可利用信号本身特点进行时间同步，从而达到用较短的信号进行快速唤醒的目的。相比于载波信号，唤醒啁啾信号的频率随时间线性变换，不易受信道内噪声影响，从而快速唤醒方法能够准确识别非法信号，提高系统可靠性。唤醒啁啾信号的不同唤醒频率可对应不同接收端，在有限带宽内可支持较多的接收端。信号本身可用于检测时间偏差，从而保持接收端和发送端的时间同步，因此接收端可以准确接收预设窗口中的信号，从而在休眠状态中只需要短暂苏醒打开两段短暂的L毫秒时间窗口用来接收数据，长时间休眠短暂苏醒的工作模式极大降低了功耗。快速唤醒方法的优势在于抗干扰能力强和便于硬件快速实现，且这一过程中快速唤醒信号需要两个窗口接收到的信号的峰值都大于阈值，且两个峰值频点之和的平均值在规定频点范围内，才可成功唤醒信号，这种双重判断机制相比于现有的判断机制大大减少了误唤醒的概率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种啁啾信号频率变化的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明实施例提供的一种无线通信技术领域快速唤醒方法及系统流程示意图，如图1所示，包括：
101、发射端和接收端约定唤醒频率f0；
102、当进行唤醒时，发送端以和接收端约定好的唤醒频率生成唤醒信号，所述唤醒信号由两段信号组成，分别为信号频率从唤醒频率f0开始以斜率u0线性上升或下降T毫秒的上或下扫频信号，信号频率开始以斜率u0线性下降或上升T毫秒到唤醒频率f0的下或上扫频信号；
103、在约定的时隙发送唤醒信号；
104、接收端在休眠状态中，在约定的时隙短暂苏醒，打开两个时长为L毫秒的接收窗口，处理两个窗口内的接收信号，如果满足唤醒条件，则进入持续苏醒状态。
需要说明的是，对于每次需要唤醒时，均可以采用本发明实施例提供的方法，快速唤醒接收端。
可以理解的是，所述处理两个窗口内的接收信号，包括：
在两个窗口接收信号并进行下采样得到两段采样序列；
将下采样后的两段信号和两段本地序列分别做点对点共轭相乘，相乘结果进行傅里叶变换，得到两段傅里叶变换序列，下采样后的信号和本地序列的采样率相同；
计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，若两个峰值都大于预设门限，且两个峰值频点之和的平均值0.5*(F1+F2)在规定频点范围内，则满足唤醒条件，进入持续苏醒状态。
图2是本发明实施例提供的一种啁啾信号频率变化的示意图，如图2所示，所述啁啾信号由上扫频信号和下扫频信号组成，上扫频信号公式为式中为f0唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号持续时间，下扫频信号公式为式中为f0唤醒频率，u0为调频斜率，θ用于相位调整，t～[T,2T]，T为下扫频信号持续时间。
θ用于相位调整，使上扫频信号和下扫频信号相位连续，即当t＝T时，使
在上述实施例的基础上，所述啁啾信号还可由下扫频信号和上扫频信号组成，信号下扫频部分公式为式中为f0唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号持续时间，信号上扫频部分为/>式中为f0唤醒频率，u0为调频斜率，θ用于相位调整，t～[T,2T]，T为下扫频信号持续时间。
θ用于相位调整，使下扫频信号和上扫频信号相位连续，即当t＝T时，使
在上述实施例的基础上，本发明实施例在接收端开两个时间窗口接收L毫秒长信号，对接收的信号进行下采样。接着对下采样之后的两段信号与两段本地序列做点对点共轭相乘，然后对相乘结果做N点FFT得到两段傅里叶变换序列，计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量得到能量谱，对能量谱进行频谱搬移使中心频点Fm＝(N*0.5+1)对应零频，并找到能量峰值和对应的频点索引F1和F2，若两个峰值大于预设门限M，且两个窗口的峰值频点的平均值0.5*(F1+F2)在范围[Fm-1,Fm+1]内，则唤醒成功，进入持续苏醒状态。
第一本地序列为对在时间段的信号/>下采样得到本地序列1，式中为f0唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号的持续时长，L为接收窗口的时长，第二本地序列为对在/>时间段的信号/>下采样得到本地序列2，式中为f0唤醒频率，u0为调频斜率，t～[T,2T]，T为下扫频信号的持续时长，L为接收窗口的时长。
发射端的唤醒啁啾信号特点在于其频率随时间线性变换。当接收端接收信号的时期和约定时期存在时差Δt时，接收到的信号会存在频率偏移Δf＝u0Δt，频率偏移量和时差成正比；当时差Δt存在时，采样序列1和本地序列1之间存在频率偏移Δf1，采样序列2和本地序列2之间存在频率偏移Δf2。采样序列1和采样序列2经过接收端处理，即可得时偏值。
采样序列1是上扫频信号序列，频率随着时间线性上升，频率偏移Δf1＝u0Δt，当接收时间提前Δf1为负值，当时间延后Δf1为正值。
