專利名稱：用于低功率無線電設備的應答器輔助喚醒的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及在兩個低功率設備之間建立連接。當兩個設備希望彼此連接時，必須發出連接所需的某種通知。設備可能總是或不時用信號通知它們的需求。另外必須就節省電池電量進行一些折中，尤其是在旨在用作出售商品的小型的簡單設備中。例如，CD光盤可能在其封面中設有小的電子芯片，當顧客想要了解有關該CD的詳細信息時，他可以從該芯片中獲取URL放到他的藍牙設備中。
此問題還可以通過一種系統來解決，在這種系統中，所有設備周期性地發送通告信號，并在同一個頻率上監聽一會兒，看是否有應答(時間驅動)。在此情況中，設備在發送應答消息的時候發送連接的需求。這種類似信標的解決方案的缺點在于，與實際使用無關，工作時間受限于電池電量和信標操作的平均功耗。
功耗是采用短距離無線電鏈路的電池供電設備的關鍵指標。連接建立要求低功率無線電模塊進行自我通告或周期性地監聽其它的通告設備。因此，無線電系統需要周期性地被激活，通常占空比低于1％。因此，即使附近沒有其它設備，該設備也會不斷耗用一定的能量來嘗試建立連接，從而使電池使用時間成為一個限制因素。
兩個電池驅動(非拔插式)設備之間的無線通信提出了特殊的設備發現準則(從無線電角度的空閑模式操作)，因為兩個設備常常可能不是一直處于激活狀態。因此，在連接建立、功率效率和距離范圍之間進行折中是不可避免的。在藍牙(BT)技術中，此折中是通過對連接建立延遲和空閑模式的空占比進行折中來實現的。參見BT基帶規范。
在此方案中，所有設備在預定義的頻率中發送設備通告消息，之后在同一個頻率中監聽可能響應一段短暫的時間。換言之，低功率設備的無線電部分將以時間驅動的方式被激活，其中，激活間隔是應用驅動的，它基于連接建立延遲和設備的功率效率要求。然而，對時間驅動通告消息的響應是事件驅動的，即響應設備有需要與通告設備建立連接。
該發現方案的一項自然增強措施是，由需要建立連接的設備發送喚醒消息，以避免不必要的周期性通告，因為這會消耗功率。實現此目的的方法是，休眠中的設備有規律地開啟它的RF前端LNA(低噪聲放大器)和RSSI(相對信號強度指示器)測量裝置(即具有應答器)來檢測接收到的能級是否超過閾值，如果是的話，則將其視為喚醒消息。較之需要增加總發送和接收鏈的周期性通告，本方案顯然更有功率效率。不幸的是，如果只激活RF前端和LNA，則頻帶濾波器內的所有能量將包含在RSSI測量值中，并且例如在2.4GHz的ISM中，微波爐可能使該設備保持激活狀態，即喪失了功率效率獲益。
已提出了如下基本技術-應答器體系結構(參見圖2)；-用于無線傳感器的利用RF場能量的應答器(參見圖3)；以及基于此概念的合適功率檢測器的技術實施方案(參見圖4)。
現有技術中已有一種連接建立協議，其包括供設備或人用于廣播其存在的預定義信道。
要改進的是，由希望建立連接的設備來采取主動步驟。現在，旨在建立連接的休眠設備利用應答器或其它適合的傳感器監聽喚醒信號(事件驅動)。這樣就不需要周期性的通告信號，從而可以節省電力。類似的解決方案還有海事導航中已知的“雷達信標”系統。
一個問題是，應答器(或其它傳感器)可能因諸如其它藍牙設備/WLAN(無線局域網)設備/ISM(2.4GHz上的工業、科學和醫用頻率)設備、微波爐等設備頻帶上的任何能量而被激活。
第一種時間驅動的系統在無線電電平提高的區域，如具有大量射頻發送設備(如小型電話、低功率無線電對講機、汽車的無線電控制中央鎖等)的城鎮中適用。
第二種事件驅動的系統在無線電電平降低的區域，如幾乎沒有射頻發送設備的鄉村中適用。
現有技術中并沒有提出一種可以同時適用城市和鄉村(即充滿高射頻和低射頻的區域)的解決方案。
所有上述用于喚醒和通信建立的方法不適用于不了解ISM頻帶活動性的使用環境。因此，需要一種能夠克服這些問題的喚醒和通信建立方法及設備體系結構。
因此希望有一種能夠獨立于實際環境條件，以可能的最低功耗工作的低功率電子設備解決方案。
還希望有一種方法，用以獨立于實際環境條件，以可能的最低功耗操作具有應答器輔助喚醒和連接建立功能的低功率電子設備。
在本發明的一個實施例中，提供了一種用于低功率無線電設備的應答器輔助喚醒和連接建立的方法。該方法包括在所述低功率無線電設備的休眠模式下檢測喚醒事件，例如場強指示信號，使所述無線電設備進入工作狀態，在工作狀態下，所述設備通過無線電發射發送至少一個通告消息。該方法的特征在于如果沒有響應所述發送的至少一個消息的應答，則使所述低功率設備進入被動模式預定的一段時間。
要注意的是，所述至少一個通告消息的發送可以包括在某個信道上多次發送若干通告，例如發送一個通告五次或更多次。意圖并不在于使本發明僅限于一個發送通告。發送所述至少一個通告消息可包括一段時間，其中采用時間驅動通告。還可以將設備等待應答的時間設為預定的一段時間。
