降低无线装置的能耗的制作方法
【专利摘要】本发明提供了用于降低无线通信装置的功耗的技术。在空闲监听时期期间，降低装置中的接收机的时钟速率。然后，以降低后的时钟速率对接收机接收到的数据分组进行采样。确定数据分组是否是计划给该装置的。当数据分组是计划给该装置时，将时钟速率恢复为全时钟速率。另一方面，当数据分组不是计划给该装置时，接收机继续以降低后的时钟速率进行操作。
【专利说明】降低无线装置的能耗
[0001]政府条款
[0002]本发明是以国家自然基金授予的许可号为CNS0905143的政府支持而做出的。政府对本发明有特权。
[0003]对相关申请的交叉引用
[0004]该申请要求2012年4月5日提交的美国实用申请第13/439，900号的优先权和2011年4月8日提交的美国临时申请第61/473，356号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用而合并于此。
【技术领域】
[0005]本公开涉及降低无线装置的能耗。
【背景技术】
[0006]物理层技术的持续发展已使得WiFi能够以低成本支持高数据速率，因此变得广泛运用在联网基础设施和移动装置(诸如膝上型电脑、智能电话、上网本和平板PC)中。虽然其具有高性能和廉价的可用性，但是WiFi的能效仍是有挑战性的问题。例如，WiFi在当前膝上型电脑中占了多于10%的能耗。甚至在没有分组传输的情况下，其也可能将GSM蜂窝电话的功耗提升14倍。
[0007]WiFi的低能效源自于其固有的CSMA机制，即无线电设备必须持续执行空闲监听(IL)以便检测不可预测地到达的分组或者评估纯信道(clear channel)。不幸的是，IL的功耗与有效传送/接收的功耗相当。更糟的是，WiFi客户端由于MAC级竞争和网络级延迟而易于在IL方面花费大部分时间。因此，使得IL的能耗最小化对WiFi的能效至关重要。
[0008]降低IL的能量成本的自然方式是休眠调度。在WiFi的节电模式(PSM)及其变型中，客户端可以自适应地休眠，并且仅当其打算传送分组或者期望接收分组时才醒来。AP对下行链路分组进行缓存并且仅在客户端醒来之后才进行传送。PSM通过聚集下行链路分组而在本质上对流量(traffic)进行整形，从而减少由网络级潜伏时间而引起的接收机等待时间。然而，其无法减少与载波侦听和竞争相关联的IL时间。通过对实际WiFi网络的深入的基于轨迹的分析，发现即使在启用PSM的情况下IL也仍然主要占据了客户端的能耗:在繁忙网络中其占了客户端多于80%的能耗以及在相对空闲的网络中占了 60%。
[0009]因为由于WiFi的CSMA而无法进一步减少IL时间，因此开发了另外的方面(降低IL功耗)以便使得其能量成本最小化。理想地，如果知道确切的空闲时期，则无线电设备可以在IL期间被切断或者被置于休眠，并且在需要时醒来并对分组进行处理。然而，由于CSMA的分布式和异步的性质，分组之间的空闲时间大范围地且不可预测地变化。空闲间隔的过低估计将浪费移动装置的能量，而过高估计使得无线电设备在休眠期间漏掉所有进入分组。
[0010]因此，期望降低在空闲监听时期期间的功耗从而降低无线移动装置的功耗。该部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
【发明内容】
[0011]提出了用于降低无线通信装置的功耗的计算机实现方法。该方法包括:在装置的空闲监听时期期间降低时钟的时钟速率；以降低后的时钟速率检测新分组的存在；基于在数据分组之前的定制前同步码而确定数据分组是否是计划给该装置的；以及当数据分组是计划给该装置的时将时钟速率恢复为全时钟速率。相反，当数据分组不是计划给该装置时，继续以降低后的时钟速率运行时钟。
[0012]该部分提供了本公开的一般概述，并且不是其完全范围或其全部特征的全面公开。另外的可应用领域将从这里所提供的描述而变得明显。该
【发明内容】
中的描述和具体示例旨在仅用于说明目的而不旨在限制本公开的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是示出典型WiFi接收机的架构的图；
[0014]图2是提供所提出的用于降低无线通信装置的功耗的方法的概况的流程图；
[0015]图3A和图3B是分别示出根据所提出的方法的、当接收和传送数据分组时的操作流程的图；
