CN1771693A - 短程无线终端的自适应功率节省模式 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制短程无线终端的功耗的方法。为了能够根据终端的传输模式对功率节省状态进行调整，监视该终端的数据传输并定义描述该数据传输的至少一个参数。基于所述的至少一个参数和通过信标帧接收的信标间隔信息，动态地控制终端的功率模式，使得该终端保持在包含活动状态和功率节省状态的至少两种功率状态中的一种状态上。

Description

短程无线终端的自适应功率节省模式
技术领域
本发明一般性地涉及用于短程的基于信标的通信系统的无线终端，本发明尤其涉及在这样的终端中通过对该终端的功率状态的控制来降低功耗的机制。
背景技术
当前真正朝向移动计算和联网的发展已经导致了各种接入技术的演变，当用户离开他们自己家中的网络时，这些技术演变也能够向用户提供因特网的接入。目前，无线因特网的接入通常以短程无线系统为基础，或者以移动网络为基础，或者既以短程无线系统又以移动网络为基础。
短程无线系统具有典型的一百米或更短的通信范围。它们经常与有线连接到因特网的系统结合以提供长距离通信。短程无线系统的种类包含无线个域网(PAN)和无线局域网(LAN)。它们具有的共同特征是：在未经许可的无线频谱部分工作，通常在2.4GHz的工业、科学和医学(ISM)频带内工作，或者在5GHz的未经许可的国家信息设施(U-NII)频带内工作。
无线个域网使用低成本的、低功耗的无线设备，这些无线设备通常在大约十米的范围内进行通信。无线个域网技术中最著名的例子是蓝牙技术，它使用2.4GHz的ISM频带。它提供1Mbps的峰值空中链路速率和足够低的功耗，以用于例如PDA和移动电话这样的个人便携式电子设备。无线局域网络一般以10至100Mbps的更高峰值速度工作，并具有更大的通信范围，这就需要更大的功耗。
无线LAN系统通常是有线网络的延伸，向移动用户提供有线网络的无线接入。无线局域网络技术的例子包含针对2.4Ghz的ISM频带或5GHz U-NII频带设计，并使用正交频分复用(OFDM)技术来传送高达54Mbps的数据速率的IEEE 802.11a；针对2.4GHz的ISM频带设计并使用直接序列扩频(DSSS)技术来传送高达11Mbps的数据速率的802.11b；以及设计为在5GHz的U-NII频带内工作的HIPERLAN标准。
在无线LAN技术中，有两种基本的网络拓扑可用于网络配置：专用网络，和基础设施网络。专用网络由两个或更多的独立移动终端构成，不需基站服务，即在专用网络中，终端以对等方式进行通信。通常因为暂时的目的形成专用网络。而基础设施网络则包括一个或更多的被称为接入点的无线基站，该基站形成有线基础设施的一部分。在这种类型的网络中，所有的传输都通过接入点，而不管这些传输是否是两个终端之间的传输还是终端与有线网络之间的传输，即移动终端不以对等方式进行通信。向移动终端提供无线LAN卡，由此使得它们能够接入有线网络或建立专用网络。
到目前为止，WLAN技术主要地用于笔记本电脑，通常这些笔记本电脑是AC(交流电)供电的，但也可以在提供相当高的电池容量的电池模式下使用。为了延长电池的寿命，WLAN标准定义了特定的功率节省模式，终端可进入这种节电模式，以降低这些终端的功耗。在这种模式下，WLAN特定功耗非常低，但是这些终端必须周期性地唤醒(即，进入活动状态)以接收网络中广播的定期信标传输。在基础设施网络中，每个接入点以规则间隔发送信标帧。信标传输指示是否存在为终端缓存的传入数据包。如果存在，则终端取得这些数据包，回到休眠状态(即回到功率节省状态)，并再次醒来以侦听下一次信标传输。在没有接入点存在的专用网络中，无线终端中的一个终端假定负责发送信标帧。当已经接收信标帧时，专用网络中的每个终端等待信标间隔，并且如果在该终端所计算的随机时间延迟之后任何其它终端没有发送信标帧，则广播信标帧。随机时间延迟的目的是在专用网络的终端中循环传递信标广播责任。
终端中WLAN电源管理的一个不足之处在于它的设计假定这些终端设备是具有相对高的电池容量特性的笔记本类型的计算机。然而随着各种其它类型的个人通信设备的推出，例如具有较小尺寸因此也比笔记本电脑的电池容量低的智能电话这样的个人通信设备，当针对无线系统和终端设计这些新特性时，功耗就成为至关重要的问题。
因此需要实现这样一种解决方案，借助于该方案，在对终端的功率状态进行控制时必须考虑信标消息的WLAN类型环境中，可以降低终端的功耗。
发明内容