被動模式是根本不檢測喚醒事件的模式，或者檢測喚醒事件但不基于喚醒事件執行連接建立操作。被動模式可以區分不同類型的喚醒事件，例如測得的能量，以及例如通過使被動模式無效的開關激活設備而實現的直接輸入。
根據本發明連接建立過程，喚醒事件的檢測可以與不同的時間幀相關聯，如所述低功率設備的通告重復持續時間、能量掃描持續時間和能量測量持續時間。通告重復持續時間是與連接建立期間要由設備接收的兩次連續通告或能量發送之間的時間相關的值。通告重復持續時間可以比兩次預期的連續通告之間的時間短，以確保至少每第二個通告可以被接收到并被檢測為喚醒事件。通告重復持續時間可以比一個預期通告的周期短，以確保每個發送的通告可以被檢測為喚醒事件。通告重復持續時間表示使設備進入所述被動模式的時間間隔。
能量測量持續時間表示掃描持續時間內檢測能量的采樣時間。能量測量持續時間應與預期喚醒事件的特性相關，例如與能量突發的持續時間或對方設備的通告的持續時間相關聯。能量測量持續時間可以與低功率無線電設備的物理測量精度相關。
掃描持續時間與設備進入被動模式之前可以進行測量的時間相關。為了減少能量測量的次數，每個掃描周期只可以執行一次能量測量。為了能夠進行一組測量，設備可以利用多個連續的掃描持續時間來執行多次能量測量。
顯然，這三個值定義的時間幾乎可以是隨意選擇的。但如上所述，通告重復持續時間應該比兩次預期的連續通告之間的時間短。能量掃描持續時間應該比能量測量持續時間長，以允許至少一次完整的測量。為了最大程度地節省電力，通告重復持續時間應該比掃描持續時間長。通告重復持續時間和掃描持續時間之間的關系定義具有高ISM活動性的環境中的設備的空占比。掃描持續時間和通告重復持續時間的總和表示具有高ISM活動性的環境中設備在時間驅動模式下的空占比。
喚醒事件可以通過RF能量接收來定義，例如通過RF檢測器的輸出電壓來定義。喚醒事件還可以包括閾值，以確保通告或發送設備實際上接近。利用閾值，可以在一組能量掃描或命令測量持續時間內測得的能量超過所述能量閾值時定義喚醒事件。所述能量閾值可以相對于所述低功率無線電設備的期望工作范圍來定義。該閾值還可以調整，以使設備能夠排除遠距離低能量源觸發喚醒事件。
所以，在本發明中，純應答器操作的(事件驅動的)連接建立擴展為具有靜寂時間的時間驅動方法。靜寂時間為所述方法增添了時間驅動特征，如果無線電源如微波爐產生連續的喚醒事件，該方法便可以防止連續發送通告消息。因此，與在導致某些應用功率使用效率低的預定義信道上發送周期性通告相比，在附近有很少的其它設備的情況下，本發明的方法僅在檢測到喚醒事件的情況下才發送。
與應答器可能對非期望設備(如微波爐、WLAN、藍牙等)的能量作出反應的事件驅動的喚醒方法相比，根據本發明的方法防止了低功率無線電設備浪費能量來嘗試聯系實際并不存在的設備。
可以看出，本發明結合了時間驅動和事件驅動方法的優勢特征。因此-在活動稀疏的區域(幾乎沒有任何ISM頻帶活動)中，系統可以以與純事件驅動方法一樣的功率效率工作；以及-在活動密集的區域(存在大量ISM頻帶活動)中，系統可以以與純時間驅動方法幾乎一樣的功率效率工作。
圖1說明了此優點。
在另一個示范實施例中，本發明方法還包括在從某設備接收到應答時，與所述設備建立連接并向其發送數據。這允許應答器象常規應答器一樣建立連接。本發明方法甚至在成功喚醒并建立連接之后仍可以通過應答器靜寂時間來加以擴展，以便延長工作時間。
應注意，如果例如定時器或其它部件已激活，則可以跳過使設備進入工作狀態的步驟。
在另一個實施例中，本發明方法還包括在所述低功率無線電設備的所述被動模式下檢測第二喚醒事件，確定所述設備是否處于被動模式，以及保持在被動模式，廢棄所述喚醒事件。這可以例如通過請求在進入所述被動模式的第一次未成功連接建立嘗試期間開始的定時器來實現。
在所述低功率無線電設備的所述被動模式下檢測第二喚醒事件還可以導致所述無線電設備轉換到部分工作狀態，以判斷所述設備是否仍處于被動模式，例如，判斷所述預定的一段時間是否屆滿，如果所述預定的一段時間尚未屆滿，則返回到所述被動模式。
如果所述時間屆滿或已經不在被動模式，則該設備可以自行直接進入工作狀態。
在另一個示范實施例中，本發明方法還包括在所述預定的一段時間屆滿之后使所述無線電設備進入工作狀態。此喚醒過程為低功率設備增添了時間驅動喚醒特征，該過程在連接建立嘗試未成功之后開始。
另一個示范實施例中，本發明方法還包括只激活必需的無線電部件，即檢測所述喚醒事件所需的無線電部件。此激活操作將在檢測所述喚醒事件的所述操作之前執行。如果喚醒事件是在所述低功率設備的整個工作頻帶上測得的能級，則所述必需的無線電部件包括天線、功率檢測器和用于將所述接收到的能級信息發送到無線電控制單元的裝置。所述必需的無線電部件還可以包括濾波器和低噪聲放大器，可用于檢測超過幾毫米的距離上發送的RF能量。當所述必需無線電部件處于激活狀態以檢測喚醒事件表示時，所述設備處于休眠模式。
