Autonomie énergétique des objets communicants · 2015-10-10 · Autonomie énergétique des...
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Autonomie énergétique des objets communicants
Olivier Berder
Université de Rennes I
IRISA/ENSSAT
Avec des contributions de:
Olivier Sentieys, Duc Nguyen, Vinh Tran, Mahtab Alam,
Arnaud Carer, Romain Fontaine, Samuel Mouget
Energ&TIC², Lannion, mars 2012 2
Réseau de capteurs sans fil (WSN)
Petits noeuds captant l’information environnante et communicant par radio • Capteurs, actuateurs • Traitement, stockage • communication, relayage
o Réseau ad hoc
Autonomie importante
Station de base station
Relais
Capteur et relais
Réseau de capteurs sans fil
Faible consommation d’énergie
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Projets CAPTIV et TRANSECT
Systèmes de transport intelligent
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Surveillance de bâtiments
Réseaux de capteurs sans fil - Intervention du
14/03/2012 Diapositive n°4
Projet européen GEODES
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Pourquoi la RF dans le bâtiment?
Solution modulaire et évolutive pour la gestion terminale des équipements avec des avantages notables: • Coût d’installation réduit d’au moins 30 % • Modularité => Coût réduit de maintenance de 80% • Evolutivité => Ajout progressif de fonctionnalités sans
modification de l’installation
Multifonctionnalité: Sous condition d’interopérabilté, un capteur / actionneur peut agir sur plusieurs fonctions (éclairage, CVC, contrôle d’accès,…)
Exemple de Torre Cristal • 4000 modules sans fil installés • 33 km de câbles en moins • 40% sur les coûts d’éclairage
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Domotique sans fil
Interrrupteur autonome sans fil pour contrôler la luminosité de la pièce
Télécommande autonome
Capteur de présence pour ajuster la température et éteindre les lumières en cas pièce inoccupée
Capteurs de température pour une consommation d’énergie minimale
Capteurs de position pour désactiver chauffage et climatisation si la fenêtre est ouverte
Contrôle central sur tablette tactile ou PC
Commande à distance par un mobile ou l’Internet
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2
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2
2
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Agenda
Introduction et contexte applicatif
Architecture générique d’un noeud de capteurs • Standards radio
Techniques de récupération d’énergie • Photovoltaïque, thermique, piézoélectrique… • Gestionnaire de puissance
Optimisation énergétique • Contrôle de puissance, coopération (couche PHY) • Minimisation de l’activité radio (couche MAC) • Optimisations architecturales (power gating, co-
processing, etc.)
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Architecture générique d’un noeud sans fil
• Système embarqué par excellence • Principaux éléments : capteur, traitement, stockage,
communication, gestionnaire d’énergie
Générateur Batterie Conv
DC/DC
Processeur Coprocesseur
RAM Flash
Capteur A/N Radio
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PowWow Plate-forme matérielle
Architecture Open source développée à l’IRISA/INRIA • Carte Mère avec MSP430 • Cartes filles pour
o V1: CC2420, Capteurs o V2: FPGA, DVFS o V3: Récupération d’énergie
FPGA pour l’accélération matérielle Adaptation dynamique de fréquence et de tension Gestionnaire de conso (veille, wake-up)
PowWow: power optimized hardware/software framework for wireless motes
http://powwow.gforge.inria.fr
PWNode V3
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Standards radio
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Agenda
Introduction et contexte applicatif
Architecture générique d’un noeud de capteurs • Standards radio
Techniques de récupération d’énergie • Photovoltaïque, thermique, piézoélectrique…
Optimisation énergétique • Contrôle de puissance • Stratégies de coopération (couche PHY) • Optimisations architecturales (power gating, co-
processing, etc.)
