一種自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于中、短距離通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]物聯(lián)網(wǎng)的興起和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，有力地推動著國家高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其影響大到國家經(jīng)濟(jì)、國家安全、社會穩(wěn)定，小到個人生活方式、生活質(zhì)量等各個方面。為興建智能城市，智能家居，智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)等提供了新的思路。智能型物-物互聯(lián)的存在，有效的節(jié)約了設(shè)計成本、設(shè)備和資源?，F(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)基本上是基于基站-接入點通信，接入點-接入點之間通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模式，此類應(yīng)用的發(fā)展正朝著無線傳感節(jié)點的超大規(guī)模、多功能、低成本、低功耗、壽命長的方向發(fā)展。為了做到全無線傳感節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的低功耗處理，首先是構(gòu)建非對稱的異步網(wǎng)絡(luò)，此類網(wǎng)絡(luò)中存在著少量的基站使其可進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理，其余大規(guī)模的接入點以簡單的方式配置，僅實現(xiàn)最基本的通信和傳感功能；其次是降低無線傳感節(jié)點自身的功耗和制造成本。
[0003]在傳統(tǒng)的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，基本上是完全依賴于電池供電的應(yīng)用系統(tǒng)，且性能是其最為主要的參數(shù)指標(biāo)。但隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，無線傳感器節(jié)點的大規(guī)模使用以及無線傳感器節(jié)點使用環(huán)境的高度復(fù)雜如人體局域網(wǎng)，可穿戴設(shè)備，植入式節(jié)點等應(yīng)用環(huán)境，成本低、壽命長的無線節(jié)點更加切合實際應(yīng)用需求，因此電路的性能可以降低到僅滿足功能即可，然而電池的壽命成為了最大的限制性因素。尤其是最近幾年里，電池體積小型化、低成本化并沒有帶來儲電量多的優(yōu)勢，反而越來越影響著無線傳感器節(jié)點的使用壽命。因此，降低無線傳感器節(jié)點的待機(jī)功耗則顯得非常有必要。
[0004]對于帶有喚醒接收機(jī)的無線傳感器節(jié)點來說，類似于硬件系統(tǒng)中的“看門狗”，其待機(jī)功耗僅僅消耗在喚醒部件上。而兩級喚醒接收機(jī)，充分的利用了分步喚醒，分模塊工作的思路，在滿足通信延時的條件下將無線傳感器節(jié)點的功耗降到了最低。一個帶有兩級喚醒接收機(jī)的無線傳感器節(jié)點的待機(jī)功耗約為微瓦量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的低于正常通信的接收機(jī)的功耗(一般為了達(dá)到-80dBm以上的靈敏度，數(shù)據(jù)率為Mbps的量級，其功耗約數(shù)毫瓦的數(shù)量級)。兩級喚醒接收機(jī)的功耗低的原因主要在于接收機(jī)的數(shù)據(jù)速率低，性能要求低等。這些特點使其對接收機(jī)的信噪比、噪聲系數(shù)的要求也變低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種適用于中、短距離無線通信的兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過降低接收端的成本和待機(jī)功耗，從而充分的延長接收機(jī)端的電池使用壽命。
[0006]本發(fā)明基于現(xiàn)有的無線通信協(xié)議和硬件架構(gòu)生成時域中低速數(shù)據(jù)率的自定義喚醒序列，使其滿足接收端極低功耗喚醒接收機(jī)的工作條件。此系統(tǒng)將接收機(jī)端的待機(jī)功耗降到了最低，延長了接收機(jī)端的電池使用壽命，從而有效地解決了在物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，大規(guī)模無線傳感器節(jié)點的待機(jī)壽命短以及設(shè)計成本高的問題。