本发明的目的是设计一种新的机制，用于降低短程的基于信标的通信系统的无线终端的功耗，其中终端经常进入与活动模式相反、不能进行数据传输和接收的功率节省模式。这里，基于信标的系统是指以在控制终端的功率状态时必须考虑的信标消息或类似广播为特征的系统。
在本发明中，为无线短程通信终端提供传输分析实体，它根据对终端的传输的分析来控制功率节省模式。以这种方式，能够根据该终端的传输模式来调整该终端的休眠间隔。
因此本发明的一个方面是提供一种在具有至少两种不同功率状态的无线短程通信终端中控制功耗的方法。该方法包括步骤：
-以信标间隔接收信标帧；
-从信标帧中提取信标间隔信息；
-监视终端的数据传输；
-定义描述数据传输的至少一个参数；
-基于所述的至少一个参数和信标间隔信息，动态地控制终端的功率状态，使得终端保持在至少两个功率状态之一上，其中第一功率状态是活动状态，第二功率状态是功率节省状态。
在另一方面，本发明提供一种无线短程通信终端。该终端包括：
-以信标间隔接收信标的装置；
-从信标帧中提取信标间隔信息的装置；
-监视终端的数据传输和定义描述该数据传输的至少一个参数的传输监视装置；
-功率管理装置，用于基于所述至少一个参数和所述信标间隔信息动态地控制终端的功率状态，由此保持终端处于至少两个功率状态之一，其中第一功率状态是活动状态，第二功率状态是功率节省状态。
本发明的控制机制允许将终端的休眠间隔调整以适应终端当前的传输模式，由此功率节省模式可以更有效地利用没有进行发送或接收的静音周期。
本发明的其它特性和优点将通过参照下列详细的描述和附图变得明显。
附图说明
下面，将参照附图的图1至图6中所示的例子更详细地描述本发明和它的优选实施例。
图1图解的是其中可有利地实现本发明原理的通信环境的例子；
图2图解的是本发明中利用的MAC实体；
图3图解的是终端通常的唤醒和休眠周期；
图4图解的是根据本发明一个实施例的基本终端结构；
图5是图解本发明传输分析实体的一个实施例的流程图；
图6是图解根据本发明一个实施例的终端的基本部分的方框图。
具体实施方式
本发明的终端是短程无线通信终端，最好是基于无线局域网的IEEE 802.11标准的终端。而且，本发明的终端最好既可以在基础设施模式下工作又可以在专用模式下工作，尽管它们也可如下所讨论的那样只是专用网中可用的设备。
图1图解的是其中可有利地实现本发明原理的环境，即通常的WLAN通信系统的例子。该系统包含一个或更多的WLAN网络100，每个网络通过网关101(路由器)与另一个网络相连，例如与包含服务提供商102的因特网的网络相连。每个WLAN网络包括一个或更多的接入点103，每个接入点与其覆盖范围即小区内的终端进行无线通信，因此形成终端与有线网络之间的桥梁。
在基础设施网络中，接入点和至少一个终端形成基本服务集(BSS)。而一系列的BSS则形成扩展服务集(ESS)。这些BSS通过分布系统(DS)彼此相连，分布系统可以是例如以太LAN、在其内发送TCP/IP包的有线网络，或无线网络，或这两种网络的组合。然而，IEEE 802.11LAN的基本类型是独立的BSS(IBSS)，它由两个或更多的终端组成。IBSS的终端形成专用网络110。由于本发明并不涉及WLAN系统的结构，这里不进行更详细地讨论。
终端可以是便携式计算机、PDA设备、智能电话或其它这样的移动终端120。以与普通GSM电话相同的方式，终端可由两部分构成：实际用户设备，例如便携式计算机(带有软件)，和SIM卡(用户识别模块)，由此从网络的观点来看，只有当SIM卡插入用户设备时，用户设备才变成可以进行工作的终端。SIM卡例如可以是在GSM(全球移动通信系统)网络或在UMTS(通用移动通信系统)中使用的用户识别模块。在后者情况下，它被称为USIM(通用业务识别模块)。然而，终端可同样是未使用SIM卡的传统WLAN终端。
系统通常进一步包含WLAN网络的认证服务器130。认证服务器通过安全连接与上述的网关相连，该连接通常是通过运营商网络或通过因特网建立的TCP/IP连接。如下所述，在基础设施网络中，接入点广播信标消息30，而在专用网络中，终端共享这份责任。
IEEE标准802.11定义了无线LAN的物理层选项和MAC(介质访问控制)层协议。图2图解的是IEEE 802.11标准的协议体系结构。如图所示，实际MAC协议工作在OSI分层模式的第二层中的较低子层，这个第二层被称为数据链路层(DLL)。MAC管理层支持关联和漫游功能，并进一步控制例如功率节省功能、认证和加密机制、以及终端同步。MAC管理层进一步维护MAC层管理数据库，即MAC层的MIB(管理信息数据库)。MAC层与物理管理层合作以维护该数据库。