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Récupération d’énergie
STMicroelectronics • Thermogénérateur, batterie
couche mince, • Transceiver 2.4 GHz
IMEC • Energie vibratoire par
MEMS piézoélectriques
TI/Cymbet • Récupération d’énergie solaire ou
indoor par panneaux photovoltaïques (PV), batterie rechargeable couche mince
Infineon • Energie vibratoire pour
monitoring de pression des pneus
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Source
énergétique Caractéristiques Efficacité
Puissance
récupérée
Lumière Extérieure
Intérieure 10~24%
100 mW/cm2
100 µW/cm2
Chaleur Humaine
Industrielle
~0.1%
~3%
60 µW/cm2
~1-10 mW/cm2
Vibration
~Hz–humaine
~kHz–machines 25~50%
~4 µW/cm3
~800 µW/cm3
RF GSM 900 MHz
WiFi ~50%
0.1 µW/cm2
0.001 µW/cm2
Sources de récupération d’énergie
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Agenda
Introduction et contexte applicatif
Architecture générique d’un noeud de capteurs • Gestionnaire de puissance • Standards radio
Techniques de récupération d’énergie • Photovoltaïque, thermique, piézoélectrique…
Optimisation énergétique • Contrôle de puissance • Stratégies de coopération (couche PHY) • Optimisations architecturales (power gating, co-
processing, etc.)
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Budget énergétique type
Quelles sont les principales causes de consommation? • Radio: 30-70mW • Processeur: 5-10mW
Sensor Low-
Power
MCU
Power Supply
Tx
Rx
Sensor
Subsystem
Computation
Subsystem
Power Subsystem
Communication
Subsystem
Tx
Rx
uP
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Objectifs pour réduire la consommation
Comment concevoir une plate-forme matérielle et logicielle pour efficace en énergie pour les réseaux de capteurs?
(1) Réduire la puissance d’émission (Tx) • Traitement du signal efficace • Détection et correction d’erreur
(2) Optimiser l’activité radio (couche MAC) • Ajustement de l’intervalle de réveil
(3) Optimiser l’architecture matérielle • Co-processeur, DVS, power-gating, etc.
Tx
Rx
uP
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Consommation totale • Tx: PT(d) pour une transmission à une distance d • Rx: PR
Transceiver radio CC2420 • PT(PTx)
Modèle énergétique d’une transmission
d
~50% réduction
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Contrôle d’erreur / ARQ
Energie par bit transmis avec succès • fonction de la distance et la puissance TX • Avec ou sans codage
En
erg
ie p
ar
bit
tra
ns
mis
ave
c s
uc
cè
s [
J]
Puissance d’émission (PTx) [dBm]
D=10 m, Pbruit=-90 dBm, 53 octets/paquet
[Min et al., 2002, Sentieys et al., 2007]
d
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ARQ/FEC Error Control
Energie par bit transmis avec succès • fonction de la distance et la puissance TX • Avec ou sans codage
[Min et al., 2002, Sentieys et al., 2007]
d
Adaptation dynamique de la
puissance d’émission radio en
fonction de la distance et des
conditions du canal, etc.
Puissance reçue (RSSI)
comme métrique de qualité
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Techniques coopératives
Diversité spatio-temporelle avec antennes distribuées • Stratégies coopératives entre noeuds sans fil
Techniques • MIMO coopératif (ou MIMO virtuel)
o Codage spatio-temporel
• Relais
o Diversité temporelle
S D Transmission MIMO
dm<<d
dm = 1..10 m
d
dm
Nt
Nr
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Protocoles MAC
Protocole à échantillonnage de préambule • Schéma de RDV asynchrone initié par le récepteur:
RICER (Receiver-Initiated CyclEd Receiver)
Noeud k
(récepteur)
Trames de réveil
Intervalle de réveil (T)
Attente du récepteur
Transmission de données
Acquittement
Noeud j
(émetteur)
Transceiver radio en mode réception/écoute
Transceiver radio en mode émission
Attente
[Lin, ICC, 2005]
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Rendez-vous avec collision
Enorme gaspillage d’énergie
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Influence de l’intervalle de réveil
