DE10044035A1

DE10044035A1 - Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten und Verfahren zur Nutzung eines derartigen Kommunikationssystems

Info

Publication number: DE10044035A1
Application number: DE10044035A
Authority: DE
Inventors: Michael Methfessel; Horst Frankenfeldt; Irina Matthaei; Rolf Kraemer
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2000-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2002-03-14
Also published as: WO2002021709A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein insbesondere drahtloses mobiles Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten, insbesondere Nachrichten und ein Verfahren zur Nutzung eines derartigen Kommunikationssystems, insbesondere mit einer ständigen oder periodischen (sleep mode) Überwachung des Funkkanals durch das Empfangsgerät. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist eine Verringerung des Energieverbrauchs des Kommunikationssystems mit dem Ziel, die Batterielebensdauer zu erhöhen, die mobile Betriebszeit/Nutzungsdauer zu verlängern und die Größe und das Gewicht der mobilen Einheiten zu verringern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Kommunikationssystem aus einem Hauptsystem, kombiniert mit einem Aufwecksystem, besteht. Das Hauptsystem, insbesondere der Hauptempfänger, ist in der Regel ausgeschaltet, wenn keine Daten übertragen werden. Zum Senden von Daten überträgt der Sender zuerst ein Aufwecksignal und anschließend die Daten. Das Aufwecksystem schaltet das Hauptsystem, insbesondere den Hauptempfänger, beim Empfang des Aufwecksignals ein. Nach dem Empfang der Daten wird das Hauptsystem, insbesondere der Hauptempfänger, entweder sofort oder nach geeigneter Zeit (time out) wieder in den Ausgangszustand versetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein insbesondere drahtloses mobiles Kommunikationssystem zur Übertra gung von Daten, insbesondere Nachrichten, und ein Verfahren zur Nutzung eines derartigen Kommunikationssystems, insbesondere mit einer ständigen oder periodischen (sleep mode) Überwachung des Funkkanals durch das Empfangsgerät.

Bei der drahtlosen mobilen Kommunikation ist es eine vorrangige Aufgabe, den Energiever brauch der mobilen Einheiten in Hinsicht auf die Verlängerung der mobilen Betriebs zeit/Nutzungsdauer, in Hinsicht auf eine Erhöhung der Lebensdauer der Batterie sowie eine Ver ringerung ihres Gewichts und ihrer Größe zu senken. In vielen Anwendungsfällen ist es erforder lich, dass das Empfangsgerät ständig den Funkkanal überwacht, um für eingehende Daten jeder zeit oder bestenfalls nach einer kurzen, vom Benutzer kaum wahrnehmbaren Latentzeit erreich bar zu sein. Obwohl der Stromverbrauch der mobilen Einheiten beim Senden und Empfangen erheblich größer als bei der Überwachung des Funkkanals ist, wird bei der ständigen Überwa chung des Funkkanals der Hauptanteil an Energie verbraucht, da die Sende- und Empfangsperi oden im Vergleich zu den Überwachungsperioden üblicherweise kurz sind.

In bekannten Lösungen wird der Energieverbrauch während der Überwachung für eingehende Daten dadurch verringert, dass die Empfängerschaltkreise in einem sogenannten Schlafmodus ("sleep mode" oder "doze mode") periodisch für ein geeignetes Zeitintervall abgeschaltet wer den. Dabei wird das Zeitintervall so kurz gewählt, dass eine tolerierbare Verzögerung beim Emp fang von Daten nicht überschritten wird. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass weiterhin eine wenn auch verringerte aktive Überwachung des Funkkanals über eine insgesamt große Zeit spanne notwendig ist. Somit besteht immer noch ein hoher durchschnittlicher kontinuierlicher Energieverbrauch, welcher z. B. bei neueren Anwendungen für lokale drahtlose Netzwerke, ins besondere Bluetooth-Anwendungen und WLAN-Komponenten, die vom Benutzer wahrgenom mene Batterielebensdauer erheblich reduziert.

