[发明专利]使用睡眠状态调制的无线系统

说明书

当发射器和相关电路系统关闭时，用于周期性传输数据的低功率传输系统将周期性数据作为两个传输锚符号之间的间隔进行通信。通过使用允许消除接收器功耗的星形拓扑，获得针对短数据字的有意义的功率节省。多位锚符号提供改进的错误检测并通过单个接收器将来自多个发射器的同时传输分开。

关于联邦资助的研究或开发的声明

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年6月28日提交的美国专利申请16/456,299的权益，该美国专利申请在此通过引用并入本文。

背景技术

本发明总体上涉及无线电发射器和接收器，并且特别地，涉及适用于电池供电的远程传感器的低功率数据发射系统。

使用无线传感器的实时数据监测可以在广泛的应用包括例如“智能农业”、医学以及一系列其他类似的移动应用和固定应用方面是有用的，在“智能农业”中，这样的传感器可以进行土壤湿度测量或者提供牲畜监测，在医学中，可穿戴式传感器可以监测流动患者的生命体征。

理想地，这些无线传感器提供长通信范围(以提供远程感测的灵活性)和低功耗(以调节电池功率和长寿命)。

在长通信范围与低功耗之间的平衡通常通过在传感器读数传输之间的时间处将发射器置于低功率模式来管理。在这样的低功率模式中，可以使发射器和传感器输入失效并且接收器以降低的功率配置进行操作以监测传入消息。当需要收集数据时，唤醒发射器，并且可以获取并传输传感器读数，然后将发射器再次置于低功率模式，直至下一传输时间。这种方法本质上是在传输功率与数据速率之间进行平衡，即降低了平均传输功率但也减少了传输时间，并且因此减少了通信数据量。

用于进一步降低传输功率的有趣的可能性是不通过传输保持该数据的无线电信号而是通过发送两个锚符号(开始符号和停止符号)并在这些传输之间关闭发射器来发送数据。然后从发射器“关闭”时间的长度推导数据。由Zhu和Sivakumar在2005年发表的题为“Challenges:Communication through Silence in Wireless Sensor Networks”的论文中提供了对这种可能性的讨论，并且该论文在此通过引用并入本文。

这种“无功率”传输技术还没有被广泛地采用，如果有的话。可能地，这是因为仅对于长数据字才能获得显著的能量节省，并且迄今为止该技术在数据字长方面受到根本限制，限制的出现是因为对于数据传输所需的时间量与数据字长呈指数相关。例如，考虑通常在20个时钟周期内传输的20位数据字。通过测量两个锚符号之间的持续时间来传输该数据字将需要超过一百万个时钟周期。

用于增强采用无功率传输的发射器的能量节省的尝试促使研究人员探索复杂的技术，例如可以用低功率和基带无线电发射器传输的单位锚符号来消除载波同步时间，但是这些方法难以用现有的硬件实现或者有相当大的范围限制。

发明内容

本发明已经认识到，可以在星形拓扑中实现重要类别的数据监测应用，从而消除对无线电接收器电路系统的需要。通过消除这样的电路系统的功耗并且在发射器和发射器处理器两者的无功率传输期间采用“深度”睡眠，本发明可以提供比可比较的低功率传输技术多达三倍的能量节省。重要的是，使用标准载波调制传输和多位锚数据可以实现节省，标准载波调制传输提供相当大的范围，并且多位锚数据允许在多传感器的环境中进行鲁棒寻址和冲突避免。