Tx
Tx
Tx
Rx
Rx
Rx
0,2 s
19,45 mW
19,3 jours
1,6 s
5,64 mW
66,5 jours
8,0 s
12,17 mW
30,8 jours
Optimisation de la couche MAC
T
T
T
R
R
R
WUP court
WUP optimal
WUP long
Mode TX
Mode RX
Plus de collisions
RDV inutiles
Gaspillage RX
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Influence de l’intervalle de réveil • Dépendant de l’application
Optimisation de la couche MAC
T
T
T
R
R
R
WUP court
WUP optimal
WUP long
Mode TX
Mode RX
Plus de collisions
RDV inutiles
Gaspillage RX
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PowWow Optimisation matérielle
Co-processeur FPGA
Gestion des modes de veille (PMM)
Adaptation dynamique tension/fréquence (DVFS)
Power-gating
CC2420 Igloo FPGA
Px
MSP430
Co-processing mode
Réveil
Contrôle
Données
Capteurs
DC/DC Ajustement Vdd
Chien de garde
Block B Block CBlock A
VG
VDD
VVDDVVDD VVDD
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Optimisation du transceiver radio
Chip LetiBee (CEA LETI) • Consommation attendue (2nd release)
o Tx 13.5 mW @ -2 dBm
o Rx 8.5 mW @ -85 dBm
Tendances • Wake-up radio, Ultra-Wide Band
Function RX (mA) TX
RF 0.5 2.73
LO 4 7
PLL 0.35 0.35
Analog 0.2 0.4
Digital 0.5 0.25
Biasing 1.5 0.5
[Bernier, ESSIRC, 2008]
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Résumé
Optimisation énergétique des objets communicants • Problème inter-couches complexe • Modèles conjoints performance/énergie
Réduction de la puissance TX • Traitement de signal, codage, coopération
Réduction de l’activité radio • MAC, routage, wake-up radio…
Optimisation matérielles des plate-formes hétérogènes • Gestionnaire de conso, matériel dédié, power gating, etc.
Optimisation des parties analogiques et radio
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Un challenge pour les systèmes embarqués
Informatique Traitement du signal Contrôle
Communications Microélectronique
WSN
Vérification Algorithmique distribuée Logiciel embarqué Middleware Systèmes d’exploitation …
Systèmes hybrides Contrôle du réseau Codage de source
Numérique Analogique RF …
Micro-architecture Outils de CAO
Modulation MAC Routage…
Codage de canal MIMO, relais
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Références [Alam10] M. Alam, O. Berder, D. Menard, T. Anger, O. Sentieys, A Hybrid Model for Accurate Energy Analysisfor WSN, Technical Report
INRIA, 2010. [Min02] R. Min et al., Power-aware Wireless Microsensor Networks, in Power-aware Design Methodologies, 2002. [Bac10] A. Bachir, M. Dohler, T. Watteyne, and K. K. Leung, MAC Essentials for Wireless Sensor Networks, IEEE. Communication
surveys &Tutorials, vol. 12, no. 2, pp. 222-248, 2010.
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[Cartron 2006] M. Cartron, Vers une plate-forme efficace en énergie pour les réseaux de capteurs sans fil, PhD Thesis, University of Rennes 1, 2006.
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[Nguyen07] Tuan-Duc Nguyen, Olivier Berder and Olivier Sentieys, Cooperative MIMO schemes optimal selection for wireless sensor networks, IEEE VTC-Spring, 2007.
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[Pasha10] M. A. Pasha, S. Derrien and O. Sentieys, A Complete Design-Flow for the Generation of Ultra Low-Power WSN Node Architectures Based on Micro-Tasking, Proc. of the IEEE/ACM Design Automation Conference (DAC) Anaheim, CA, USA, June 2010.
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[Lin05] E.Y Lin, J. Rabaey, S. Wiethoelter, and A. Wolitz. Receiver Initiated Rendez-vous Schemes for Sensor Networks. In Proc. of IEEE Globecom, 2005.
[Lin04] E.Y. Lin, J. M. Rabaey, and A. Wolisz. Power-Efficient Rendez-vous Schemes for Dense Wireless Sensor Networks. In IEEE International Conference on Communications ICC, 2004.
Questions ?
Merci pour leur contribution à:
Olivier Sentieys,
Romain Fontaine, Arnaud Carer,
Duc Nguyen, Vinh Tran,
Vivek T.D., Mahtab Alam, Nhan Le Trong
et autres