TW202106073A - 低功耗的能量偵測方法及其通訊裝置 - Google Patents

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Abstract

低功耗的能量偵測方法包含下述步驟：將通訊裝置於第一時間區間進入睡眠模式；在第一時間區間後，通訊裝置於第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉通訊裝置的一部分接收功能；及依據指標訊號的能量，判斷指標訊號是否存在。通訊裝置的部分接收功能被開啟時，控制通訊裝置接收指標訊號的能量。第一時間區間及第二時間區間形成偵測週期，且通訊裝置在第二時間區間的平均功耗小於通訊裝置開啟所有接收功能的平均功耗。

Description

低功耗的能量偵測方法及其通訊裝置
本案描述一種低功耗的能量偵測方法及其通訊裝置，尤指一種利用間歇性地開啟及關閉一部分接收功能，以降低功耗的能量偵測方法及其通訊裝置。
隨著無線通訊技術的發展，可攜式裝置也支援各種無線網路協定以及連網功能。例如，平板電腦、智慧型手機或是個人數位助理等裝置可支援藍芽(Bluetooth)傳輸功能或無線保真(Wi-Fi)傳輸功能。由於可攜式裝置的電能有限，因此無線通訊中的低功耗設計技術一直是非常重要且高挑戰性的領域。在無線通訊技術中，無線終端(如可攜式裝置)與訊號存取點(如Access Point Router，AP路由器)為了維持連接狀態，需要進行少量的資料交換。因此，如何優化少量資料交換的功耗，是極為重要的議題。
在目前的無線通訊技術中，無線終端接收訊號存取點所廣播的指標訊號(Beacon Signal)的方式描述如下。無線終端為了節省功耗，會週期性地開啟所有接收功能以偵測指標訊號是否由存取點廣播。換句話說，無線終端一段時間會進入睡眠模式(Sleep Mode)，使用低電流驅動。在睡眠模式後，無線終端會進入啟動模式(Active Mode)一段時間，用高電流驅動所有接收功能以偵測指標訊號。然而，雖然在睡眠模式的無線終端具有較低的功耗，在啟動模式的無線終端具有極高的功耗。換句話說，無線終端與訊號存取點維持連接狀態的所需功耗，大部分會集中於啟動模式的時間區間內。以目前的無線通訊技術而言，無法在維持良好連線穩定性的條件下，有效地降低啟動模式的時間區間內之功耗。因此，如何在維持良好連線穩定性以及可以容忍的偵測精確度的條件下，降低無線終端於啟動模式的時間區間內之功耗，是一個重要的設計趨勢。
本案一實施例提出一種低功耗的能量偵測方法。低功耗的能量偵測方法包含將通訊裝置於第一時間區間進入睡眠模式，在第一時間區間後，通訊裝置於第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉該通訊裝置的一部分接收功能，及依據指標訊號的能量，判斷指標訊號是否存在。通訊裝置的部分接收功能被開啟時，控制通訊裝置接收指標訊號的能量。第一時間區間及第二時間區間形成偵測週期，且通訊裝置在第二時間區間的平均功耗小於通訊裝置開啟所有接收功能的平均功耗。
本案另一實施例提出一種通訊裝置。通訊裝置用以偵測訊號存取點廣播的指標訊號。通訊裝置包含收發器、能量偵測器、電源供應器及處理器。收發器用以接收指標訊號。能量偵測器用以偵測指標訊號的能量。電源供應器用以提供通訊裝置的驅動能量。處理器控制電源供應器提供的驅動能量，以使通訊裝置於第一時間區間進入於睡眠模式。在第一時間區間後，處理器調整電源供應器提供的驅動能量，以使通訊裝置於第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉通訊裝置的一部分接收功能。在部分接收功能被開啟時，處理器控制接收指標訊號的能量。處理器依據能量偵測器所接收之指標訊號的能量，判斷指標訊號是否存在。第一時間區間及第二時間區間形成偵測週期，且通訊裝置在第二時間區間的平均功耗小於通訊裝置開啟所有接收功能的平均功耗。
