無線通信系統中的同步的制作方法

專利名稱：無線通信系統中的同步的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于改善移動設備間通信的方法。
背景技術：
為實現兩個或多個遠程設備間的通信，一個設備必須發送，并且接收的一方或多方必須作出響應。由于接收機中的功耗與接收機的工作時間成正比，為了節約功率，接收方設備的接收機通常是關閉的。為了接收機能夠無過度延遲地響應發射機，在任一傳輸間隔內接收來自發射機的信號，必須周期性地打開接收機。通常，由于接收機不會預知何時需要打開，它必須在傳輸間隔內至少打開兩次進行響應。
用于處理何時打開接收機的問題的方法是，使用每一發射和接收機設備內攜帶的同步時鐘。為此，當第一次打開轉發機中的接收機時，它必須完成窮舉搜索以找到發射機，并將其內部時鐘與發射機中的內部時鐘同步。然后它自己關閉以節約功率，并在之后預定的時間點根據它的內部發送同步時鐘，再次打開用來接收來自發射機的信號。
同步內部接收機和發射機的時鐘，適用于諸如移動電話之類的頻繁接入的設備。然而，如果遠程設備偶爾接入，比如一周或一月一次的諸如動物或財產跟蹤之類的情況，同步和傳輸之間的時間相當長。因而，由于兩時鐘間的漂移，當接收機根據它的同步內部時鐘再次打開接收傳輸時，在接收上述傳輸之前，會要求它相對長時間的保持打開狀態。這消耗了功率。例如圖1中示出的，如果基站1以1Hz發送請求2，遠程單元3的采樣速率4漂移至1.05Hz，那么在遠端每20秒才能“發現”基站，因此如果將它們同步，會花費20倍的時間。很明顯，這影響著功耗。
解決增長的功率需求的一個方案是使用更大容量的電池。然而，在許多應用中，整個設備規模的最小化是非常重要的因素。在野生動物跟蹤/監視移動無線設備中，希望電池壽命盡可能長，同時設備盡可能小。這是因為在實際中更換電池是困難的，并且經常是不可能的，而且在不對動物行動產生負面影響的情況下，對動物可攜帶設備的大小具有物理上的限制。
關于電池供電的無線轉發站(transponder)的另一問題是，在嵌入式環境下，怎樣將電池的長壽命與轉發站的遠距離識別相結合。目前這對于小型設備來說是不可能的。而且，在多個轉發站相當接近的地方，經過一段遠距離，保證這些轉發站的同步以及各自的識別是困難的。目前使用“反沖突”技術，它通過關掉其它轉發站，要求標簽依次響應。實際上，由于必須順序讀取標簽，這意味著在檢測域的標簽越多，讀取它們花費的時間越多。
然而另一問題出現在需要從多個相似目標中識別出一個包含嵌入轉發站的目標的情況下。這是因為當射頻設備放置于或非常接近于導電和絕緣的物質時，它們的射頻性能發生了變化。當深植入動物體內或附在金屬上時，信號路徑發生改變并經常嚴重衰減。在絕緣物質、液體或固體中，電磁波速率減弱，反比于介電常數的平方根。在導電物體的情況下，信號衰減。這樣輻射天線需要改變結構。同時必須使用可保留大信號衰減的信號編碼技術。此問題的部分解決方案可見King R.W.P.，S.G.S.，Owens M，Tai Tsun Wu(1981)，“物質基礎、原理及應用中的天線，第12章實驗模型的結構(Antennas in matterfundamentals，theory and application，chapter 12 Constructionof Experiment models)”，MIT出版社。然而，仍存在著對至少可解決上述一個問題的改進的設備和/或方法的需求。

發明內容
根據本發明的一個方面，提供了一種用于同步發射機和接收機的方法，該方法包括從發射機發射表示直到命令傳輸的時間的同步消息；在接收機接收同步消息，并使用接收到的同步消息判斷下一命令傳輸的發生時間。
通過使用表示直到命令傳輸的時間的同步消息，提供了一種用于有效地且準確地同步通信、同時最小化功耗和設備元件大小的手段。