在又一個示范實施例中，本發明方法還包括在使所述無線電設備進入工作狀態之后發送通告消息。連同時間驅動的喚醒操作過程，該設備還可以提供現有技術已知的時間驅動的喚醒和連接建立操作過程。因此，控制器或另一個邏輯單元可以決定要采用這兩種模式中的哪一種模式來操作該低功率無線電設備。這可以通過例如對喚醒事件和未成功的通信建立嘗試計數并比較這兩個數字來實現，如果該關系在某個閾值之上或之下，則使該設備在時間驅動模式下工作一定時間間隔。
在又一個示范實施例中，檢測所述喚醒事件的所述步驟包括接收從另一個設備發送的能量，將所述接收到的能量放大并在放大之后檢測提高的能級。檢測所述喚醒事件只需要放大器，而一個放大器的功耗遠低于整個接收器的功耗。為了降低誤解的風險，可以通過插在天線和放大器之間的濾波器對接收到的能量濾波，以實現頻率預選。此濾波器可以是無源濾波器，它不消耗任何功率。
在再一個示范實施例中，檢測所述喚醒事件的所述步驟包括在確定的頻帶中接收從另一個設備發送的能量，以及利用所述接收到的能量來喚醒所述設備。這可以通過圖4所示的檢測器電路來實現。利用這種喚醒方法，該設備在休眠模式下根本不消耗功率，而可以通過接收無線電能量來喚醒。在一個簡單情況中，檢測器連接到電池開關，如果接收到輻射的能量，則使該設備上電。
在又一個實施例中，所述喚醒事件包括響應物理接觸而從所述無線電設備的傳感器接收傳感器輸出。這使該設備能夠通過例如電接觸(galvanic touching)空閑模式下的設備或按下所述設備上的按鈕來進入工作狀態，以喚醒所述低功率電子設備。按鈕或開關提供了兩個有用的功能特征。該設備可以通過觸摸從休眠模式喚醒，即便電池電量太低而不能提供事件驅動的或時間驅動的喚醒和連接建立模式。僅在低功率設備被帶入工作環境中時可以利用開關來啟動該設備。因此低功率設備可以關機狀態存放，而如果帶到商店銷售時則可以進入工作狀態。
在另一個示范實施例中，所述喚醒事件包括從所述無線電設備中的接近傳感器接收傳感器輸出。接近傳感器可以采用電容方式或光學方式檢測移動或存在。傳感器可以實現為光電二極管、電容面等。
根據本發明的又一個方面，提供了一種軟件工具，它包括程序代碼模塊，用于在所述程序產品運行于計算機或無線電設備上時執行上述應答器輔助喚醒和連接建立的方法。
根據本發明的另一個方面，提供了一種可從服務器下載的計算機程序產品，用于執行上述應答器輔助喚醒和連接建立的方法，該計算機程序產品包括程序代碼模塊，用于在所述程序運行于計算機或網絡設備上時執行上述方法的所有步驟。
根據本發明的再一個方面，提供了一種計算機程序產品，它包括存儲在計算機可讀介質中的程序代碼模塊，用于在所述程序產品運行于計算機或無線電設備上時執行上述應答器輔助喚醒和連接建立的方法。
根據本發明的另一個方面，提供了一種計算機數據信號。該計算機數據信號包含在載波中，表示在所述計算機程序運行于計算機或網絡設備上時用于使計算機執行上述說明所含方法步驟的程序。
如果用在多用途低功率無線電設備中，這種軟件是有用的，其可將軟件工具用作例如定時器，以提供所述預定的一段時間，或者將軟件工具用作一般制作成硬件組件的其它組件。
根據本發明的另一個方面，提供了一種低功率無線電設備，其可以實現應答器輔助喚醒和連接建立。該低功率無線電設備包括應答器和狀態控制器。該應答器適于響應接收到的無線電發射，以建立用于發送數據的無線電連接，所述應答器電路包括收發器和連接到所述收發器的應答器控制器。該應答器包括收發器和應答器控制器，其中所述應答器控制器適于控制所述收發器并響應接收到的無線電發射以發送數據。
該狀態控制器適于控制所述低功率無線電設備的工作狀態，它包括適于在所述低功率無線電設備的休眠模式下檢測喚醒事件，以及如果檢測到喚醒事件，則通知所述狀態控制器使所述設備進入工作狀態。所述狀態控制器連接到所述應答器，并適于根據從所述應答器接收到的信號使所述低功率設備進入被動模式。所述信號可以指示不可進行任何數據傳輸或數據傳輸被終止。所述低功率無線電設備的特征在于連接到所述狀態控制器的定時器。在所述控制器將所述低功率設備斷電或使所述低功率電子設備進入被動模式的情況下，所述定時器適于由所述控制器激活。所述定時器適于在預定的一段時間內處于激活狀態，并適于在所述定時器處于激活狀態時防止來自所述檢測器的通知使所述設備進入工作狀態。
收發器通常包括天線、用于發送和接收的天線接口。收發器可以實現為無線電基帶功能塊，以供所述設備和應答器用于通信。檢測器可以是RF至DC轉換器，即基于肖特基二極管的轉換器，如圖4所示。所述狀態控制器可以包括例如比較器，用于將檢測器傳來的電壓與預選的閾值電壓進行比較，如果超過所述閾值，則喚醒所述設備。應注意的是，所述應答器控制器和狀態控制器可以在一個集成電路或一個芯片中實現。
在另一個示范實施例中，所述低功率無線電設備還包括與所述控制器連接的數據接口，用于與連接到所述應答器控制器的所述低功率無線電設備的組件交換數據。這些組件可以是傳感器、激勵器或僅是用于檢索存儲在所述低功率電子設備中的信息或數據的存儲器。對其它組件未作詳細說明，以免對僅取決于所述低功率電子設備的具體使用情況的細節的描述不夠清楚。
