Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 Maßnahmen zur...

Universität Karlsruhe (TH) Patrick KofflerChair for Embedded Systems

SS 2006

Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs im PicoRadio Projekt

Patrick Koffler

CES - Chair for Embedded Systems (Prof. Dr. Jörg Henkel) Department of Computer Science

University of Karlsruhe


SS 2006

2Agenda

Motivation

PicoRadio

Quark Node - Implementierung eines PicoNode

Maßnahmen zur Leistungsreduktion


SS 2006

3Ausgangssituation Sensornetzwerke

Verbund aus Sensorknoten

Autonome Organisation in ad-hoc Funknetzwerken

Kooperieren beim Lösen von Aufgaben

Anwendungen

Smart Buildings Verkehrsüberwachung Katastrophenschutz


SS 2006

4Essentielle Charakteristika

Folgende Eigenschaften muss ein Sensorknoten erfüllen:

Kleine Abmessungen

Geringe Kosten

Geringer Energieverbrauch

Regelmäßiger Batteriewechsel istTeuerUnmöglich


SS 2006

5Agenda

Motivation

PicoRadio




SS 2006

6Das PicoRadio Projekt

Ziele des Projekts:

Große und dichte Sensornetzwerke

Autonome Energieversorgung per „energy scarvenging“

Vision:

Tausende von kleinen, selbst organisierenden Sensorknoten die im täglichen Leben Informationen sammeln


SS 2006

7PicoRadio Untergruppen

4 Untergruppen:

PicoNode3

PicoRadioRF

Network, Application, MAC, Positioning (NAMP)

Yield Optimization (YODA)


SS 2006

8PicoNode Eigenschaften

Ein PicoNode soll folgende Eigenschaften aufweisen:

Leichter als 100 Gramm

Billiger als $1

Leistungsaufnahme unter 100 μW

???

?Wie kann dies erreicht werden


SS 2006

9Leistungsreduzierung

Leistungsreduzierung auf jeder Ebene des Entwurfs

Reduktion auf einer Ebene bringt nichts, wenn andere Energie verschwenden

SystemebeneSystemebene

ArchitekturebeneArchitekturebene

GatterebeneGatterebene


SS 2006

11PicoNode I – „TestBed“

Funktionsfähige Version:Januar 2002

Erste Implementierung einesPicoNodes

Test und Analyse der Eigenschaftender Funkverbindung

Leistungsaufnahme zwischen 130 mW („Standby“) und 691 mW (Senden)


SS 2006

12PicoNode II – „TCI“

Funktionsfähige Version:Juni 2002

TCI = Two Chip Intercom

Realisierung desProtokollstacks und derÜbertragungsschicht aufzwei verschiedenen Chips

Leistungsaufnahme von ~13 mW


SS 2006

13PicoNode 3 – „Quark Node“

Funktionsfähige Version: Juli 2004

Kombiniert die Ergebnisse der PicoNodeI und PicoNodeII Phasen

Leistungsaufnahme im einstelligen mW Bereich

Zwei verschiedene Chips:

Charm Chip digitale Verarbeitung von Signalen Strange Chip Senden und Empfangen von Signalen


SS 2006

14Agenda

Motivation

PicoRadio




SS 2006

15Blockstruktur des Quark Nodes

CharmChip

StrangeChip

SwitchArray

DiscreteLogic

Analog RxBaseband

JTAGhdr

16MHzosc

SPIhdr

SensorA / D

UARThdr

GPIOhdr

I2Chdr

EEPROM

Schnittstelle

Chip

[Sheets04]


SS 2006

16Der Charm Chip

Gefertigt in 0,13 μm CMOS

Fläche: 2,7mm x 2,7mm

3,2 Millionen Transistoren

Taktrate: 16 Mhz

DLL, Location Engine, BB als low-power ASIC

8051-kompatibler Mikroprozessor (C-Programmierbar)

[Sheets04]


SS 2006

17Der Strange Chip

Gefertigt in 0,13 μm CMOS

Fläche: 4mm x 4mm

Versorgungsspannung: 1,2V

Trägerfrequenz: 1,9 GHz

Empfindlichkeit: -78 dBm

Verbindung per Chip-On-Board (CoB)