同步消息最好是具有多個脈沖的同步脈沖序列，每一脈沖依次表示一個直到命令傳輸的時間，接收機可操作以便接收至少一個脈沖，并使用它判斷下一命令傳輸的發生時間。
每一同步脈沖最好具有一寬度，可由接收機設備用來計算并確定何時命令傳輸被發送至該接收機設備。更具體地，脈沖寬度可以正比于直到下一命令傳輸的時間。
同步消息可以包括重疊m序列碼，其中，這些碼的自相關峰值之間的間隔表示直到命令傳輸的時間。
同步消息可以包括多個脈沖，脈沖的平均寬度可以表示直到命令傳輸的時間。
同步消息可以包括多個脈沖，相鄰脈沖間的平均間隔可以表示直到命令傳輸的時間。
根據本發明的另一方面，提供了一種具有發射機和移動無線接收機的系統，發射機可操作以發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息，接收機可操作以接收同步消息，并使用它判斷下一命令傳輸的發生時間。
根據本發明的另一方面，提供了一種用于同步移動無線接收機和遠程發射機的方法，該方法包括接收來自發射機的、表示直到命令傳輸的時間的同步消息；使用接收到的同步消息判斷下一命令傳輸的發生時間。
根據本發明的另一方面，提供了一種具有接收機的移動設備，該設備可操作以便接收來自發射機的、表示直到命令傳輸的時間的同步消息，并使用該同步消息判斷下一命令傳輸的發生時間。
根據本發明的另一方面，提供了一種用于同步移動無線接收機和遠程發射機的方法，該方法包括從發射機發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息。
根據本發明的另一方面，提供了一種可操作以便與移動無線接收機通信的發射機，發射機可操作以便發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息。
根據本發明的另一方面，提供了一種移動設備，包括發射機，可操作以便發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息，以及接收機，可操作以便接收來自另一設備的、表示直到命令傳輸的時間的同步消息，并使用它來判斷下一命令傳輸的發生時間。


下面將僅通過示例并結合附圖對本發明的不同方面進行詳細描述，其中圖2為傳輸脈沖序列的示意圖；圖3為線性移位寄存器的框圖；圖4為用于m序列碼的m序列自相關函數的示意圖；圖5為包括m序列碼的傳輸脈沖序列的示意圖；圖6為用于圖5序列的m序列自相關函數的示意圖；圖7為另一傳輸脈沖序列的示意圖；圖8為又一傳輸脈沖序列的示意圖，以及圖9為接收機的框圖。
具體實施例方式
為同步發射機和移動接收機，本發明實施例中的方法使用單個或多個表示直到命令傳輸的時間的脈沖。因此，對比現有技術方案，本發明使用時間差分測量用于同步，而非絕對傳輸時間的表示。發射機和/或接收機設備包括用于實現此方法的硬件和/或軟件。
圖2示出了從發射機順序發送出的兩組脈沖，一組構成已知周期的內容，在此作為同步周期5，第二組構成已知時間周期的內容，這里作為命令周期6。同步周期5期間內，發送的脈沖為時間碼形式的同步脈沖。更具體地，這些脈沖具有以已知的固定速率減速、并且持續一時間周期的間隙時間(separation time)7(每一脈沖上升沿與下降沿之間的時間)。每一同步脈沖的寬度正比于直到下一命令周期6的到來經過的時間。
在命令周期6期間，發射機設備產生的脈沖包括用于接收機設備的信息或表示給接收機設備的指示的信息。接收這些信息后，接收機設備可執行任務。此任務可以包括由接收機設備或任意附加設備向發射機設備發送識別信號或任何數據或信息。這可由任何通信方法完成。此任務包括有關接收機設備或任意附加設備的未來行為的指示，比如命令接收機設備或任意附加設備收集特定數據的指示。