在又一個示范實施例中，所述低功率設備還包括電池和電源開關，該電源開關用于將所述電池與所述低功率無線電設備接通和斷開。該電源開關與要操作的所述狀態控制器連接。取決于實際的實施例，所述定時器可以包括使電源開關去激活的輸出，用于在所述定時器處于激活狀態的時候防止從被動模式喚醒。
所述定時器可以連接到電源開關的輸入，用于將喚醒電路與所述電源開關斷開以在所述定時器處于激活狀態的時候防止所述設備上電。所述定時器可以連接到所述檢測器，以將所述檢測器的輸出或輸入短路。
在另一個示范實施例中，所述低功率無線電設備包括完全工作狀態、完全斷電狀態和至少一個部分工作狀態。這可以通過例如一個選擇性電源開關來實現，該電源開關可只將所述低功率設備的某些部分上電。因此，取決于實際的休眠模式或被動模式，可以將所述低功率無線電設備的不同組件與電源斷開，例如，在休眠模式下，僅為所述檢測器提供偏置電壓。第一部分工作狀態包括工作的定時器，第二部分工作狀態包括上電的工作狀態控制器。第三部分工作狀態包括活動的應答器和/或活動的收發器，以及完全工作狀態包括所述低功率無線電設備的上電的其它組件，例如存儲器、存儲裝置、傳感器和激勵器。
在另一個示范實施例中，所述低功率無線電設備還包括響應物理接近的至少一個傳感器。因此所述設備可以通過接近傳感器的輸出來激活。該傳感器可以是無源傳感器，以免該傳感器不在檢測用戶或另一個設備的接近時消耗功率。所述接近傳感器可以是按鈕，用于使定時器無效，以便使所述低功率無線電設備上電。所述接近傳感器的輸出可以連接到所述檢測器，以便利用該檢測器將所述低功率無線電設備上電。所述傳感器可以連接到定時器停止端或定時器復位端，以實現對所述定時器的一種“手動超越控制”。
在再一個示范實施例中，所述收發器還包括天線開關，用以將天線連接到所述收發器或所述檢測器。該天線開關允許該設備利用接收到的無線電能量喚醒所述設備，而無需通過接收器迂回。這使所述設備能夠檢測喚醒事件而無需操作耗電的接收器。所述天線開關可以實現為三路開關，用以使所述天線在檢測器(在休眠模式下)、所述收發器的發送器(發送信號時)和所述收發器的接收器(接收信號時)之間切換。該三路開關通常連接到所述檢測器，并由工作狀態控制器控制，而所述收發器的發送器和接收器之間的連接由所述應答器控制器控制；在最簡單的情況下，所述天線開關通常連接到所述檢測器，且只由所述應答器控制器來操作，所述應答器控制器僅在工作狀態下才可操作。
在另一個示范實施例中，所述低功率無線電設備還包括連接在所述天線和所述天線開關之間的放大器。本實施例允許該設備提高所述檢測器對弱無線電信號的靈敏度，而無需操作所述收發器的接收器級。
下面，將參考附圖詳細描述本發明，附圖中圖1說明常規低功率無線電設備和根據本發明的低功率無線電設備的功耗與無線電頻帶中活動性之間的關系；圖2是根據現有技術的收發器的框圖；圖3是根據現有技術可實現低功率喚醒操作過程的低功率無線電傳感器應答器；圖4是根據現有技術的高頻檢測器；圖5說明根據本發明的一個實施例，檢測器的輸入RF功率與輸出DC電壓的關系；圖6是根據本發明一個實施例的喚醒方法的流程圖；圖7-14描述適用于圖6所示基本方法的各種變化方案；圖15顯示根據本發明一個實施例的系統；圖16是說明圖15所示系統的不同工作狀態的表格；圖17說明所述系統的一種實施例，它基于使用功率檢測器來初始化本地振蕩器和混頻器RF接收器以及基帶功能。
在其它實例中，省略了對熟知的方法、接口、設備和信令技術的詳細描述，以免不致使本發明不夠清楚。
圖1通過將純時間驅動方法和純事件驅動方法作比較來說明本發明的優點。這些曲線的實際形狀以及之間的差異取決于不同的實現參數、使用場合和環境。
圖2是根據現有技術的收發器的框圖。常規應答器8包括連接到天線接口的表示成線圈6的天線。天線接口連接到控制器，控制器又連接到數據存儲器。該圖中還顯示了具有天線4的基站2。該系統的標準操作為應答器等待通過天線6接收的輸入消息。控制器根據輸入消息從存儲器檢索數據并通過天線6發送該數據。在本發明示例中，應答器由經由線圈6接收并在線圈接口中整流的無線電能量供電。這種應答器是從無鑰匙接入系統、為識別目的植入寵物或有商業用途的動物的應答器等借鑒來的。此系統的范圍局限于幾厘米，而數據存儲容量局限于幾十個比特。要從應答器檢測更多的數據，該存儲容量是不夠的。數據傳輸受限于可傳遞和可存儲的能量數量以及平均傳輸功耗。
圖3是可以實現低功率喚醒操作過程的低功率無線電設備。與圖1所示的應答器相似，所示應答器可以采用接收到的射頻功率來喚醒設備。接收到的無線電能量在RF至DC轉換器中整流，以喚醒所述傳感器ASIC(專用IC)。解調器對接收到的RF信號解調，并將解調的RF信號傳遞給傳感器ASIC。傳感器ASIC可以在喚醒事件之后讀取傳感器，并生成包含傳感器值的消息。該消息隨后通過RF調制器、放大器和發送天線發送。自適應功率管理模塊連接到放大器，用以為RF輸出信號提供一定的功率。