第1圖係根據本案一實施例所繪示之通訊系統100的方塊圖。通訊系統100可為任何有傳送裝置及接收裝置之無線通訊系統，且通訊系統100也可以使用任何合理的通訊協定進行資料傳輸。通訊系統100可包含訊號存取點AP以及通訊裝置STA。
訊號存取點AP用以廣播指標訊號(Beacon Signal) S。通訊裝置STA用以偵測指標訊號S。訊號存取點AP可為無線網路的路由器。通訊裝置STA可為任何具有連網功能的裝置，例如平板電腦、智慧型手機或是個人數位助理等終端裝置。訊號存取點AP與通訊裝置STA可以執行上行(Uplink)或是下行(Downlink)的資料傳輸。
通訊裝置STA可包含收發器10、能量偵測器(Energy Detector)11、電源供應器12及處理器13。收發器10用以接收指標訊號S或發送連線請求至訊號存取點AP。收發器10可發送及接收任何合理的無線通訊協定之無線訊號，如無線保真(Wi-Fi)的訊號。
能量偵測器11耦接於收發器10，用以偵測能量。能量偵測器11可為時間積分器，可將收發器10接收到的訊號隨時間積分，而積分後的面積即為訊號能量。
電源供應器12耦接於收發器10及能量偵測器11，用以提供通訊裝置STA的驅動能量。電源供應器12可為任何的供電裝置，例如直流電源、交流電源或電池等。
處理器13耦接於能量偵測器11及電源供應器12。處理器13可為任何形式的處理裝置，例如在媒介存取控制(Media Access Control，MAC)層上的系統單晶片處理器。處理器13也可用來處理通訊裝置STA內的基頻訊號(Baseband Signal)。在一些實施例中，能量偵測器11與處理器13也可整合為一顆晶片。任何合理的硬體變更都屬於本案所揭露的範疇。
在通訊系統100中，偵測指標訊號S的方式可為週期性的偵測。偵測週期可包含第一時間區間及第二時間區間。處理器13可控制電源供應器12的驅動能量，以使通訊裝置STA於第一時間區間進入於睡眠模式。在第一時間區間後，處理器13可控制電源供應器12的驅動能量，以使通訊裝置STA於第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉通訊裝置STA的一部分接收功能。例如將收發器10及能量偵測器11的功能間歇性地關閉及開啟。能量偵測器11在開啟時，可偵測收發器10於第二時間區間內接收指標訊號S的能量。處理器13可依據第二時間區間內接收指標訊號S的能量，判斷指標訊號S是否存在。並且，由於通訊裝置STA於第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉通訊裝置STA的一部分接收功能，故通訊裝置STA在第二時間區間的平均功耗小於通訊裝置STA開啟所有接收功能的平均功耗。通訊裝置STA在偵測週期的驅動模式細節將於後文詳述。
第2圖係為通訊系統100中，通訊裝置STA的驅動電流隨時間變化的示意圖。X軸為時間軸，Y軸為電流值(驅動電流)。通訊裝置STA在第一時間區間T1內處於睡眠模式。通訊裝置STA在睡眠模式對應的第一電流值A1很低，如0.1毫安培(mA)。第二時間區間T2接在第一時間區間T1之後。通訊裝置STA在第二時間區間T2的開始，即可開啟能量偵測對應之一部分的接收功能一段時間。例如，通訊裝置STA可於第一操作時間區間D1內開啟能量偵測對應之一部分的接收功能。在一些實施例中，第一操作時間區間D1可為500奈秒(nanosecond，ns)或是更久的時間。通訊裝置STA開啟能量偵測對應之一部分的接收功能對應的第二電流值A2較高，如40mA。通訊裝置STA於第一操作時間區間D1內，能量偵測器11可以用時間積分的方式偵測指標訊號S的能量。若指標訊號S的能量尚未達到門檻值(可依據Beacon Preamble能量的比例調整)，表示訊號存取點AP並無廣播指標訊號S。因此，處理器13可關閉通訊裝置STA的一部分接收功能一段時間以節省電力消耗。例如，通訊裝置STA可於第二操作時間區間D2內，關閉一部分接收功能。第二操作時間區間D2可為1微秒(microsecond，μs)。通訊裝置STA關閉一部分接收功能對應的第三電流值A3較低，如2mA。