[0007]本發(fā)明的自定義喚醒序列生成電路借助于中、短距離無線通信協(xié)議的編碼和調(diào)制方式以及已有的硬件電路。利用其編碼和調(diào)制方式的特點，設(shè)置不同數(shù)據(jù)序列組合的信源，以生成可以供低功耗喚醒接收機(jī)檢測的喚醒序列數(shù)據(jù)。對于無線傳感器接入點來說，待機(jī)狀態(tài)下工作的喚醒接收機(jī)的功耗是極低的。若基站發(fā)出喚醒序列后，此時一直處在工作模式下的極低功耗喚醒接收機(jī)只解調(diào)出喚醒序列中極低速率的數(shù)據(jù)，即分組序列信息。解調(diào)出分組序列后隨即將其與接入點本地存儲的分組信息進(jìn)行匹配比較和判別，若判決正確后，則使能相對較高功耗的喚醒接收機(jī)模塊解調(diào)較低速率的數(shù)據(jù)，即ID序列信息。為了滿足通信協(xié)議中對延時的需求，發(fā)送分組序列信息和ID序列信息的總時間長度應(yīng)低于協(xié)議中的某一特定值，依此即可限定分組序列信息和ID序列信息的長度。在此兩級喚醒接收機(jī)的實現(xiàn)過程中，可通過合理調(diào)整信源的數(shù)據(jù)組合和改變數(shù)據(jù)幀的數(shù)目和內(nèi)容來達(dá)到此目標(biāo)。此系統(tǒng)可適用于大多數(shù)的中、短距離無線協(xié)議傳輸系統(tǒng)，諸如W1-Fi的IEEE802.lla/b/g，IEEE 802.lln，IEEE 802.llac，IEEE 802.llah，IEEE802.15.4 以及其它的自定義協(xié)議等。
[0008]本發(fā)明提出的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由發(fā)射端的信源1，編碼及信號處理模塊2，發(fā)射機(jī)射頻前端3、通信信道4，兩級喚醒接收機(jī)5，喚醒使能信號生成模塊6，控制開關(guān)7，主通信收發(fā)機(jī)8組成，如附圖1所示。其中，發(fā)射端信源1為自定義的數(shù)據(jù)組合序列；發(fā)射端編碼及信號處理模塊2負(fù)責(zé)對自定義的信源進(jìn)行編碼和調(diào)制以得到時域里的低速數(shù)據(jù)率的自定義喚醒序列；發(fā)射機(jī)射頻前端3負(fù)責(zé)已調(diào)信號的發(fā)射，通信信道4負(fù)責(zé)信號的傳輸，兩級喚醒接收機(jī)5負(fù)責(zé)對自定義的喚醒序列進(jìn)行檢測和判斷，喚醒使能信號生成模塊6負(fù)責(zé)使能主通信收發(fā)機(jī)8，控制開關(guān)7負(fù)責(zé)接收天線與主通信收發(fā)機(jī)8的通斷。主通信收發(fā)機(jī)8為通常的數(shù)據(jù)通信模塊，其產(chǎn)生正常通信數(shù)據(jù)9。
[0009]本發(fā)明中，利用信源1中的自定義數(shù)據(jù)序列，依照通信協(xié)議在編碼及信號處理模塊2中設(shè)計生成時域中極低速數(shù)據(jù)率的序列信號和較低速數(shù)據(jù)率的序列信號這兩種信號。并通過發(fā)射機(jī)射頻前端3發(fā)射到通信信道4 ;系統(tǒng)利用極低速數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)傳輸接入節(jié)點的第一級喚醒分組信息，利用較低速數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)傳輸接入節(jié)點的第二級喚醒身份識別(ID)信息。接收端的喚醒接收機(jī)的功耗與傳遞序列的數(shù)據(jù)率相關(guān)，序列數(shù)據(jù)率越低則喚醒接收機(jī)的功耗越低。本發(fā)明的兩級喚醒接收機(jī)5為兩級喚醒接收機(jī)。依據(jù)受限的功耗需求，通過合理的配置接收機(jī)的帶寬以及相關(guān)的電路設(shè)計參數(shù)，可以分別解調(diào)出自定義的極低數(shù)據(jù)率的喚醒序列和較低數(shù)據(jù)率的喚醒序列。最終利用喚醒使能信號生成模塊6判斷是否開啟控制開關(guān)7，若控制開關(guān)7開啟則主通信收發(fā)機(jī)8開始工作，接入點進(jìn)入到正常通信狀態(tài)。
[0010]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其自定義的喚醒序列是由自定義的信源數(shù)據(jù)序列按照通信協(xié)議的規(guī)定而編碼和調(diào)制后生成的。
[0011 ] 本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其自定義的喚醒序列的時域波形是頻率極低的振幅鍵控(ASK)信號或其簡化形式ON-OFF-Keying (00K)信號。
[0012]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其自定義的喚醒序列依據(jù)通信協(xié)議的規(guī)定生成極低速和較低速兩種數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)。
[0013]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其自定義的喚醒序列中的極低速數(shù)據(jù)序列傳輸接入點的分組信息序，較低速數(shù)據(jù)序列傳輸接入點的身份識別(ID)信息。
[0014]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其自定義的喚醒序列長度受限于協(xié)議規(guī)定的通信延遲時間以及傳遞喚醒序列的數(shù)據(jù)速率。