[0016]图4是示出与802.11数据分组结合的示例性M前同步码结构的图；
[0017]图5是示出使用采样率不变检测算法来检测M前同步码的曲线图；
[0018]图6是示出地址共享方案的性能的曲线图；
[0019]图7是示出集成了所提出的用于降低功耗的方法的WiFi接收机的架构的图；
[0020]图8是集成了所提出的用于降低功耗的方法的示例性状态机的图；
[0021]图9A和图9B是示出采样率不变检测(SRID)算法的性能的曲线图；
[0022]图10是示出与唯一地址的数量有关的检测性能的曲线图；
[0023]图11是用于评估SRID算法的示例性网络拓扑的图；
[0024]图12A和图12B是示出根据节点位置的SRID性能的图表；
[0025]图13A和图13B是示出对于所提出的用于降低功耗的方法的能量节约的曲线图；
[0026]图14A和图14B是示出具有不同历史大小的、所提出的用于降低功耗的方法的性能的曲线图；
[0027]图15A和图15B是示出网络浏览会话的性能的曲线图；
[0028]图16A和图16B是示出使用文件传输协议下载文件的性能的曲线图；以及
[0029]图17A和图17B是示出当数据速率变化时下载文件的性能的曲线图。
[0030]这里所描述的附图仅用于所选实施例的说明性目的并且不是所有可能的实现，而且不旨在限制本公开的范围。相应的附图标记在附图的多个视图中表示相应的部分。
【具体实施方式】
[0031]直观地，当无线电设备没有在有效地对分组进行解码或传送时，其应当消耗较少的功率，但是商用WiFi和其它载波侦听无线装置(例如，ZigBee)的空闲监听(IL)功率与其传送和接收功率是相当的。通过剖析无线电硬件，理解了关于此的原因。
[0032]图1示出了典型WiFi接收机10的架构(例如，基于Atheros802.11芯片)。进入信号首先通过RF和模拟电路，被放大并且由混频器12从RF (例如，2.4GHz)转换为基带。模数转换器(ADC) 13对模拟基带信号进行采样，并且所得到的离散样本被传递到CPU (基带和MAC处理器)14，CPU14对信号进行解码并且恢复数据帧中的原始位。整个无线电设备由向两条路径馈电的40MHz晶振15来驱动。第一路径是生成用于RF和模拟混频器12的中心频率的频率合成器16。另一路径是生成用于数字电路的计时信号的时钟发生电路17(例如，锁相环(PLL)):用于ADC的采样时钟以及用于CPU的主时钟。
[0033]现有的研究已表明ADC和CPU是接收机的最耗电的部件。在Atheros5001X芯片集中，例如，它们占了整个接收机功率预算的55.3%。ADC和CPU功耗也是类似的(1.04:1)。在IL期间，模拟电路和ADC均如在接收模式下一样以满工作负荷进行操作。另外，减轻了CPU的解码负荷，但是无法被置于休眠，即，其需要以全时钟速率进行操作以便执行载波侦听和分组检测。这是IL功耗与接收分组的功耗相当的原因。
[0034]类似的推理路线适用于诸如软件无线电的其它无线收发机。在软件无线电中，ADC将离散样本馈送到FPGA，FPGA可进一步对样本进行抽取(下采样)，然后将其发送到用作基带CPU的通用处理器。硬件部件的相似性暗示了软件无线电很可能关于IL遭受同样的问题。考虑到软件无线电逐渐被集成到移动平台中以降低面积成本的趋势，需要并入用于降低其IL功率的机制。
[0035]为了降低IL功率，本公开提出了减慢驱动无线电设备中的数字电路的时钟。现代
的数字电路当在逻辑电平之间进行切换时消耗功率,并且其功耗遵循P K Vlt/,其中，Vdd
是供电电压，以及f是时钟速率。因此，可以通过降低时钟速率来实现线性功率降低。实际上，由于模拟外围设备，实际降低比理想的小。例如，在AtheiOs WiFi芯片所使用的ADC中，使采样时钟速率减半导致31.4%的功率降低。这里，使用具体测量结果，验证对于WiFiNIC (网络接口卡)和USRP软件无线电两者降低时钟速率的实际效果。
[0036]根据IEEE802.11-2007，除了默认的全时钟20MHz操作之外，基于OFDM的PHY支持具有10MHZ (半时钟)和5MHZ (四分之一时钟)采样率的2种降频(downclock)操作。这两种模式是在支持5GHz频带的8个半时钟信道和18个四分之一时钟信道的、具有Madwifi的开发版本(trunk_r4132)的 LinkSys WPC55ag nic (版本 1.3, Atheros5414 芯片集)上测试的。降频模式可以通过激活NIC上的“具有1/2宽度信道和1/4宽度信道的USA”管制域来实现的。