與圖1所示應答器的情況一樣，無論每個接收到的信號確實在請求傳感器數據，還是只是較強的背景信號或噪聲信號，應答器都會作出響應。
圖4是根據現有技術的高頻檢測器。該圖在左邊顯示含內部電阻(圖示為與RF源串聯的電阻器)的高頻源。檢測器本身由阻抗L、電容C和肖特基二極管構成。阻抗的值必須加以選擇，以抑止檢測器的RF側的DC電壓，以及電容C的值必須加以選擇，以抑止檢測器輸出中的RF分量。通過選擇電容和阻抗的值，檢測器可以調諧到某個頻率。肖特基二極管可以將RF交流電壓整流，因為這種二極管的接通時間非常短。圖5顯示了輸入功率與輸出電壓的關系。
圖6是根據本發明一個實施例的喚醒方法的流程圖。與現有技術的情況一樣，該方法從低功率無線電設備的休眠模式或空閑模式40開始。在本發明的第二步驟中，檢測器檢測喚醒事件42。喚醒事件可以是例如，在天線上檢測到超過預定閾值的能級。檢測到所述喚醒事件之后，設備通過激活或喚醒控制器進入第一工作狀態44。控制器通過例如讀取定時器的狀態來判斷該設備是否實際處于被動模式，如果該設備處于被動模式則抑止檢測到的喚醒事件，并返回被動模式54(不復位該定時器)。如果該設備不在被動模式，則控制器使整個低功率無線電設備進入完全工作狀態，上電模式II 48。在設備已進入完全工作上電模式II 48之后，激活定時器控制的延遲49，以防止本設備與其它在場的設備同時開始發送通告。否則，例如有數百個此類設備的的CD店中的一個喚醒事件會導致大量同時發送的通告，從而干擾應答頻率，使連接建立不可實現。在延遲之后，本設備通過發送器發送至少一個通告消息50，并在定義的時間幀內等待響應。如果收到響應，則該設備根據已知協議建立連接56，并發送數據58，然后返回初始休眠模式40，而不進入被動模式54。如果該設備沒有收到對通告的響應52，則該設備激活定時器54，并進入被動模式54，持續所述定時器活動的時間。因此，如果該設備無法建立連接，則估計該設備響應了噪聲信號，于是關閉接收器預定的一段時間，以防止浪費與發送非必要通告相關的能量。在定時器界滿之后，該設備從被動模式54返回到初始休眠模式40。
需要建立連接(或查詢服務和其周邊設備)的設備發送能量突發，其持續時間比所述定時器的運行時間長。該設備接著進行調諧，以監聽發送通告的預定義頻率。
處于空閑或休眠模式下的低功率設備可以至少在每次定時器屆滿時激活其應答器。在這種自動生成的通過之后，該設備返回到初始休眠模式40，以防止設備陷入被動模式循環中。如果測得超過預定閾值的能級，則激活一個通告，或使時間驅動的周期性通告過程激活一定的第二時間間隔。
此方法結合了時間驅動解決方案和事件驅動解決方案的最近特征。
-休眠設備監聽周圍-如果檢測到足夠的能量，則發送通告消息-監聽應答一些時間-關閉應答器如果接收到對該通告的應答，則可以建立連接。如果沒有收到應答，則設置定時器，其后再次啟動應答器一些時間。
本發明將時間驅動方法和事件驅動方法的優點相結合。在活動稀疏的區域(ISM頻帶中幾乎沒有任何活動)中，系統可以以與純事件驅動方法一樣的功率效率工作；而在活動密集的區域(有大量的ISM頻帶活動)中，系統可以以幾乎與純時間驅動方法一樣的功率效率工作。
上述方法優化了空閑模式功率效率，因為a)可以減少非必要的設備通告；b)空閑模式下的設備仍可以完全控制它的空閑模式占空比；即微波爐不能增加它的占空比；以及c)多個設備共存于預定義通告頻率中得到保持，因為在發送“喚醒能量”之后，多個設備不能同時發出響應。
應該注意，本方法可以通過更改確定被動模式46和檢測喚醒事件42的次序來修改。在修改的方法中，只有在定時器屆滿且設備已進入初始休眠模式40時，才可能檢測喚醒事件。在此情況中，可以采用上電模式I 44來操作檢測器，以檢測喚醒事件。定時器延遲49可以包括固定的一段時間或隨機生成的一段時間。定時器延遲還可以插入檢測喚醒事件42和發送通告50之間的任何時候。固定的定時器延遲可以非常簡單的方式實現，但隨機延遲的優點則在于降低了設備重復干擾其它設備發送的概率。如果可以預期設備工作在無其它類似低功率無線電設備的環境中，則可以忽略定時器延遲49。
圖7-14顯示根據傳輸協議，圖6所示基本方法的替代性方法實施例、各種擴展和變化。
圖7顯示基本方法的一種變化，其中從休眠模式40開始，然后根據對應于圖6所示檢測喚醒事件的無線電協議激活應答器60，接著在返回到休眠模式40之前激活定時器54。
圖8顯示對圖6所示方法的擴展，所述擴展通過從休眠模式40開始的定時器復位操作來實現。將定時器復位，以允許例如通過手動或自動超越控制定時器來激活設備。超越控制事件是根據無線電協議62復位應答器，然后復位定時器64，并返回休眠模式40。
圖9顯示通過在圖6中延長對喚醒事件42的檢測而對本發明方法進行的另一種擴展。在此情況中，喚醒事件是喚醒定時器屆滿66和檢測并測量接收到的RF能量68的組合。如果接收到的能量高于確定的閾值，則激活無線電協議71，并發送通告。在發送通告并傳送數據之后，設備返回休眠模式40，同時可以激活定時器或不激活定時器。如果接收到的能量低于確定的閾值，則設備激活定時器54，并立即返回休眠模式40。