接收機可操作以便通過測量一個或多個同步脈沖的長度來判斷下一命令周期6到來之前持續的時間周期。計算如下t9＝A*t7，這里t9為從傳輸同步間隔8(即接收機接收一個或多個同步脈沖經過的周期)的開始直到命令周期6的開始之間的時間9；t7為任意已測傳輸同步脈沖7的長度；A為預定常量。因此，接收機在命令周期6到來之前，僅在一傳輸同步間隔周期8內打開，以確定將要過去的時間，即時間段9，這樣去自己同步，為命令傳輸6而打開。傳輸同步間隔周期8由接收機所測量的值，如前所述，可與包含于同步周期內的單個同步脈沖的時間長度一樣短，即周期7。同步接下來，接收機可以自己關閉直至命令傳輸6到來的時間，這時再自己打開。可使用任何用于測量過去的時間的適合方法，比如，內部時鐘或諸如倒計數記時器之類的記時裝置。
不同的設備配置都可用以實現圖2的方法。在一個示例中，發射機設備包括能夠從預編程序的同步序列信息中構造出同步及命令周期的微處理器或微控制器。對應的接收單元具有相似的處理器或控制器和軟件，以對同步進行采樣和鎖定。其中的部分為包含于發射機設備中的序列信息的嚴格拷貝，所以此單元可通過測量單個間隔或同步脈沖達到時間同步。
同時在參照圖2進行描述的示例中，直到下一命令傳輸的時間在簡單脈沖序列的每一脈沖內進行編碼，也可使用其它編碼方案。例如，當多個接收機設備都在發送時，為了在多個接收機設備中只尋找一個接收機設備的地址、或為了能夠接收來自特定接收機設備中的信號，同步消息可采用唯一編碼信號的形式，而不是圖2中描述的簡單脈沖序列。可使用任何適合的正交編碼方案，但是在優選示例中，使用重疊最大長度序列碼、或m序列碼、(MSC)14。
M序列碼具有如下特性’1’和’0’序列大約相等；當碼自身發生一個完整的非重復序列的時移時，僅有一個相關峰出現，并且不同的碼是正交的。一示例為以下等式表示的線性反饋寄存器Y＝1+X3+X4如圖3所示，這可以以具有反饋的移位寄存器的形式實現。其中，X3(9)和X4(10)為一構成回歸ID(11)的4級移位寄存器中的反饋點(級3和級4)。它們被模2加至(12)所示級處的輸入。X1(13)初始加載為1，在15個時鐘之后，輸出端的位模式為00010011010111。通過增加級的數目，可產生較長的位模式。
周期波形x(t)的歸一化自相關函數可表示為Rx(τ)=1K1T0∫-T0/2T0/2x(t)x(t+τ)dt]]>-∞＜τ＜∞其中，K=1T0∫-T0/2T0/2x2(t)dt]]>x(t)為表示線性反饋寄存器序列(1frs)的周期波形。單位碼片(移位寄存器的1個時鐘周期)的1frs碼的持續時間周期為p個碼片。
這樣Rx(τ)=1p[Σ1′′-Σ0′′]]]>這里，如圖4所示，‘1’和‘0’為二進制位，Rx(τ)為p個碼片之后的最大值，在本例中，序列Y每15周期重復一次。通過增加級的數目，可產生較長的位模式，并且碼片更加隨機，類似于噪聲。
如果兩個版本的碼正在運行，第二版本滯后于第一版本p個碼片開始，然后相加，那么由于自相關特性，會出現兩個波峰，如圖6所示。碼片中波峰之間的距離等于時移。時移用于對接收下一命令之前經過的時間進行編碼。為對其編碼，接收機必須包含一唯一碼。通過對每一接收機使用唯一碼，可獨立對接收機尋址。由于位加和為一平滑過程，通過序列中位數的平方，可提高同步間隔的準確度。
除了對同步脈沖進行編碼之外，命令脈沖也可用重疊m序列碼15進行編碼，如圖5所示。如前，可實現從多個信號中檢測出一個信號，或者在噪音環境下提取命令。這提供了另一優點，由于接收到的峰值的高度等于接收到的正確位數，因此提供了一個確認數據的正確性的統計量。例如，如果設計門限為相關峰值高度的68％(1個標準偏差)，那么若低于此值，可接收或拒絕命令數據。