Außerdem benötigt das An- und Abschalten der mobilen Einheiten ebenfalls eine gewisse Zeit, wodurch ein beliebig kurzer Schlafzyklus nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist der zusätzliche Aufwand auf den verschiedenen Protokollebenen zur Kontrolle und Synchro nisierung der Schlafzyklen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere bei einem drahtlosen mobilen Kommunikationssystem und einem Verfahren zur Nutzung eines derartigen Kommunikationssystems die ständige Überwachung des Funkkanals derart zu gestalten, dass eine Verringerung des Energieverbrauchs der mobilen Ein heiten mit dem Ziel eintritt, die Batterielebensdauer zu erhöhen, die mobile Betriebs zeit/Nutzungsdauer zu verlängern und die Größe und das Gewicht der mobilen Einheiten zu ver ringern. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, die Maßnahmen zur Verringerung des Energiever brauchs derart auszuführen, dass sie von dem Benutzer praktisch nicht wahrnehmbar sind. Schließlich soll durch die Maßnahmen zur Verringerung des Energieverbrauchs an anderen Stel len des Kommunikationssystems kein erheblicher Mehraufwand eintreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst.

Ein erfindungsgemäßes Kommunikationssystem zur Übertragung von Daten, insbesondere Nachrichten, besteht aus einem Hauptsystem mit mindestens einem Hauptsender und mindestens einem Hauptempfänger kombiniert mit einem Aufwecksystem, welches aus Mitteln zum Emp fang und/oder Mitteln zum Senden eines Aufwecksignals besteht und wobei das Aufwecksystem aus Mitteln zum Einschalten des Hauptsystems, insbesondere des Hauptempfängers, besteht. Das Hauptsystem, insbesondere der Hauptempfänger, ist in der Regel ausgeschaltet, wenn keine Daten übertragen werden. Zum Senden von Daten überträgt der Sender zuerst ein Aufwecksignal und anschließend die Daten. Das Aufwecksystem schaltet das Hauptsystem, insbesondere den Hauptempfänger, beim Empfang des Aufwecksignals ein. Nach dem Empfang der Daten wird das Hauptsystem, insbesondere der Hauptempfänger, entweder sofort oder nach geeigneter Zeit (time out) wieder in den Ausgangszustand versetzt.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung beruhen darin, vor das Hauptsystem ein zweites unabhängiges System zu schalten, welches das Hauptsystem, insbesondere den Hauptempfänger, erst unmittelbar vor dem Eintreffen von zu empfangenden Daten aktiviert. Die verbesserte Ener giebilanz der mobilen Einheit wird dadurch ermöglicht, dass die Schaltkreise des Hauptsystems bis zum Eintreffen eines solchen Aufwecksignals völlig und durchgehend abgeschaltet werden können und das Aufwecksystem einen erheblich geringeren Energieverbrauch aufweist. Dieser geringere Energieverbrauch beruht darauf, dass das Aufwecksystem ausschließlich ein einfaches Aufwecksignal übermitteln bzw. empfangen muss.

In einer Ausführungsvariante werden für geeignete Systeme die bekannten Verfahren für RFID-Tags (radio frequency identifleation tags) zur Übertragung des Aufwecksignals verwen det, wodurch der Energieverbrauch des Aufwecksystems während der Überwachung des Funk kanals effektiv Null ist.

In einer weiteren Ausführungsvariante wird der Empfänger des Aufwecksignals mit bekannten Methoden der Schaltungstechnik aufgebaut, wobei die Funktionsweise gezielt auf den reduzier ten Energieverbrauch bei der Übermittlung von geringen Datenmengen optimiert wird.

Die Merkmale der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen schutzfähige Ausführungen darstellen, für die hier Schutz bean sprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wer den im Folgenden näher erläutert.

Beispiel 1

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Aufwecksystem A mit Mitteln zum Anschalten des Hauptsystems H und Mitteln zum Senden eines einfachen Aufwecksignals AS optimiert hin sichtlich des Energieverbrauchs ausgestattet. Dies beruht auf dem allgemeinen Prinzip, dass für ein gegebenes Schaltungselement (z. B. LNA, VCO, Frequenzteiler) das Produkt von aufgenom mener Leistung und erzeugtem Rauschen näherungsweise konstant ist. Eine verringerte Lei stungsaufnahme führt daher zwangsweise zu erhöhtem Rauschen, welches jedoch nur bei niedri gen Datenraten toleriert werden kann. Des weiteren ist die dem eigentlichen Empfänger nachge schaltete digitale Verarbeitung einfacher und kann bei niedrigerer Taktfrequenz durchgeführt werden, wodurch ebenfalls Energie eingespart wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer niedrigen Datenrate ein hoher Anteil an Redundanz eingebaut werden kann, welcher wie derum zu einer erhöhten Resistenz gegen Rauschen, d. h. zu einer möglichst geringen Fehlerrate führt. Dies erlaubt, wie oben erwähnt, den Einsatz von Schaltkreisen mit reduziertem Energie verbrauch. Es muss nur eine sehr geringe Datenmenge übertragen werden, welches eine niedrige Datenrate und dadurch die Anwendung spezieller Verfahren (wie z. B. die Ausnutzung langer Korrelationszeiten) zur Reduzierung des Energieverbrauchs erlaubt.