采样序列2是下扫频信号序列，频率随着时间线性下降，频率偏移Δf2＝u0Δt，当接收时间提前Δf2为正值，当时间延后Δf2为负值。
其中，理论上两个窗口接收时期提前或者延后的状态是相同的，且时偏也相同，所以Δf1＝-Δf2，Δt正比于(Δf1-Δf2)。
在上述实施例的基础上，第一本地序列和第二本地序列的采样率相同，下采样后的信号和本地序列的采样率相同。
采样序列1和第一本地序列做点对点共轭相乘，采样序列2和第二本地序列做点对点共轭相乘；相乘结果进行傅里叶变换得到两段傅里叶变换序列；计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2；计算两峰值频点之间的差(F1-F2)，假设单位时间造成的两峰值频点差为ΔF，则接收信号的时期和约定的接收时期之间的时间偏差Δt＝(F1-F2)/ΔF；根据时间偏差Δt调整下一次接收窗口的开窗时间。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
若不准备唤醒接收端，则发送端以唤醒频率fd生成唤醒信号并且发送。
在上述实施例的基础上，所述方法还包括：
接收端在约定时隙打开两个时长为L毫秒的接收窗口，两个窗口的中心相距T毫秒时间，在两个窗口接收信号并进行下采样得到两段采样序列；
将下采样后的两段信号和两段本地序列分别做点对点共轭相乘，相乘结果进行傅里叶变换，得到两段傅里叶变换序列，下采样后的信号和本地序列的采样率相同；
计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，通过两峰值频点索引的差计算得时间偏差，根据时间偏差去调整下一次接收窗口的开窗时间。
具体的，发射端发射时长20ms的唤醒啁啾信号，啁啾信号前10ms频率从0Hz上升到80KHz，后10ms频率从80KHz下降到0Hz；取唤醒啁啾信号的4-6ms和14-16ms两段序列，下采样后做后续计算的第一本地序列和第二本地序列。
接收端在休眠之后需要被唤醒时，接收端进入接收模式，在约定的时期开两个时间窗口，接收两段2ms时间长度的信号(在500KHz采样率下，每段1000个采样点)，对其下采样得到采样序列1和采样序列2；采样序列1和本地序列1做点对点共轭相乘，采样序列2和本地序列2做点对点共轭相乘；相乘结果做1024点FFT得到两段傅里叶变换序列，计算所述两段傅里叶变换序列每个频点能量得到能量谱，对能量谱进行频谱搬移使中心频点513对应零频，并找到两段信号的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，两个峰值都大于预设门限且两个的峰值频点之和的平均值0.5*(F1+F2)在[512,514]中，则唤醒成功，进入持续苏醒状态。
当时偏Δt为1毫秒时，即约定的接收时期延后1毫秒，采样序列1和第一本地序列之间存在频偏正8KHz，采样序列2和第二本地序列之间存在频偏负8KHz。采样序列1和第一本地序列做点对点共轭相乘，采样序列2和第二本地序列做点对点共轭相乘；相乘结果做1024点FFT得到两段傅里叶变换序列，计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量得到能量谱，对能量谱进行频谱搬移使中心频点513对应零频，找到两个能量峰值对应的两个频点索引F1和F2，F1＝513+8000/500＝529，F2＝513-8000/500＝497(500KHz采样率，做1024点的FFT，则每个频点500Hz)，所以延后1ms(单位时间)造成的两峰值频点差为ΔF＝(F1-F2)＝32，所以进行时偏矫正时，时偏计算公式为：Δt＝(F1-F2)/32ms。根据Δt调整下一次接收窗口的开窗时间，当(F1-F2)＝32时，Δt＝1ms，下一次接收窗口的开窗时间提前1ms。当(F1-F2)＝-64时，Δt＝-2ms，下一次接收窗口的开窗时间延后2ms。
本发明实施例提供的一种无线通信技术领域快速唤醒系统，包括：发射端和接收端，执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：发射端和接收端约定唤醒频率f0；当进行唤醒时，发送端以和接收端约定好的唤醒频率生成唤醒信号，所述唤醒信号由两段信号组成，分别为信号频率从唤醒频率f0开始以斜率u0线性上升或下降T毫秒的上或下扫频信号，信号频率开始以斜率u0线性下降或上升T毫秒到唤醒频率f0的下或上扫频信号；在约定的时隙发送唤醒信号；接收端在休眠状态中，在约定的时隙短暂苏醒，打开两个时长为L毫秒的接收窗口，处理两个窗口内的接收信号，如果满足唤醒条件，则进入持续苏醒状态。
本实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：发射端和接收端约定唤醒频率f0；当进行唤醒时，发送端以和接收端约定好的唤醒频率生成唤醒信号，所述唤醒信号由两段信号组成，分别为信号频率从唤醒频率f0开始以斜率u0线性上升或下降T毫秒的上或下扫频信号，信号频率开始以斜率u0线性下降或上升T毫秒到唤醒频率f0的下或上扫频信号；在约定的时隙发送唤醒信号；接收端在休眠状态中，在约定的时隙短暂苏醒，打开两个时长为L毫秒的接收窗口，处理两个窗口内的接收信号，如果满足唤醒条件，则进入持续苏醒状态。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