並且，通訊裝置STA在第二操作時間區間D2內關閉一部分接收功能後，處理器13可再次開啟通訊裝置STA的能量偵測對應之接收功能一段時間，以偵測指標訊號。換句話說，當訊號存取點AP並無廣播指標訊號S時，通訊裝置STA在睡眠模式後，可以間歇性地開啟能量偵測對應之接收功能、關閉一部分接收功能、開啟能量偵測對應之接收功能、關閉一部分接收功能…以持續地偵測廣播指標訊號S。並且，由於通訊裝置STA在睡眠模式後，有一大半時間都是操作於關閉一部分接收功能的狀態，故通訊裝置STA在第二時間區間T2的平均功耗可大幅度地降低。並且，若通訊裝置STA在第二時間區間T2仍未偵測到指標訊號S，通訊裝置STA可進入下一個睡眠模式對應的下一個第一時間區間T1，或是將系統喚起，並發送連線請求至訊號存取點AP以重新連線。
並且，若收發器10於第二時間區間T2內之時間點接收之指標訊號S的能量大於或等於門檻值，表示指標訊號S有從訊號存取點AP廣播。接著，處理器13可執行相關性判斷程序。例如，處理器13可以依據接收之指標訊號S的前置資訊(Preamble)進行匹配(Matching)程序。應當理解的是，在第2圖中，由於通訊裝置STA會間歇性地開啟及關閉一部分的接收功能。因此，指標訊號S有可能在第二操作時間區間D2廣播，而未被通訊裝置STA接收。通訊裝置STA於下一個第一操作時間區間D1接收到指標訊號S。換句話說，通訊裝置STA接收到指標訊號S的時間點可能會與訊號存取點AP廣播指標訊號S的時間點有稍微的延遲。然而，依據指標訊號S的前置資訊特性，即使通訊裝置STA稍微延遲(如1μs)接收到指標訊號S，處理器13仍然可以做出指標訊號S之存在性的正確判斷。換句話說，若接收之指標訊號S的能量的誤差值小於容忍值，處理器13仍可判斷指標訊號S存在(例如指標訊號超過一定的位元數目且符合匹配能量，即可判斷指標訊號存在)。
在通訊系統100中，通訊裝置STA於第二時間區間T2內，「間歇性」地開啟及關閉一部分接收功能之特性整理如下。若通訊裝置STA接收的指標訊號S的能量大於或等於門檻值，表示指標訊號S有從訊號存取點AP廣播，故處理器13可控制通訊裝置STA進入下一個連線階段。例如通訊裝置STA可進入第三操作時間區間D3的階段，將接收功能全開以接收指標訊號S封包之完整內容。因此，對應的第四電流值A4較第二電流值A2高，如50mA。若通訊裝置STA接收的指標訊號S的能量小於門檻值，表示指標訊號S不存在，處理器13可控制通訊裝置STA在進入下一個偵測週期時繼續偵測指標訊號S的能量。
在第2圖中，為了使具有一般常識的技術人員能夠具體地理解通訊裝置STA的平均電流計算方式以及節能的手段，以下將用一組通訊參數以計算通訊裝置STA的平均電流。然而，通訊裝置STA的通訊參數設定並不被後文所侷限。在第2圖中，通訊裝置STA所用的通訊參數可列於表1，如下所示：
第一時間區間T1： 99.4ms
第二時間區間T2： 3ms
第一電流值A1： 0.1mA
第二電流值A2： 40mA
第三電流值A3： 2mA
第四電流值A4： 50mA
第一操作時間區間D1： 0.5μs
第二操作時間區間D2： 2μs
第三操作時間區間D3： 1ms
間歇性地開啟及關閉循環次數n： 800
表1
在第2圖的波形中， 通訊裝置STA的平均電流EAVG 計算方式可為：
Figure 02_image001
ES表示第一時間區間T1內的波形面積。ES可表示為下：
Figure 02_image003
ED表示第二時間區間T2內的波形面積。ED可為第三操作時間區間D3內的波形面積，與在n次循環下的第一操作時間區間D1及第二操作時間區間D2內的波形面積的加總。ED可表示為下：
Figure 02_image005
T表示為一個偵測週期，包含第一時間區間T1及第二時間區間T2。T可表示為下：
Figure 02_image007
因此，依據表1的通訊參數，通訊裝置STA的平均電流EAVG 可推導為下：
Figure 02_image009
並且，傳統的偵測方式由於沒有節能功能，因此傳統通訊裝置的平均電流EAVG_ORIGIN 的計算方式為很直觀地將第一時間區間T1內的波形面積與第二時間區間T2內的波形面積取平均，可推導為下：