測量傳輸同步間隔周期與命令周期之間的時間間隔的準確度可通過使用同步脈沖長度平均的方法來提高，如圖7所示。通過在時間周期16之內對n個間隔進行采樣并且取時間均值m，以16/n計算，可獲得測量傳輸同步間隔周期與命令周期之間的時間間隔的更高的準確度，如圖7所示。由此可看出，邊沿之間的時間間隔，記為17、18和19，僅需每n個間隔改變一次，這樣得到了由m秒分開的n個脈沖間隔。遠程接收機在某時間點K20進行采樣，其中K是采樣間隔的起始。這樣，具有寬度A17、A-118、A-219(等等)，直到n個間隔的結束的n個間隔的均值，將具有一在時間上線性內插的值，并且如前，正比于命令時間。再一次，均值被設置成正比于圖7中的傳輸同步間隔周期起始與命令周期20起始之間的時間。由于所有待測的均為脈沖沿間的時間，那么在這種情況下，脈沖21的寬度理想地適于直接序列超寬帶應用不是特別的重要。
為實現本發明，每一接收機設備必須具有一些用于識別同步消息、判斷直到下一命令傳輸的時間、并判斷何時這一時間過去的裝置。為實現圖7中描述的方法，可以提供低功率時鐘和計數器。這種情況下，時鐘周期性打開接收機設備，用于傳輸同步間隔脈沖21，并測量此間隔17，如圖7所示。此間隔在時間上定標，得出傳輸同步間隔周期和命令周期之間的時間，然后載入倒計時間數為20的倒計時器來打開接收機設備，得以與命令周期6的開始一致。間隔周期計算如下tc＝ts*N，其中tc是到命令20的時間，ts是采樣間隔17，N是由tc/ts得到的常數。
可選地，使用兩個倒計時器，外部的倒計時器標記傳輸同步間隔周期5，內部的倒計時器測量間隔23內的多個同步脈沖22的寬度，如圖8所示。將時間內適當標定的平均測量間隔載入倒計時器，倒計至命令周期24所需的時間。命令周期開始之前的間隔在此情況下計算如下tc=tsn*N]]>其中tc為到命令24的時間，ts為n個脈沖間的時間23，N為預設的定標常數。
可選地，包含于由發射機設備發送的命令數據中的指示可指導接收機設備發送一傳輸至發射機設備，使得上述發射機設備能夠準確地判斷到發射機設備的距離。這個距離僅當設備間的通信準確同步時才能進行準確的判斷。這可使用多個不同信號完成，然而在優選示例中，使用m序列二進制碼。通過從接收機發送m序列二進制碼至發射機，相關峰的同步到達可得到信號傳輸時間的估計值。已知傳輸速率，可計算到接收機的物理距離。
本發明具體實施例中的接收機設備安裝于物體表面或嵌入物體，物體可為有生命或無生命。工作范圍可在三千米之外的空地，依發射機功率和接收天線的高度而定。使用當前已知的電池技術，以每天五次業務的近似平均來計算，這些設備的工作生命周期估計超過七年半。在多個接收機設備相當接近的地方，可在相對短的時間周期內，比如100毫秒，同時連接超過八十臺的或者用于同步、或者用于命令的設備。
本發明的潛在應用包括，但不局限于，低功率遙測、遠程控制設備、射頻識別、超寬帶無線和光學鏈路、野生動物跟蹤、財產跟蹤、貨物管理以及庫存控制。
用于本發明具體實施例中的無線通信設備的同步的方法具有一些超越在此描述的現有技術的優點。例如，接收機設備只需打開最少的時間來實現與發射機設備的同步。此時間周期遠短于已知時鐘同步方法中使用的時間周期。這降低了功耗，繼而延長了電池壽命并且/或者可在無線接收機設備中使用較小的電池。而且，由于同步脈沖提供了可用于判斷下一命令信號時間的時間差分，而非絕對時間，那么避免了上述與同步時鐘時間漂移相關的問題，這可再次降低功耗。
本領域技術人員將認識到，在不偏離本發明的情況下，可對公開的方案作出變化。例如，盡管描述了用于接收機的一些特定配置，只要提供用于從接收到的信號中判斷直到命令傳輸經過的時間的諸如處理器之類的裝置、并且相應有用于監視過程時間的裝置，還是可以使用圖9中所示的任何一般形式的方案。
如果保持短同步周期，由于定時要求僅用于同步周期，則可使用用于微控制器的低耗電阻電容或陶瓷振蕩時鐘。由于啟動時間快于傳統晶體時鐘，還可降低功率。同時，接收機可發送信號至發射機。在這種情況下，由于具有三臺或多臺接收機，可使用標準三角測量技術來判斷發射位置。由于改良的同步，加上更多傳統技術，所以可完成的更加準確。同時，盡管是參照任意移動設備對本發明進行了描述，但是它尤其適用于使用RFID標簽和/或可在工業科學醫藥(ISM)頻段中使用的移動設備。而且，通過僅有的而不是限制性目的的示例，對特定實施例進行了上述描述。本領域的技術人員將清楚，在不對描述的方案作出重大改變的情況下，可對其作較小修改。