Beispiel 2

Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf der Anwendung RFID-ähnlicher Technologie. Die Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung. Das Blockschaltbild enthält eine Dipolantenne D, Gleichrichter-Bauelemente G für das eingehende Aufwecksignal AS, eine Zeh nerdiode Z zur Begrenzung der Signalspannung, einen integrierten Schaltkreis IC mit Stützbatte rie B und das Hauptsystem H.

Der Sender enthält Mittel zum Senden eines Aufwecksignals AS vor dem Senden der eigentli chen Daten. Nach dem Empfang eines Aufwecksignals AS von einem in der Fig. 1 nicht darge stellten Sender durch die Dipolantenne D, Gleichrichtung durch Gleichrichter-Bauelemente G und Begrenzung des Aufwecksignals AS durch die Zehnerdiode Z wird durch den integrierten Schaltkreis IC ein Anschaltsignal 5 an das Hauptsystem H gesandt. Die Übermittlung des Auf wecksignals AS stellt eine Übertragung einer nur geringen Datenmenge bei einer niedrigen Da tenrate dar. Trotz der dadurch möglichen energiesparenden Übertragung ist die Stützbatterie B in diesem Ausführungsbeispiel erforderlich, da die aus dem empfangenen Aufwecksignal AS ent nehmbare Energie zu gering ist, um den integrierten Schaltkreis IC zu versorgen. Die Energie des empfangenen Aufwecksignals reicht jedoch aus, um einen Eingangstransistor im integrierten Schaltkreis IC zu schalten. Vor dem Empfang des Aufwecksignals AS ist der Energieverbrauch des integrierten Schaltkreises IC in einer modernen CMOS-Technologie nahe Null. Der Emp fang der Daten erfolgt ebenfalls über die Dipolantenne D der Schaltvorrichtung. In einer Ab wandlung besitzt das Hauptsystem H eine eigene Antenne zum Empfang der vom Sender über mittelten Daten. Nach dem Empfang der Daten schaltet sich das Hauptsystem H, insbesondere der Hauptempfänger, automatisch wieder ab. Dies kann auch erst nach einer bestimmten Zeit nach dem Empfang der Daten erfolgen, um ein zu häufiges An- und Abschalten des Hauptsy stems H bzw. Hauptempfängers bei sehr kurzen Pausen zwischen dem Senden von Daten zu verhindern. In einer Abwandlung dazu wird das Hauptsystem H bzw. der Hauptempfänger durch den inte grierten Schaltkreis IC abgeschaltet.

Beispiel 3

In diesem Ausführungsbeispiel wird ein derartiges Aufwecksignal AS ohne weitere Informatio nen dazu benutzt, alle Empfangssysteme in einem bestimmten Umkreis des Senders "aufzuwec ken". Eine zusätzliche Auswahl eines speziellen Empfängers kann auf einer höheren Protokoll ebene geschehen, nachdem die Hauptverbindung aufgenommen wurde und damit die Nachricht den richtigen Empfänger erreicht.

Beispiel 4

In einer anderen vorteilhaften Variante wird dem Aufwecksignal AS eine Identifikation aufmo duliert, die von einer Zusatzfunktion des integrierten Schaltkreises IC interpretiert wird, bevor an das Hauptsystem H bzw. den Hauptempfänger das Anschaltsignal S gegebenenfalls übertra gen wird. Für die Übertragung des Aufwecksignals AS kann wie bei der Anwendung des Radio- Frequency-Identification-Systems (RFID) eine Trägerfrequenz von 2,45 GHz verwendet werden. Die Identifikation des Aufwecksignals AS wird mit einer oder mehreren im integrierten Schalt kreis IC gespeicherten Referenz-Identifikationen verglichen. Nur bei positivem Ergebnis dieses Vergleichs wird das Anschaltsignal S an das Hauptsystem H bzw. den Hauptempfänger gesen det. Der integrierte Schaltkreis IC enthält zu diesem Zweck Mittel zur Erkennung der dem Auf wecksignal AS aufmodulierten Identifikation, Mittel zur Speicherung von mindestens einer Re ferenz-Identifikation, Mittel zum Vergleich der Identifikation und der Referenz-Identifikation. Dementsprechend enthält der Sender Mittel zum Senden eines Aufwecksignals AS sowie Mittel zum Aufmodulieren einer Identifikation auf das Aufwecksignal AS.