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。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，包括：
发射端和接收端约定唤醒频率f0；
当进行唤醒时，发送端以和接收端约定好的唤醒频率生成唤醒信号，所述唤醒信号由两段信号组成，分别为信号频率从唤醒频率f0开始以斜率u0线性上升或下降T毫秒的上或下扫频信号，信号频率开始以斜率u0线性下降或上升T毫秒到唤醒频率f0的下或上扫频信号；
在约定的时隙发送唤醒信号；
接收端在休眠状态中，在约定的时隙短暂苏醒，打开两个时长为L毫秒的接收窗口，处理两个窗口内的接收信号，如果满足唤醒条件，则进入持续苏醒状态；
啁啾信号由上扫频信号和下扫频信号组成，上扫频信号公式为式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号持续时间，下扫频信号公式为式中f0唤醒频率，u0为调频斜率，θ用于相位调整，t～[T,2T]，T为下扫频信号持续时间。
2.根据权利要求1所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，所述处理两个窗口内的接收信号，包括：
在两个窗口接收信号并进行下采样得到两段采样序列；
将下采样后的两段信号和两段本地序列分别做点对点共轭相乘，相乘结果进行傅里叶变换，得到两段傅里叶变换序列，下采样后的信号和本地序列的采样率相同；
计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，若两个峰值都大于预设门限，且两个峰值频点之和的平均值0.5*(F1+F2)在规定频点范围内，则满足唤醒条件，进入持续苏醒状态。
3.根据权利要求1所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，啁啾信号还由下扫频信号和上扫频信号组成，信号下扫频部分公式为式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号持续时间，信号上扫频部分为式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，θ用于相位调整，t～[T,2T]，T为下扫频信号持续时间。
4.根据权利要求1所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，第一本地序列为对在时间段的信号/>下采样得到本地序列1，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为上扫频信号的持续时间，L为接收窗口的时间长度，第二本地序列为对在/>时间段的信号/>下采样得到本地序列2，式中f0为唤醒频率，
u0为调频斜率，t～[T,2T]。
5.根据权利要求3所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，第一本地序列为对在时间段的信号/>下采样得到本地序列1，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[0,T]，T为下扫频信号的持续时间，L为接收窗口的时间长度，第二本地序列为对在/>时间段的信号/>下采样得到本地序列2，式中f0为唤醒频率，u0为调频斜率，t～[T,2T]。
6.根据权利要求1所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，不同的接收端分配不同的唤醒频率。
7.根据权利要求1所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，所述方法还包括：
若不准备唤醒接收端，则发送端以唤醒频率fd生成唤醒信号并且发送，fd与已分配给所有接收端的唤醒频率不同。
8.根据权利要求1所述的一种无线通信技术领域快速唤醒方法，其特征在于，所述方法还包括：
接收端在约定时隙打开两个时长为L毫秒的接收窗口，在两个窗口接收信号并进行下采样得到两段采样序列；
将下采样后的两段信号和两段本地序列分别做点对点共轭相乘，相乘结果进行傅里叶变换，得到两段傅里叶变换序列，下采样后的信号和本地序列的采样率相同；
计算所述两段傅里叶变换序列每个频点的能量，并找到两段傅里叶变换序列的能量峰值和对应的两个频点索引F1和F2，通过两峰值频点索引的差计算得时间偏差，根据时间偏差去调整下一次接收窗口的开窗时间。
9.一种无线通信技术领域快速唤醒系统，其特征在于，包括：
发射端和接收端，所述发射端和接收端执行如权利要求1至8任一所述的方法。
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