Figure 02_image011
由上述結果可觀之，依據表1的通訊參數設定，驅動通訊裝置STA的平均電流EAVG 比驅動傳統通訊裝置的平均電流EAVG_ORIGIN 低了接近0.78mA。換句話說，依據表1的通訊參數設定，驅動通訊裝置STA可以改善50%以上的節能等級。
第3圖係為通訊系統100中的通訊裝置STA執行低功耗的能量偵測方法的流程圖。通訊裝置STA偵測指標訊號S的能量方法可包含步驟S301至步驟S303。任何合理的技術變更都屬於本案所揭露的範疇。步驟S301至步驟S303描述於下：
步驟S301： 將通訊裝置STA於第一時間區間T1進入睡眠模式；
步驟S302： 在第一時間區間T1後，通訊裝置STA於第二時間區間T2內，間歇性地開啟及關閉通訊裝置STA的一部分接收功能，且於通訊裝置STA的部分接收功能被開啟時，控制通訊裝置STA接收指標訊號的能量；
步驟S303： 依據第二時間區間T2內接收指標訊號S的能量，判斷指標訊號S是否存在。
步驟S301至步驟S303的細節已於前文詳述，故於此將不再贅述。通訊裝置STA可以利用步驟S301至步驟S303，以低功耗的能量偵測方法判斷指標訊號S是否存在。並且，通訊裝置STA偵測到指標訊號S的時間點，與訊號存取點AP廣播指標訊號S的時間點之延遲非常微小(>1us)，故不會影響到偵測精確度。因此，通訊裝置STA可在不損失偵測精確度的條件下，以省電的方式偵測到指標訊號S。
在通訊系統100中，任何合理的硬體變更或是技術修正都屬於本案所揭露的範疇。舉例而言，判斷指標訊號S是否存在所用的門檻值可以自定義。通訊裝置STA短暫開啟一部分接收功能對應的第一操作時間區間D1可以自定義。通訊裝置STA短暫關閉一部分接收功能對應的第二操作時間區間D2可以自定義。並且，通訊系統100的循環檢測的次數也可以自定義。意即，使用者可以預先設定通訊系統100在M個偵測週期都偵測到指標訊號S後，才判斷指標訊號S存在。M可為正整數。或者，通訊裝置STA於第二時間區間T2內，間歇性地開啟及關閉通訊裝置STA的一部分接收功能的時間分佈或是時間長度也可以自定義。通訊系統100的偵測機制及參數設定可為週期性的調整，或可為非週期性的調整。
綜上所述，本案描述一種低功耗的能量偵測方法及其通訊系統。通訊系統包含用以廣播指標訊號的訊號存取點，以及用以偵測指標訊號的通訊裝置。通訊裝置可利用間歇性能量偵測機制，偵測指標訊號的前置資訊(Preamble)能量。由於通訊裝置利用間歇性能量偵測機制運作，故可節省電力消耗。並且，雖然傳統的通訊裝置也會進入睡眠模式，然而，當傳統的通訊裝置被喚醒後，無論是否接收到指標訊號的封包，傳統的通訊裝置所有的接收功能將持續開啟，因此造成額外的耗電。然而，在本案的通訊裝置經過睡眠模式的時間區間後，會以間歇性能量偵測機制偵測指標訊號的能量。因此，本案的通訊裝置可在不損失偵測精確度的條件下，以省電的方式偵測指標訊號。 以上所述僅為本案之較佳實施例，凡依本案申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本案之涵蓋範圍。
100:通訊系統 STA:通訊裝置 AP:訊號存取點 S:指標訊號 10:收發器 11:能量偵測器 12:電源供應器 13:處理器 T1:第一時間區間 T2:第二時間區間 A1:第一電流值 A2:第二電流值 A3:第三電流值 A4:第四電流值 D1:第一操作時間區間 D2:第二操作時間區間 D3:第三操作時間區間 S301至S303:步驟
第1圖係根據本案一實施例所繪示之通訊系統的方塊圖。 第2圖係為第1圖之通訊系統中，通訊裝置的驅動電流隨時間變化的示意圖。 第3圖係為第1圖之通訊系統中，通訊裝置執行能量偵測方法的流程圖。
T1:第一時間區間
T2:第二時間區間
A1:第一電流值
A2:第二電流值
A3:第三電流值
A4:第四電流值
D1:第一操作時間區間
D2:第二操作時間區間
D3:第三操作時間區間

Claims (10)