圖10顯示圖6所示方法的另一種擴展。在此情況中，設備從應答器激活無線電協議72，并發送通告50。這種擴展允許設備獨立于定時器狀態在時間驅動模式下工作。這相當于在圖6中不請求定時器而直接從休眠模式40或上電模式I 42進入上電模式II 48。
圖11顯示圖6所示方法的另一種變化，其中通告發送由第二定時器控制，以便為通告和連接建立提供時間幀。隨著通告激活，啟動第二定時器74，以繼續連接建立又一段預定時間，以防止設備不停地嘗試建立連接。
圖12顯示本發明的另一種變化，其中，設備在返回空閑模式41之前，成功的數據傳輸41之后激活應答器74。這相當于在圖6中直接從數據傳輸58進入上電模式I 44或上電模式II 48。
圖13顯示本發明的另一種變化，其中，設備在返回空閑模式41之前，未收到對通告80的響應之后激活應答器80。這相當于在圖6中直接從響應請求52進入上電模式II 48和上電模式I 44。
圖14顯示在另一個設備中與所述低功率無線電設備建立連接所需操作的說明性示例。該方法起始于空閑模式140，其后是用戶或上層激活142。激活之后，該設備命令無線電硬件發送能量脈沖144，以期被所述低功率無線電設備察覺為喚醒事件。此脈沖應該足夠長，以確保被所述低功率無線電設備察覺到，即，比所述低功率設備的定時器期間長(未顯示)。此喚醒事件促使所述低功率無線電設備發送通告。為了接收該通告，請求該設備命令它的硬件在預定義信道中搜索通告146，并設定“無響應”定時器期間148以打開一個時間幀，以便接收來自低功率設備的通告。該設備在所述時間幀內等待通告150。
圖13顯示根據本發明一個實施例的系統。該系統包括如下功能塊-傳感器及其接口電子組件124-128；-用于傳感器信號處理和系統控制的超低功率微控制器120；-電源管理功能塊139；以及-用于通信的無線電和基帶功能塊110。
超低功率微控制器120連接到基帶功能塊110，以便與其它設備通信。超低功率微控制器120連接到傳感器接口124，以讀取這些傳感器，處理傳感器值并通過基帶功能塊110發送傳感器數據。
所述傳感器和接口124至128是低功率無線電設備應用的一個示例。作為傳感器126和128及傳感器接口124的替代，該低功率無線電設備還可以包括可由應答器輔助的低功率無線電設備操作的任何其它組件，如激勵器、存儲器、數據存儲裝置、相應的接口以及這些組件的組合。什么設備連接到低功率微控制器120僅取決于所述低功率無線電設備的實際應用。
無線電和基帶功能塊110包括基帶處理器118、RF接收器112、RF發送器116以及RF振蕩器114。與基帶功能塊相關聯的有天線開關98、基帶選擇濾波器94和天線92。
天線開關98與基帶功能塊110和電源管理功能塊139相關聯。電源管理功能塊139可以使天線在檢測器136和基帶功能塊110之間進行切換。天線開關也可以單由基帶功能塊110來操作，因為基帶功能塊110與天線一樣，處于工作狀態時只可接收或發送，因此可以操作該開關。
該電源管理功能塊139包括RF至DC轉換器139，即基于肖特基二極管的轉換器、用于接通或斷開電池的電源開關134，以及調節器130。關鍵功能設計電源開關134，電源開關134可通過RF至DC轉換器139由來自RF場的DC電壓信號激活。RF場能量激活電源開關134，從而將電池139連接到調節器130。于是該系統的電源管理邏輯122被激活。
該電源管理功能塊139包括定時器(未顯示)、用于去激活喚醒過程。該定時器由電源管理邏輯122響應來自超低功率信號處理器120的信號控制。如果電源管理邏輯122使所述設備進入休眠模式，則該定時器由電源管理邏輯122激活。該定時器的輸出可以連接到所述RF至DC轉換器139的輸入(例如，通過切換天線開關98而將檢測器與天線斷開連接)，連接到RF至DC轉換器139本身以去激活檢測器，或連接到RF至DC轉換器139的輸出以中斷或短路與電源開關134的連接。在另一個實施例中，定時器輸出可以連接到電源開關，以便在定時器屆滿時激活電源開關134。在另一個實施例中，定時器可以嵌入電源管理邏輯122內，以便電源管理邏輯122在定時器工作期間處于激活狀態，但防止電源管理功能塊139使低功率設備的其它組件上電。
該系統的功能模式可以劃分成
1)深度休眠模式(電池138斷開)；2)休眠模式(電池138接通；超低功率微控制器120處于休眠模式；電源管理功能塊139啟用)；3)超低功率微控制器120啟用；在空閑狀態下測量傳感器126和128；4)測量模式測量接口124激活；無線電模塊110關閉；5)通信模式含基帶處理器118的無線電模塊110啟用。
圖16所示表中概括了這些不同的模式。
該實施例描述了一種利用從接近(通常距離為僅幾十厘米或更少)低功率設備的另一個活動設備的RF場提取的能量喚醒系統的電池138來節省短距離無線電裝置中的電力的方法。