[0015]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其兩級喚醒接收機(jī)的待機(jī)功耗處于微瓦的量級。
[0016]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其自定義喚醒序列信號處理過程參見附圖2所示。喚醒序列的信號處理分為喚醒序列生成16，喚醒序列解調(diào)17，喚醒序列判斷18，最終得到使能輸出信號19。發(fā)射端按照通信協(xié)議的規(guī)定方式編碼，利用自定義的“信源1”(“數(shù)據(jù)組1”)10和“信源2”(“數(shù)據(jù)組2”)11得到一組由分組序列12和身份識別ID序列13構(gòu)成喚醒序列生成16，并經(jīng)由射頻前端上變頻后經(jīng)天線發(fā)射；在通信協(xié)議規(guī)定的調(diào)制方式下，分組序列12以極低速傳輸14，而ID序列13以較低速傳輸15。與此同時，每一個接入點預(yù)先設(shè)置好喚醒的分組序列和ID身份序列。在喚醒序列解調(diào)17模塊，兩級喚醒接收機(jī)分別解調(diào)出解調(diào)的分組序列21和解調(diào)的ID序列20。然后將解調(diào)的序列和本地存儲的序列進(jìn)行喚醒序列判斷18，判斷結(jié)果的輸出信號為使能輸出信號19。
[0017]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其接收機(jī)架構(gòu)參見附圖3所示。包括:依次連接的接收端天線22、射頻模擬前端23、信號檢測模塊24、信號處理模塊25、1位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊26，最后得到解調(diào)信號27。接收端天線22接收信道傳遞的信號，首先經(jīng)由射頻模擬前端23實現(xiàn)對輸入信號的預(yù)處理。預(yù)處理后的輸入信號經(jīng)信號檢測模塊24完成信號檢測后，再經(jīng)過信號處理模塊25并經(jīng)由1位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊26得到解調(diào)信號27。其中，參考電壓28為輸出電平“0 “和“1”的判決電平。
[0018]本發(fā)明所述的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)，其工作流程如下(參見附圖4所示):
(1)初始時刻，接收端兩級喚醒接收機(jī)處于待機(jī)睡眠狀態(tài)29，兩級喚醒接收機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)且功耗極低的模式下工作。在發(fā)射端，喚醒序列中的分組序列和ID序列分別以不同的數(shù)據(jù)率傳輸。與此同時，每一個接入點預(yù)先設(shè)置好用于喚醒的分組序列和用于身份識別的ID序列;
(2)接收端兩級喚醒接收機(jī)只能通過極低速率數(shù)據(jù)解調(diào)31解調(diào)極低速數(shù)據(jù)率的序列信息得到解調(diào)的分組信息；
(3)判別器32判斷解調(diào)的分組信息是否與預(yù)先存儲的接入點的分組信息30—致。若一致，則觸發(fā)較低速率數(shù)據(jù)解調(diào)34開始工作，兩級喚醒接收機(jī)由待機(jī)模式無縫切換到ID識別模式，否則保持在待機(jī)模式29 ；
(4)若ID識別解調(diào)模塊觸發(fā)工作后，接收端兩級喚醒接收機(jī)可以通過較低速率數(shù)據(jù)解調(diào)34解調(diào)較低速數(shù)據(jù)率的序列信息得到解調(diào)的ID信息；
(5)判別器35判斷解調(diào)的ID信息是否與預(yù)先存儲的接入點ID信息33—致。若一致則觸發(fā)主通信收發(fā)機(jī)36開始正常的通信工作，否則將回到待機(jī)模式29，等待下一次觸發(fā)；
(6)若主通信接收機(jī)正常工作36后，基站端和接入點之間正常通信。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)勢:提出的自定義喚醒序列的極低功耗兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)可以被應(yīng)用到現(xiàn)有的中、短距離無線通信協(xié)議支持下的物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。此系統(tǒng)降低了接入節(jié)點的待機(jī)功耗，延長了接入節(jié)點的壽命，從而大大的降低了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗和成本。其應(yīng)用范圍適合于大多數(shù)的中、短距離無線通信協(xié)議，無論是不同長度的幀結(jié)構(gòu)，或者是特殊的調(diào)制方式如OFDM等，其均可以通過合理的信源序列編碼調(diào)制而得到低速的喚醒序列信號。
【附圖說明】
[0020]圖1為自定義喚醒序列的兩級喚醒接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的示意圖。