[0037]关于WiFi的功耗的测量,其方式与Atheros Communications (创锐讯)的“PowerConsumption and Energy Efficiency of WLAN Products(WLAN 产品的功耗和能效)，，中的方式类似。NIC附接到以外部AC适配器供电的膝上型电脑(例如，戴尔5410)，并且使用无源电流探针(例如，HP1146A)和电压探针(例如，HP1160 )以及IGsps示波器(例如，Agi Ient(安捷伦)54815A)来测量功率损耗。实际的功耗是在不同的无线电模式下所测量的功率水平与在移除了 NIC的情况下的基本水平之间的差。在测量期间，将WiFi调谐到周围网络未使用的信道。当NIC被激活但是没有传送/接收分组时测量IL功率。当WiFi正以最大速率(每秒100个分组)发送/接收单向查验(ping)广播分组时测量TX/RX功率。不同的时钟模式被配置成使用相同的位率(6Mbps)和分组大小(1KB)。以下表I示出了测量结果(以瓦特示出的功耗)。
[0038]
【权利要求】
1.一种用于降低无线通信装置的功耗的方法，包括: 由所述装置中的接收机在所述装置的空闲监听时期期间降低时钟的时钟速率，降低后的时钟速率小于全时钟速率并且所述时钟操作所述装置的接收机； 由所述接收机以降低后的时钟速率检测数据分组的前同步码，所述数据分组是所述接收机在所述空闲监听时期期间接收到的； 由所述接收机确定所述数据分组是否是计划给所述装置的，所述确定基于所述数据分组的前同步码；以及 当所述数据分组是计划给所述装置时，由所述接收机将所述时钟的时钟速率恢复为所述全时钟速率。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括:当所述数据分组不是计划给所述装置时，继续以降低后的时钟速率运行所述时钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述数据分组是否是计划给所述装置的进一步包括:确定所述数据分组的前同步码中的数据之间的相关性，其中，所述前同步码包括重复两次以上的数据位的随机序列，并且重复序列之间的间隔表示所述装置的地址。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述数据分组的前同步码中的数据之间的相关性进一步包括:计算表示来自所述前同步码中的一个随机序列的数据位与来自所述前同步码中的另一随机序列的数据位之间的相似性的度量值，并且当所述相关性度量值超过阈值时将所述时钟的时钟速率恢复为所述全时钟速率。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括:计算来自所述一个随机序列的数据位的平均能量水平，并且使用所述数据位的平均能量水平对所述相关性度量值进行归一化。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述随机序列的长度是表示所述装置的地址的整数和用于对所述时钟速率进行降频的最大因子的函数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述随机序列是从Gold序列得到的。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括:将地址分配给网络环境中的两个以上的装置。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括:在降低所述时钟的时钟速率的步骤之前确定在将所述时钟从全时钟速率转变为降低后的时钟速率时数据分组到达所述装置的可能性，并且当所述可能性超过阈值时继续以所述全时钟速率运行所述时钟。