  1. 一種低功耗的能量偵測方法，包含： 將一通訊裝置於一第一時間區間進入一睡眠模式； 在該第一時間區間後，該通訊裝置於一第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉該通訊裝置的一部分接收功能，其中，於該通訊裝置的該部分接收功能被開啟時，控制該通訊裝置接收一指標訊號(Beacon Signal)的能量；及 依據該指標訊號的能量，判斷該指標訊號是否存在； 其中該第一時間區間及該第二時間區間形成一偵測週期，且該通訊裝置在該第二時間區間的一平均功耗小於該通訊裝置開啟所有接收功能的一平均功耗。
  2. 如請求項1所述之方法，其中在該第一時間區間後，該通訊裝置於該第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉該通訊裝置的該部分接收功能包含： 在進入該第二時間區間後，開啟該通訊裝置的該部分接收功能一第一操作時間； 若該通訊裝置開啟該部分接收功能的該第一操作時間內，該指標訊號的該能量尚未達到一門檻值，關閉該通訊裝置的該部分接收功能一第二操作時間；及 在關閉該通訊裝置的該部分接收功能該第二操作時間後，再次開啟該通訊裝置的該部分接收功能一第三操作時間，以偵測該指標訊號。
  3. 如請求項1所述之方法，其中依據該指標訊號的該能量，判斷該指標訊號的是否存在的步驟包含： 若該指標訊號的該能量大於或等於一門檻值，進入一相關性判斷程序；及 若該指標訊號的該能量的一誤差值小於一容忍值，判斷該指標訊號存在。
  4. 如請求項1所述之方法，其中依據該指標訊號的該能量，判斷該指標訊號的是否存在的步驟包含： 若該指標訊號的該能量小於一門檻值，判斷該指標訊號不存在。
  5. 如請求項1所述之方法，另包含： 若該通訊裝置判斷該指標訊號不存在，該通訊裝置進入下一個偵測週期以繼續偵測該指標訊號的該能量，或重置該通訊裝置的一連線功能；及 若該通訊裝置判斷該指標訊號存在，該通訊裝置進入下一個連線階段。
  6. 一種通訊裝置，用以偵測一訊號存取點廣播的一指標訊號(Beacon Signal)，該通訊裝置包含： 一收發器，用以接收該指標訊號； 一能量偵測器(Energy Detector)，用以偵測該指標訊號的能量； 一電源供應器，用以提供該通訊裝置的驅動能量；及 一處理器； 其中該處理器控制該電源供應器提供的該驅動能量，以使該通訊裝置於一第一時間區間進入於一睡眠模式，在該第一時間區間後，該處理器調整該電源供應器提供的該驅動能量，以使該通訊裝置於一第二時間區間內，間歇性地開啟及關閉該通訊裝置的一部分接收功能，在該部分接收功能被開啟時，該處理器控制接收該指標訊號的能量，該處理器依據該能量偵測器所接收之該指標訊號的能量，判斷該指標訊號是否存在，該第一時間區間及該第二時間區間形成一偵測週期，且該通訊裝置在該第二時間區間的一平均功耗小於該通訊裝置開啟所有接收功能的一平均功耗。
  7. 如請求項6所述之通訊裝置，其中在進入該第二時間區間後，該通訊裝置開啟該部分接收功能一第一操作時間，若該通訊裝置開啟該部分接收功能的該第一操作時間內，該指標訊號的該能量尚未達到一門檻值，該處理器關閉該通訊裝置的該部分接收功能一第二操作時間，且在關閉該通訊裝置的該部分接收功能該第二操作時間後，該處理器再次開啟該通訊裝置的該部分接收功能一第三操作時間，以偵測該指標訊號。
  8. 如請求項6所述之通訊裝置，其中若該指標訊號的該能量大於或等於一門檻值，該處理器執行一相關性判斷程序，及若該指標訊號的該能量的一誤差值小於一容忍值，該處理器判斷該指標訊號存在。
  9. 如請求項6所述之通訊裝置，其中若該指標訊號的該能量小於一門檻值，該處理器判斷該指標訊號不存在。
  10. 如請求項6所述之通訊裝置，其中若該處理器判斷該指標訊號不存在，該處理器控制該通訊裝置進入下一個偵測週期以繼續偵測該指標訊號的該能量，及若該處理器判斷該指標訊號存在，該處理器控制該通訊裝置進入下一個連線階段。
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