[Sheets04]


SS 2006

18Leistungsaufnahme

Aufteilung der Leistungsaufnahme auf die Untersysteme

im Standby beim Senden

[Sheets04]


SS 2006

19Agenda

Motivation

PicoRadio




SS 2006

20Übersicht über die Maßnahmen zur Leistungsreduktion

Multi-Hop Netzwerk

Energieeffizientes Routing

Energieeffizientes Media Access Control (MAC) Protokoll

Pseudo-asynchrones Rendezvousschema „TICER“

Energieeffizienter 2-Kanal Transceiver

Senken der SRAM-Verlustleistung

Power Controller


SS 2006

21Multi-Hop Netzwerk

Funkreichweite

erweiterte Reichweite

Zwischenknoten

???

?Wie wird dies energieeffizient implementiert

Lange Übertragungsdistanzenineffizient

Also: Lange Distanz inkleinere Teilstückeunterteilen

In dichtem Sensornetzwerksehr gut möglich

E = β × d γ E = β × d γ


SS 2006

22Energieeffizientes Routing

PicoRadio benutzt „class-based addressing“

<Lage, Knotentyp, Knotensubtyp>

Reaktives Routing

Es wird nur dann nach einer Route gesucht, wenn diese benötigt wird.

Lebensdauer des gesamten Netzes wichtig

Häufiges Nutzen der gleichen Pfade führt langfristig zu Spaltung des Netzes


SS 2006


Controller

Sensor

1. Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.

Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…


SS 2006


Empfänger

Sender



Dies wiederholt jeder Zwischenknoten…


SS 2006


Controller

Sensor





SS 2006


Während dieser Aktion wird eine „Neighbourhood List“ aufgebaut. Sie speichert wie viel Energie nötig ist um einen Nachbarknoten zu erreichen.

Controller

Sensor


SS 2006


2. Jetzt sendet der Sensor die gewünschten Daten zurück. Die Route wird in den einzelnen Zwischenknoten aufgrund der „Neighbourhood List“ gewählt.

???

?

Wie wird gewährleistet, dass sich die Knoten nicht gegenseitig stören

Controller

Sensor


SS 2006

29Energieeffizientes Medium Access Control (MAC) Protokoll

Energieverschwendung durch:

Paketkollision

Mithören von Paketen für andere Knoten und deren Verarbeitung

Unnötige Kontrollpakete

Unnötiges „Lauschen“


SS 2006

30MAC Protokoll: Vermeidung von Paketkollisionen

Belegt?

Alle Kanälegetestet?

ja

neinsenden

zufällig einenKanal wählen

nein

Für zufälligeZeitdauerschlafen

ja


SS 2006

31„wakeup radio“

Ziele: Vermeiden von unnötigem Mithören Vermeiden von unnötigem Empfangen von Paketen

Idee eines asynchronen Rendezvousschemas: „wakeup radio“ ist die ganze Zeit aktiv

Verbraucht extrem wenig Energie

Knoten erwacht bei Wecksignal

Ziel-ID in „wakeup“ Signal einmoduliert nur der gewünschte Zielknoten wacht auf

???

?

Wie wird diesimplementiert


SS 2006

32Transmitter Initiated CyclEd Receiver - TICER

Aktuell keine Implementierung des „wakeup radios“ verfügbar

pseudo-asynchrones Rendezvousschema TICER als Ersatz

„cycled receiver“ Ansatz:

Sensorknoten überprüft in Periodendauer T für Zeitintervall Ton ob zu empfangende Daten vorliegen

Tradeoff: Energie / Periodendauer / Latenz


SS 2006

33TICER Schema

TX

RX

Ton Ton

Ton

Tsleep

Tlisten

RTS

CTS ACK

DATA

T

RTS = „request to send“CTS = „clear to send“ACK = „acknowledge“

RTS = „request to send“CTS = „clear to send“ACK = „acknowledge“ [Lin04]


SS 2006

34

Wie wird dieserreicht

Strange Chip – Energieeffizienter Transreceiver

Entwurfsziele:

Extrem niedrige Leistungsaufnahme

Hoher Grad der Integrierung

Kurze Anschaltzeiten

???

