Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 Maßnahmen zur...
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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
Universität Karlsruhe (TH) Patrick KofflerChair for Embedded Systems
SS 2006
2Agenda
Motivation
PicoRadio
Quark Node - Implementierung eines PicoNode
Maßnahmen zur Leistungsreduktion
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3Ausgangssituation Sensornetzwerke
Verbund aus Sensorknoten
Autonome Organisation in ad-hoc Funknetzwerken
Kooperieren beim Lösen von Aufgaben
Anwendungen
Smart Buildings Verkehrsüberwachung Katastrophenschutz
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4Essentielle Charakteristika
Folgende Eigenschaften muss ein Sensorknoten erfüllen:
Kleine Abmessungen
Geringe Kosten
Geringer Energieverbrauch
Regelmäßiger Batteriewechsel istTeuerUnmöglich
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5Agenda
Motivation
PicoRadio
Quark Node - Implementierung eines PicoNode
Maßnahmen zur Leistungsreduktion
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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
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7PicoRadio Untergruppen
4 Untergruppen:
PicoNode3
PicoRadioRF
Network, Application, MAC, Positioning (NAMP)
Yield Optimization (YODA)
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8PicoNode Eigenschaften
Ein PicoNode soll folgende Eigenschaften aufweisen:
Leichter als 100 Gramm
Billiger als $1
Leistungsaufnahme unter 100 μW
???
?Wie kann dies erreicht werden
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9Leistungsreduzierung
Leistungsreduzierung auf jeder Ebene des Entwurfs
Reduktion auf einer Ebene bringt nichts, wenn andere Energie verschwenden
SystemebeneSystemebene
ArchitekturebeneArchitekturebene
GatterebeneGatterebene
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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)
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12PicoNode II – „TCI“
Funktionsfähige Version:Juni 2002
TCI = Two Chip Intercom
Realisierung desProtokollstacks und derÜbertragungsschicht aufzwei verschiedenen Chips
Leistungsaufnahme von ~13 mW
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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
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14Agenda
Motivation
PicoRadio
Quark Node - Implementierung eines PicoNode
Maßnahmen zur Leistungsreduktion
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15Blockstruktur des Quark Nodes
CharmChip
StrangeChip
SwitchArray
DiscreteLogic
Analog RxBaseband
JTAGhdr
16MHzosc
SPIhdr
SensorA / D
UARThdr
GPIOhdr
I2Chdr
EEPROM
Schnittstelle
Chip
[Sheets04]
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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]
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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]
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18Leistungsaufnahme
Aufteilung der Leistungsaufnahme auf die Untersysteme
im Standby beim Senden
[Sheets04]
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19Agenda
Motivation
PicoRadio
Quark Node - Implementierung eines PicoNode
Maßnahmen zur Leistungsreduktion
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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
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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
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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
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23Energieeffizientes Routing
Controller
Sensor
1. Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.
Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…
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24Energieeffizientes Routing
Empfänger
Sender
1. Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.
Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…
Dies wiederholt jeder Zwischenknoten…
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25Energieeffizientes Routing
Controller
Sensor
1. Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.
Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…
Dies wiederholt jeder Zwischenknoten…
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SS 2006
26Energieeffizientes Routing
Controller
Sensor
1. Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.
Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…
Dies wiederholt jeder Zwischenknoten…
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SS 2006
27Energieeffizientes Routing
Während dieser Aktion wird eine „Neighbourhood List“ aufgebaut. Sie speichert wie viel Energie nötig ist um einen Nachbarknoten zu erreichen.
Controller
Sensor
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28Energieeffizientes Routing
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
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29Energieeffizientes Medium Access Control (MAC) Protokoll
Energieverschwendung durch:
Paketkollision
Mithören von Paketen für andere Knoten und deren Verarbeitung
Unnötige Kontrollpakete
Unnötiges „Lauschen“
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30MAC Protokoll: Vermeidung von Paketkollisionen
Belegt?
Alle Kanälegetestet?
ja
neinsenden
zufällig einenKanal wählen
nein
Für zufälligeZeitdauerschlafen
ja
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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
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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
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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]
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34
Wie wird dieserreicht
Strange Chip – Energieeffizienter Transreceiver
Entwurfsziele:
Extrem niedrige Leistungsaufnahme
Hoher Grad der Integrierung
Kurze Anschaltzeiten
???
?
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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)
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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]
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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]
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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]
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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%
Universität Karlsruhe (TH) Patrick KofflerChair for Embedded Systems
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
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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
Universität Karlsruhe (TH) Patrick KofflerChair for Embedded Systems
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
Universität Karlsruhe (TH) Patrick KofflerChair for Embedded Systems
SS 2006
43Ende
Vielen Dankfür die
Aufmerksamkeit
Universität Karlsruhe (TH) Patrick KofflerChair for Embedded Systems
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/