In einer Abwandlung wird das Anschaltsignal S unabhängig von der aufmodulierten Identifikati on an das Hauptsystem H bzw. den Hauptempfänger übertragen und von diesem mit den gespei cherten Referenz-Identifikationen verglichen. Nur bei positivem Ergebnis dieses Vergleichs wird das Hauptsystem H bzw. der Hauptempfänger eingeschaltet. Das Hauptsystem H enthält zu die sem Zweck Mittel zur Erkennung der dem Aufwecksignal AS aufmodulierten Identifikation, Mittel zur Speicherung von mindestens einer Referenz-Identifikation, Mittel zum Vergleich der Identifikation und der Referenz-Identifikation.

In der vorliegenden Beschreibung wurde anhand konkreter Ausführungsbeispiele ein Kommuni kationssystem zur Übertragung von Daten und ein Verfahren zur Nutzung eines derartigen Kommunikationssystems erläutert. Es sei aber vermerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten der Beschreibung in den Ausführungsbeispielen beschränkt ist.

Claims

1. Kommunikationssystem (K) zur Übertragung von Daten, insbesondere Nachrichten, beste hend aus einem Hauptsystem (H) mit mindestens einem Hauptsender (HS) und mindestens einem Hauptempfänger, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (K) aus einer Kombination aus dem Hauptsystem (H) und einem Aufwecksystem (A) besteht.

2. Kommunikationssystem (K) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kom munikationssystem (K), insbesondere das Aufwecksystem (A), aus Mitteln zum Empfang eines Aufwecksignals (AS), insbesondere optimiert für den Empfang eines speziellen Auf wecksignals (AS), besteht.

3. Kommunikationssystem (K) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (K), insbesondere das Aufwecksystem (A), aus Mitteln zum Senden eines Aufwecksignals (AS), insbesondere optimiert für das Senden eines spe ziellen Aufwecksignals (AS), besteht.

4. Kommunikationssystem (K) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (K), insbesondere das Aufwecksystem (A), aus Mitteln zum Anschalten des Hauptsystems (H), insbesondere des Hauptempfängers, besteht.

5. Kommunikationssystem (K) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (K), insbesondere das Aufwecksystem (A), ein RFID be inhaltet.

6. Kommunikationssystem (K) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (K), insbesondere das Aufwecksystem (A), Mittel zur Stromversorgung, vorzugsweise eine Stützbatterie (B), enthält.

7. Kommunikationssystem (K) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikationssystem (K), insbesondere das Auf wecksystem (A), Mittel zur Erkennung einer dem Aufwecksignal (AS) aufmodulierten Identifikation, Mittel zur Speicherung von mindestens einer Referenz-Identifikation, Mittel zum Vergleich der Identifikation und der Referenz-Identifikation enthält.

8. Verfahren zur Kommunikation eines Kommunikationssystem (K), wie in den Ansprü chen 1 bis 7 beschrieben, dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufwecksystem (A) beim Empfang des Aufwecksignals (AS) das Hauptsy stem (H) anschaltet,
dass zum Senden von Daten, insbesondere Nachrichten, der Sender des Hauptsy stems (H) oder des Aufwecksystems (A) zuerst ein Aufwecksignal (AS) sendet,
dass das Hauptsystem (H) ausgeschaltet ist, wenn keine Daten übertragen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommunikations system (K), insbesondere das Aufwecksystem (A), das Aufwecksignal (AS) mit Hilfe von Mitteln zum Empfang empfängt und das Hauptsystem (H) mit Hilfe von Mitteln zum An schalten das Hauptsystems (H) einschaltet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf wecksystem (A) zur Eigenversorgung Energie aus dem gesendeten Aufwecksignal (AS) entnimmt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf wecksystem (A) periodisch ein- und ausgeschaltet wird.