?


SS 2006

35RF-MEMS („microelectromechanical“) Resonator

Implementiert mit „Thin Film Bulk Acoutic Wave (FBAR)“ Resonatoren von Agilent Technologies

Startzeit: 10 μs

Resonanzfrequenz bei 1,9 GHz

2 Kanäle 2 mögliche Modulationsschemata

2x On-Off-Keying (OOK) 1x Frequency Shift Keying (FSK)


SS 2006

36Vorteile von FBAR-Resonatoren

Kanalwahl im „Channel-Select Amplifier“ (CSA) durch FBAR-Resonator

keine Quarzkristalle für Frequenzstabilisierung

keine „phase-locked loop“ (PLL) und somit kürzere Startzeit

Match

EnvelopeDetector

EnvelopeDetector

Low NoiseAmplifier

LNA

CSA

CSA

BB

BB

Channel SelectAmplifier BaseBand

[Otis04]


SS 2006

37Vorteile von FBAR-Resonatoren

Transmitter verwendet ebenfalls MEMS besierenden Oszillator (OSC)

keine Mixer oder PLLs nötig

Startzeit des Oszillators extrem kurz (1 μs)

MatchingNetwork

BasebandData

Oscillator

PA

Power Amplifier

[Otis04]


SS 2006

38Senken der SRAM-Verlustleistung

Sensorknoten 99% der Zeit im Standby wichtig für mittleren Energieverbrauch

Immer kleinere Strukturen führen zu immer größeren Leckströmen

[Sheets05]


SS 2006

39Data Retention Voltage

Data Retention Voltage (DRV)

die minimale Versorgungsspannung Vdd, bei welcher die Daten gerade noch erhalten bleiben

Vorteil: Keine Änderung an der SRAM Speicherzelle nötig

Verringern der Verlustleistung einer SRAM Zelle in 0,19 μm Technologie um bis zu 90%


SS 2006

40Power Controller

Powermanagement für Untersysteme

Selektive Energieversorgung, wenn Untersysteme benötigt werden

Somit vermeiden von Leckströmen in nicht benötigen Schaltungen

Untersysteme werden durch auftretende Ereignisse eingeschaltet

Externe Quelle z.B. Sensoren, Funkempfänger Interne Quelle benachbarte Untersysteme


SS 2006

41Zusammenfassung

Leistungsreduzierung durch:

Organisation als Multi-Hop Netzwerk

Energieeffizientes Routing mit gleichmäßiger Energieabnahme im gesamten Netz

Energieeffizientes MAC Protokoll

Pseudo-asynchrones Rendezvousschema TICER

FBAR-Resonatoren und MEMs basierte Oszillatoren in der Implementierung des Funkchips

Data Retention Voltage für SRAM-Speicherzellen

Power Management


SS 2006

42Ausblick

Weitere Reduzierung der Leistungsaufnahme…

Angedacht:

Ersetzen der ineffizienten Spannungsregulatoren

Energieeffiziente Taktgeberz.B. „integrated silicon clocks“

„miscellaneous logic“ in Charm oder Strange Chip integrieren


SS 2006

43Ende

Vielen Dankfür die

Aufmerksamkeit


SS 2006

44Quellen

[Sheets04] Mike Sheets, Jan M. Rabaey et al. “A (6x3)cm² Self Contained Energy-Scavenging Wireless Sensor Network Node”; Proceedings of the Wireless Personal Multimedia Communications Conference, Abano Terme, Italy, September 12-15, 2004

[Lin04] En-Yi A. Lin, Jan M. Rabaey, Adam Wolisz, "Power-Efficient Rendez-vous Schemes for Dense Wireless Sensor Networks," IEEE International Conference on Communications, Volume 7, June 2004, pp. 3769-3776

[Otis04] B. Otis, J.M. Rabaey, "An Ultra-Low Power MEMS-Based Two-Channel Transceiver for Wireless Sensor Networks" Symposium on VLSI Circuits, pp. 20-23, June 2004

[Sheets05] Mike Sheets, “Winter Retreat 2005 Presentation”, http://bwrc.eecs.berkeley.edu/Presentations/Retreats/Winter_Retreat_2005/

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