權利要求
1.一種用于同步發射機和移動無線接收機的方法，該方法包括從發射機發射表示直到命令傳輸的時間的同步消息；在接收機接收同步消息，并使用接收到的同步消息判斷下一命令傳輸的發生時間。
2.權利要求1中所述的方法，其中，同步消息包括多個脈沖，序列中的每一脈沖表示一個直到命令傳輸的時間，接收機可操作用于接收多個脈沖中的至少一個脈沖，并使用它判斷下一命令傳輸的發生時間。
3.權利要求2中所述的方法，其中，每一同步脈沖具有一寬度，可由接收機設備用來計算并確定何時命令傳輸將被發送至該接收機設備。
4.權利要求2或3中所述的方法，其中，脈沖寬度正比于直到下一命令傳輸的時間。
5.權利要求1中所述的方法，其中，同步消息包括重疊m序列碼，其中這些碼的自相關峰值之間的間隔表示直到命令傳輸的時間。
6.權利要求1中所述的方法，其中，同步消息包括多個脈沖，脈沖的平均寬度表示直到命令傳輸的時間。
7.權利要求1中所述的方法，其中，同步消息包括多個脈沖，相鄰脈沖之間的平均間隔表示直到命令傳輸的時間。
8.一種具有發射機和移動無線接收機的系統，發射機可操作以便發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息，接收機可操作以便接收同步消息，并使用它判斷下一命令傳輸的發生時間。
9.權利要求8中所述的系統，其中，同步消息包括多個脈沖，序列中的每一脈沖表示一個直到命令傳輸的時間，接收機可操作以便接收多個脈沖中的一個脈沖，并使用它判斷命令傳輸的發生時間。
10.權利要求9中所述的系統，其中，每一同步脈沖具有一寬度，可由接收機設備用來計算并確定何時命令傳輸將被發送至該接收機設備。
11.權利要求9或10中所述的系統，其中，脈沖寬度正比于直到下一命令傳輸的時間。
12.權利要求8中所述的系統，其中，同步消息包括重疊m序列碼，其中這些碼的自相關峰值之間的間隔表示直到命令傳輸的時間。
13.權利要求8中所述的系統，其中，同步消息包括多個脈沖，脈沖的平均寬度表示直到命令傳輸的時間。
14.權利要求8中所述的系統，其中，同步消息包括多個脈沖，相鄰脈沖之間的平均間隔表示直到命令傳輸的時間。
15.一種用于同步移動無線接收機和遠程發射機的方法，包括接收來自發射機的、表示直到命令傳輸的時間的同步消息；以及使用接收到的同步消息判斷下一命令傳輸的發生時間。
16.一種具有接收機的移動設備，該設備可操作以便接收來自發射機的、表示直到命令傳輸的時間的同步消息，并使用接收到的脈沖判斷下一命令傳輸的發生時間。
17.一種用于同步移動無線接收機和遠程發射機的方法，該方法包括從發射機發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息。
18.一種可操作以便與移動無線接收機通信的發射機，發射機可操作以便發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息。
19.一種移動設備，包括發射機，可操作以便發送表示直到命令傳輸的時間的同步消息，以及接收機，可操作以便接收來自另一設備的、表示直到命令傳輸的時間的同步消息，并使用它來判斷下一命令傳輸的發生時間。
全文摘要
一種用于同步發射機和移動無線接收機的方法，包括從發射機發射表示直到命令傳輸的時間(6)的同步消息(5)；在接收機接收同步消息，并使用接收到的同步消息判斷下一命令傳輸的發生時間。
文檔編號H04L12/56GK1883164SQ200480033612
公開日2006年12月20日 申請日期2004年11月11日 優先權日2003年11月14日
發明者保羅·里考德 申請人:赫瑞-瓦特大學