10.一种用于降低无线通信装置的功耗的方法，包括: 由所述装置中的接收机在所述装置的空闲监听时期期间降低时钟的时钟速率，降低后的时钟速率小于全时钟速率并且所述时钟操作所述装置的接收机； 由所述接收机以降低后的时钟速率对数据分组的数据进行采样，所述数据分组是所述接收机在所述空闲监听时期期间接收到的； 由所述接收机确定所述数据分组的前同步码中的数据之间的相关性，其中，所述前同步码包括重复两次以上的数据位的随机序列，并且所述随机序列之间的间隔表示所述装置的地址； 当所述数据位之间的相关性超过阈值时，由所述接收机将所述时钟的时钟速率恢复为所述全时钟速率；以及 当数据位之间的相关性没有超过所述阈值时，继续以降低后的时钟速率运行所述时钟。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述数据分组的前同步码中的数据位之间的相关性进一步包括:计算表示来自所述前同步码中的一个随机序列的采样数据与来自所述前同步码中的另一随机序列的采样数据之间的相似性的度量值，并且当所述相关性度量值超过阈值时将所述时钟的时钟速率恢复为所述全时钟速率。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括:计算来自所述一个随机序列的采样数据的平均能量水平，并且使用所述采样数据的平均能量水平对所述相关性度量值进行归一化。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述随机序列之间的间隔是表示所述装置的地址的整数和用于对所述时钟速率降频的最大因子的函数。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述随机序列是从Gold序列得到的。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括:在降低所述时钟的时钟速率的步骤之前确定在将所述时钟从全时钟速率转变为降低后的时钟速率时数据分组到达所述装置的可能性，并且当所述可能性超过阈值时继续以所述全时钟速率运行所述时钟。
16.一种用于无线通信装置的接收机，包括: 时钟电路，用于生成为全时钟速率和降低后的时钟速率之一的时钟信号，其中，所述降低后的时钟速率小于所述全时钟速率； 与时钟发生器接口的降频模块，用于在空闲监听时期期间将所述时钟信号设置为所述降低后的时钟速率；以及 解码器，被配置成接收数据分组的数据位并对所述数据位进行解码，其中，所述解码器根据从所述时钟发生器接收到的时钟信号进行操作。`
17.根据权利要求16所述的接收机，还包括:模数转换器，其被配置成接收数据信号并根据来自所述时钟发生器的时钟信号对所述数据信号进行采样。
18.根据权利要求16所述的接收机，其中，所述解码器确定所述数据分组的前同步码中的数据位之间的相关性，其中，所述前同步码包括重复两次以上的数据位的随机序列，并且所述随机序列之间的间隔表示所述装置的地址。
19.根据权利要求18所述的接收机，其中，所述解码器用于在所述数据位之间的相关性超过阈值时将所述时钟信号设置为所述全时钟速率，而在所述数据位之间的相关性没有超过所述阈值时将所述时钟信号设置为所述降低后的时钟速率。
20.根据权利要求18所述的接收机，其中，所述解码器用于计算表示来自所述前同步码中的一个随机序列的数据位与来自所述前同步码中的另一随机序列的采样数据位之间的相似性的度量值，并且在所述相关性度量值超过阈值时将所述时钟信号设置为所述全时钟速率。
21.根据权利要求20所述的接收机，其中，所述解码器计算来自所述一个随机序列的数据位的平均能量水平，并且使用所述数据位的平均能量水平对所述相关性度量值进行归一化。
22.根据权利要求18所述的接收机，其中，所述随机序列的长度是表示所述装置的地址的整数和用于对所述时钟速率进行降频的最大因子的函数。
23.根据权利要求18所述的接收机，其中，所述随机序列是从Gold序列得到的。
24.根据权利要求18所述的接收机，其中，所述解码器确定在将所述时钟信号从全时钟速率转变为所述降低后的时钟速率之前数据分组到达所述装置的可能性，并且在所述可能性超过阈值时继续以 所述全时钟速率运行所述时钟。
【文档编号】H04B1/06GK103534954SQ201280023537
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年4月6日 优先权日:2011年4月8日
【发明者】康格·G·申, 张欣宇 申请人:密执安州立大学董事会