圖17顯示本發明系統的另一個實施例。在此實施例中，該系統包括前端功能決90、電源管理功能塊99、本地振蕩器和混頻器RF接收器102以及基帶功能塊104。該前端功能塊包括天線92、頻帶選擇濾波器94、低噪聲放大器、模式選擇開關98以及功率檢測器96。功率檢測器96是前端功能塊的一部分，并且與電源管理功能塊99相關聯。
在此實施例中，定時器由電源管理功能塊99構成。該定時器可以連接到電源管理邏輯100，并可以連接到例如LNA 95，以進入除定時器外設備完全關閉的深度休眠模式(或被動模式)。該定時器可以實現為與LNA相連的MOSFET電路，此電路包括電容器、二極管和電阻器，這樣，電容器可以通過二極管充電以及通過電阻器放電。電容器可以連接到MOSFET的柵極，以便實現以時間控制方式中斷對例如LNA 95的電源供給。
該系統基于使用功率檢測器96來初始化本地振蕩器和混頻器RF接收器102以及基帶功能104。在低噪聲放大器95之后，在與天線92連接的頻帶選擇濾波器94限定的感興趣頻帶上測量功率。
為了不限定工作范圍，可以周期性地、無條件地執行通告發送，以便在應答器中檢測能級。該周期可以是例如所述定時器期間的若干倍。
RF模塊的大部分功耗與本地振蕩器的調整周期長有關。有效通信時間是設置本地振蕩器所需時間的一小部分。
本發明實施例描述了一種利用RF前端的功率檢測器在感興趣頻帶上檢測能量，而又無需使本地振蕩器上電的節省電力的方法。因此，可以將功率檢測期間限制為短得多的時間，從而節省能量。
應該注意，該低功率無線電設備可以配備對與空閑模式下設備的物理接觸即電接觸作出反應的傳感器、電容或光學接近傳感器或可通過傳感器檢測移動或存在情況，以提供備選的上電或喚醒操作過程。
根據另一個示范實施例，提供了一種用于低功率無線電設備的應答器輔助喚醒和連接建立的方法。該方法包括設置所述低功率無線電設備的通告重復持續時間、能量掃描持續時間以及能量測量持續時間。該方法還包括在每個所述能量掃描持續時間內設置一次能量閾值并測量接收能級。該方法的特征在于如果所述通告重復持續時間之一屆滿且檢測到喚醒事件，則使所述低功率無線電設備進入工作模式。
當在所述設定的能量掃描持續時間期間測得的能級超過所述能量閾值時，可以檢測到所述喚醒事件。所述能量閾值可以相對于所述低功率無線電的期望工作接收范圍來設置或定義。所述能量掃描持續時間可以設為比所述通告重復持續時間短。所述能量測量持續時間可以設為比所述能量掃描持續時間短。所述能量測量持續時間可以相對于所述低功率無線電設備的物理測量精度來設置。
在本發明的另一個示范實施例中，所述方法還定義了一種通過僅激活必需的無線電組件來測量接收能級的測量操作過程，其中所述必需的無線電組件是測量所述低功率無線電設備的整個工作頻帶上的所述能級所需的。所述必需的無線電組件可以包括天線、濾波器、低噪聲放大器、功率檢測器和用于將所述接收能級信息傳送給無線電控制單元的裝置。
根據本發明的另一個示范實施例，提供了一種方法，用于喚醒第一低功率設備，并在所述第一低功率無線電設備與第二無線電設備之間建立連接，所述第二無線電設備具有初始化到所述低功率無線電設備的連接建立的硬件和軟件能力。所述方法包括從所述第二低功率設備持續發送能量一段時間，使所述第一無線電設備進入接收模式以接收所述(通告)消息。其中，所述第二設備的所述發送持續時間可以定義為比所述第一設備的所述能量掃描持續時間與能量測量持續時間之和長。
本申請包含對本發明的實施方案和實施例的說明。本領域技術人員會理解，本發明不限于上述實施例的細節，在不背離本發明特征的前提下，本發明還可以另一種形式實施。上述實施例應該視為說明性而非限制性的。因此，實施和利用本發明的可能性僅由所附權利要求書限定。因此，如權利要求書所確定的實施本發明的各種可選方案，包括等效的實施方案也屬于本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于低功率無線電設備的應答器輔助喚醒和連接建立的方法，包括如下步驟在所述低功率無線電設備的休眠模式下檢測喚醒事件；使所述無線電設備進入工作狀態；通過無線電發射發送至少一個通告消息；其特征在于如果沒有收到響應所述發送的至少一個通告消息的應答，則使所述低功率無線電設備進入被動模式預定的一段時間。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括如果從所述設備接收到應答，則建立連接并向所述設備發送數據。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括在所述低功率無線電設備的所述被動模式下檢測第二喚醒事件；判斷所述設備是否處于被動模式；以及保持所述被動模式，忽略所述喚醒事件。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括在檢測所述喚醒事件的所述步驟之前，只激活必需的無線電組件，這些必需的無線電組件是檢測所述喚醒事件所需要的；測量所述低功率無線電設備的整個工作頻帶上的所述能級。