物理层被分为两个子层，它们是PLCP(物理层汇聚协议)子层和PMD(物理介质相关)子层。PLCP的目的在于提供对PMD的最小相关性以简化物理层和MAC层之间的接口。
众所周知，在WLAN网络中，信标帧被周期性地广播，以使终端能够按照有序方式建立和维护通信。图3图解了以规则间隔发送信标帧30。每个帧携带各种信息，可包含例如有关WLAN的标识符、时间标签和信标间隔值的。信标间隔，即两个相继信标传输之间的时间量确定何时终端可进入功率节省模式以及何时终端必须被唤醒以侦听信标传输时。在信标之间，只要终端没有要发送或接收内容，终端就可以进入功率节省模式。在这个休眠间隔中，终端的WLAN特定功耗非常低。终端通知接入点何时其将进入功率节省状态，使得接入点知道开始缓冲针对该终端的传输。本休眠间隔实现是静态的，其中在终端的制造阶段配置有固定休眠间隔特性。这些固定特性设置了终端的休眠/唤醒节奏设定的限制。
在本发明中，通过调整休眠间隔以适应终端的传输模式，使得功率节省模式相适应。如图4所图解的那样，图4图解了根据本发明的一个实施例的基本终端体系结构，通过在终端的MAC和应用层之间插入传输分析器40来实现该结构。传输分析器是对终端传输模式进行分析，并基于该分析和信标间隔来定义终端当前的休眠间隔特性的实体。随着该分析被连续进行，休眠间隔动态地适应终端的传输模式。
图5是图解传输分析器的操作的一个实施例的流程图。传输分析器接收包含终端的传入和传出传输，或至少包含描述此传输的参数的输入数据。输入数据进一步包含通过信标帧接收的信标间隔信息。基于该输入数据，包分析器确定(测量)包的大小和包的间隔(步骤50)，并定义描述该终端传输模式的第一组参数。因此这组参数通常包含描述包的大小和包的间隔的参数，例如最大，最小和平均包大小和间隔，和/或包的大小和间隔的分布。基于这些参数，包分析器确定描述休眠间隔的第二组参数(步骤51)。第二组参数通常包含指示休眠间隔的定时、长度和频率的参数。然后包分析器将所定义的休眠间隔通知给MAC层的功率管理功能。为了当传输模式发生显著变化时立刻改变休眠间隔参数，连续地对传输模式进行分析。例如，所定义的休眠间隔的参数可以被写到MAC MIB中。
在上述的实施例中，传输分析器是为MAC层提供控制信息的分立实体，MAC层根据控制信息控制终端的功率状态。然而，包分析器也可以和MAC层集成，使得分析器直接控制功率状态。在这种情形中，休眠间隔参数不必象定义MAC层内的实际控制实体的所述参数那样进行类似的定义。
取决于输入数据的内容，本发明存在两个基本实施例。在第一个实施例中，输入数据除包含信标间隔之外，还包含传入和传出传输，或包含描述所述传输的参数。在第二个实施例中，传输分析实体进一步提供有针对应用层的接口(如图4中的虚箭头所示)。通过这个接口，传输分析器从驻留在终端中的应用程序和/或从用户获得附加输入数据。每次由活动的应用程序提供附加输入数据，并且所述数据描述当确定休眠间隔特性时传输分析器必须考虑的要求。此附加数据可包含表示应用程序发现可接受的、表示服务边界的限制值。另一种可选方式是应用程序将所要求的服务质量(QoS)级别通知给传输分析实体。然后在传输分析器中将该级别映射到相应的参数。应用程序也可以设置一组QoS要求，从这些要求中用户和/或终端可以根据条件选择所希望的要求。这意味着为休眠间隔指定某些初始特性，这些初始特性满足应用程序的QoS要求。之后，当运行该应用程序时，传输分析实体分析传输，例如介质访问间隔，并根据分析和应用程序和/或用户所给出的限制值来调整初始特性。
传输分析实体可以在信标间隔中数次控制终端进入功率节省模式，或者可以定义持续不止一个信标间隔的休眠间隔。可以定期地发送信标帧，或者可以使用自适应的信标间隔。自适应的信标间隔适应信标发送实体(接入点或专用节点)所经历的负载。像这样的信标发送方法被公开在共同待决的2003年3月提交的美国专利申请10/400233中。在这种方法中，如果负载减少足够的量，就减小信标间隔，如果负载增加足够的量，则增加信标间隔。例如可以按照信道利用率水平来测量负载。最好通过分别在固定信标传输时刻之间加入信标传输时刻和在固定传输时刻之间去掉信标传输时刻来减小和增加信标间隔。加入和去掉传输时刻，使得所有的传输时刻在时间区域均匀分布。
图6图解的是根据本发明的一个实施例终端的基本单元。移动终端600包括配备有至少一个天线602的收发器601，控制单元603，用于建立用户能够借以操作终端的用户接口的用户接口装置604，可以包含一个或更多的例如SIM卡的智能卡506的存储器装置605。然而正如上面所讨论的那样，在传统的WLAN终端中未包含SIM卡。控制单元执行如上所描述的基本功能，即监视传输和控制功率状态，所需要的控制信息存储在存储器装置中。通过用户接口装置，用户可以输入控制过的附加输入数据。