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括在所述預定的一段時間屆滿之后，使所述無線電設備進入工作狀態。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于還包括在使所述無線電設備進入工作狀態之后發送通告消息。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于檢測所述喚醒事件的所述步驟包括在確定的頻帶中接收從另一個設備發送的能量，并將所述接收到的能量放大；以及在放大后檢測所述提高的能級。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于檢測所述喚醒事件的所述步驟包括接收從另一個設備發送的能量；以及利用所述接收到的能量使所述設備進入工作狀態。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于檢測所述喚醒事件的所述步驟包括響應某人或另一個設備的物理接觸而從所述無線電設備中配備的傳感器接收傳感器輸出。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于檢測所述喚醒事件的所述步驟包括響應某人或另一個設備的接近而從所述無線電設備中配備的接近傳感器接收傳感器輸出。
11.包括存儲在計算機可讀介質上的程序代碼模塊的軟件工具，所述程序代碼模塊在所述軟件工具運行于計算機或網絡設備上時用于執行如權利要求1至10中任何一項所述的方法。
12.包括存儲在計算機可讀介質上的程序代碼模塊的計算機程序產品，所述程序代碼模塊在所述程序產品運行于計算機或網絡設備上時用于執行如權利要求1至10中任何一項所述的方法。
13.包括可從服務器下載的程序代碼的計算機程序產品，所述程序代碼在所述程序產品運行于計算機或網絡設備上時用于執行如權利要求1至10中任何一項所述的方法。
14.包含在載波中且表示指令計算機執行如權利要求1至10中任何一項所述方法步驟的程序的計算機數據信號。
15.具有應答器輔助喚醒和連接建立能力的低功率無線電設備，包括適于響應接收到的無線電發射，以建立用于發送數據的無線電連接的應答器，所述應答器包括適于發送和接收數據的收發器和與所述收發器連接的應答器控制器；適于控制所述低功率無線電設備的工作狀態的狀態控制器；所述狀態控制器包括檢測器，適于在所述低功率無線電設備的休眠模式下檢測喚醒事件，以及如果檢測到喚醒事件，則通知所述狀態控制器使所述設備進入工作狀態；其中所述狀態控制器連接到所述應答器，并適于根據從所述應答器接收到的信號使所述低功率設備進入工作狀態；其特征在于所述狀態控制器還包括定時器；所述定時器適于在預定的一段時間內處于激活狀態；其中所述定時器適于當所述低功率設備進入被動模式時由所述狀態控制器激活；以及所述狀態控制器適于在所述定時器處于激活狀態的時候處于非激活狀態。
16.如權利要求15所述的低功率無線電設備，其特征在于還包括與所述應答器控制器連接的數據接口，該數據接口適于與連接到所述應答器控制器的組件交換數據。
17.如權利要求15所述的低功率無線電設備，其特征在于還包括電池和連接到所述狀態控制器和所述電池的電源開關，其適于將電池與所述低功率無線電設備接通和斷開。
18.如權利要求17所述的低功率無線電設備，其特征在于所述低功率無線電設備包括完全工作狀態、完全斷電狀態和至少一個部分工作狀態。
19.如權利要求15所述的低功率無線電設備，其特征在于所述狀態控制器還包括響應物理接近的至少一個傳感器。
20.如權利要求15所述的低功率無線電設備，其特征在于所述收發器還包括連接在所述收發器、所述檢測器和所述收發器的天線之間的天線開關，其適于將所述天線與所述收發器或所述檢測器連接；以及所述狀態控制器連接到所述天線開關以操作所述天線開關。
21.如權利要求20所述的低功率無線電設備，其特征在于還包括連接在所述天線和所述天線開關之間的放大器。
全文摘要
本發明涉及用于在兩個低功率設備之間建立連接的方法和設備。根據本發明的用于低功率無線電設備的應答器輔助喚醒和連接建立的方法包括在一個設備上執行如下步驟檢測喚醒事件；激活所述設備發送通告消息。所述方法的特征在于如果沒有收到所述發送的至少一個通告消息，則使所述低功率無線電設備進入被動模式預定的一段時間。由此，本發明將時間驅動方法和事件驅動方法的優勢特征結合用于應答器輔助喚醒。這樣在活動稀疏的區域中，系統可以以與純事件驅動方法一樣的功率效率工作；而在活動密集的區域中，系統可以以與純時間驅動方法幾乎一樣的功率效率工作。
文檔編號H04B1/16GK1689346SQ03824415
公開日2005年10月26日 申請日期2003年9月3日 優先權日2002年10月22日
發明者A·拉佩特萊寧, T·呂海寧, M·洪卡寧, J·海呂萊寧 申請人:諾基亞有限公司