本发明的方法可以结合标准的WLAN终端使用。然而，该方法也可以结合只用于专用网络的终端使用。纯专用设备的例子可以是各种游戏终端、与自动售货机相连的付款终端、或可以与其它终端交换文件的电子记事本。也可以在以对终端的功率状态进行控制时必须考虑的信标消息或类似广播为特征的不同短程无线网络中使用该终端。
尽管上面参照附图所示的例子对本发明进行了描述，然而很明显的是本发明并不限于这些例子，而是在不违背本发明的范围和实质情况下，可以由本领域里的技术人员对其进行修改。例如，终端的另一个实体可分析传输并向传输分析器提供传输参数，传输分析器则定义休眠间隔特性和/或控制功率状态。而且，传输分析器不必在终端的MAC和应用层之间，它也可以驻留在终端的其它任何地方。

Claims (17)

1.一种在具有至少两种不同功率状态的无线短程通信终端中控制功耗的方法，该方法包括步骤：
-以信标间隔接收信标帧；
-从信标帧中提取信标间隔信息；
-监视终端的数据传输；
-定义描述数据传输的至少一个参数；
-基于所述的至少一个参数和信标间隔信息，动态地控制终端的功率状态，使得终端保持在至少两个功率状态之一上，其中第一功率状态是活动状态，第二功率状态是功率节省状态。
2.如权利要求1所述的方法，其中监视步骤包含监视数据传输的包的大小和包间隔。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个参数描述包的大小和包间隔。
4.如权利要求1所述的方法，其中控制步骤包含确定体眠间隔，该休眠间隔定义可以处于功率节省状态的时间段。
5.如权利要求4所述的方法，其中确定步骤包含确定指示休眠间隔的定时、长度和频率的参数。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括提供附加输入数据的步骤，该附加输入数据包含描述由终端中活动的应用程序为控制步骤设置的要求的至少一个要求参数。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述至少一个要求参数指示终端可以连续处于功率节省状态的最大时间段。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述至少一个要求参数指示应用所需的服务质量(QoS)级别。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括将服务质量级别映射到控制步骤的输入参数的步骤。
10.一种用于无线通信短程通信系统的无线终端，该无线终端包括：
-以信标间隔接收信标的装置；
-从信标帧中提取信标间隔信息的装置；
-监视终端的数据传输和定义描述该数据传输的至少一个参数的传输监视装置；
-功率管理装置，用于基于所述至少一个参数和所述信标间隔信息动态地控制终端的功率状态，由此保持终端处于至少两个功率状态之一，其中第一功率状态是活动状态，第二功率状态是功率节省状态。
11.如权利要求10所述的无线终端，其中传输监视装置包含适于分析包的大小和包的间隔的包分析器。
12.如权利要求10所述的无线终端，其中功率管理装置包括针对驻留在终端内的应用的接口，用于从应用接收附加输入数据，该附加输入数据包含描述该应用针对功率管理装置设置的要求的至少一个要求参数。
13.如权利要求10所述的无线终端，其中终端是WLAN终端。
14.一种短程无线通信系统，包括：
-配置成以信标间隔广播信标帧的至少一个系统实体；
-配置成从信标帧中提取信标间隔信息的至少一个无线终端，
其中所述至少一个无线终端被配置有：(1)监视所述至少一个无线终端的数据传输并定义描述数据传输的至少一个参数的传输监视装置；和(2)功率管理装置，基于所述至少一个参数和所述信标间隔信息动态地控制所述至少一个无线终端的功率状态，由此保持所述至少一个终端处于至少两个功率状态之一，其中第一功率状态是活动状态，第二功率状态是功率节省状态。
15.如权利要求14所述的短程无线通信系统，其中所述至少一个系统实体是无线终端。
16.如权利要求14所述的短程无线通信系统，其中所述至少一个系统实体是与有线网络连接的接入点。
17.如权利要求14所述的短程无线通信系统，其中传输监视装置包含适于分析包的大小和包的间隔的包分析器。
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