Agenda

1. Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs im PicoRadio ProjektPatrick KofflerCES - Chair for Embedded Systems (Prof. Dr. Jörg Henkel)Department of Computer ScienceUniversity of Karlsruhe

2. Agenda • Motivation • PicoRadio • Quark Node - Implementierung eines PicoNode • Maßnahmen zur Leistungsreduktion

3. Ausgangssituation Sensornetzwerke • Verbund aus Sensorknoten • Autonome Organisation in ad-hoc Funknetzwerken • Kooperieren beim Lösen von Aufgaben • Anwendungen • Smart Buildings • Verkehrsüberwachung • Katastrophenschutz

4. Essentielle Charakteristika • Folgende Eigenschaften muss ein Sensorknoten erfüllen: • Kleine Abmessungen • Geringe Kosten • Geringer Energieverbrauch • Regelmäßiger Batteriewechsel ist • Teuer • Unmöglich

5. Agenda • Motivation • PicoRadio • Quark Node - Implementierung eines PicoNode • Maßnahmen zur Leistungsreduktion

6. Das 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

7. PicoRadio Untergruppen • 4 Untergruppen: • PicoNode3 • PicoRadioRF • Network, Application, MAC, Positioning (NAMP) • Yield Optimization (YODA)

8. ? ? ? ? PicoNode Eigenschaften • Ein PicoNode soll folgende Eigenschaften aufweisen: • Leichter als 100 Gramm • Billiger als $1 • Leistungsaufnahme unter 100 μW Wie kann dies erreicht werden

9. Leistungsreduzierung • Leistungsreduzierung auf jeder Ebene des Entwurfs • Reduktion auf einer Ebene bringt nichts, wenn andere Energie verschwenden Systemebene Architekturebene Gatterebene

10. PicoNode I – „TestBed“ • Funktionsfähige Version:Januar 2002 • Erste Implementierung eines PicoNodes • Test und Analyse der Eigenschaftender Funkverbindung • Leistungsaufnahme zwischen 130 mW („Standby“) und 691 mW (Senden)

11. PicoNode II – „TCI“ • Funktionsfähige Version:Juni 2002 • TCI = Two Chip Intercom • Realisierung desProtokollstacks und derÜbertragungsschicht aufzwei verschiedenen Chips • Leistungsaufnahme von ~13 mW

12. PicoNode 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

13. Agenda • Motivation • PicoRadio • Quark Node - Implementierung eines PicoNode • Maßnahmen zur Leistungsreduktion

14. Blockstruktur des Quark Nodes 16MHz osc JTAG hdr SPI hdr Charm Chip Discrete Logic Switch Array Strange Chip Sensor A / D UART hdr Analog Rx Baseband GPIO hdr I2C hdr Schnittstelle EEPROM Chip [Sheets04]

15. Der 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]

16. Der 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]

17. Leistungsaufnahme Aufteilung der Leistungsaufnahme auf die Untersysteme im Standby beim Senden [Sheets04]

18. Agenda • Motivation • PicoRadio • Quark Node - Implementierung eines PicoNode • Maßnahmen zur Leistungsreduktion

19. Übersicht 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

20. ? ? ? ? Multi-Hop Netzwerk Funkreichweite • Lange Übertragungsdistanzenineffizient • Also: Lange Distanz inkleinere Teilstückeunterteilen • In dichtem Sensornetzwerksehr gut möglich Zwischenknoten erweiterte Reichweite E = β × d γ Wie wird dies energieeffizient implementiert

21. Energieeffizientes Routing • PicoRadio benutzt „class-based addressing“<Lage, Knotentyp, Knotensubtyp> • Reaktives RoutingEs wird nur dann nach einer Route gesucht, wenn diese benötigt wird. • Lebensdauer des gesamten Netzes wichtigHäufiges Nutzen der gleichen Pfade führt langfristig zu Spaltung des Netzes

22. Energieeffizientes Routing • Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors… Sensor Controller

23. Energieeffizientes Routing • Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…Dies wiederholt jeder Zwischenknoten… Sender Empfänger

24. Energieeffizientes Routing • Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…Dies wiederholt jeder Zwischenknoten… Sensor Controller

25. Energieeffizientes Routing • Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender.Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…Dies wiederholt jeder Zwischenknoten… Sensor Controller

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

27. ? ? ? ? Energieeffizientes 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 Sensor Controller

28. Energieeffizientes Medium Access Control (MAC) Protokoll • Energieverschwendung durch: • Paketkollision • Mithören von Paketen für andere Knoten und deren Verarbeitung • Unnötige Kontrollpakete • Unnötiges „Lauschen“

29. zufällig einen Kanal wählen nein senden Belegt? ja nein Alle Kanäle getestet? ja Für zufällige Zeitdauer schlafen MAC Protokoll: Vermeidung von Paketkollisionen

30. ? ? ? ? „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 dies implementiert

31. Transmitter 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

32. RTS Ton Ton DATA TX Tsleep Tlisten CTS ACK Ton RX T TICER Schema RTS = „request to send“ CTS = „clear to send“ ACK = „acknowledge“ [Lin04]

33. ? ? ? ? Strange Chip – Energieeffizienter Transreceiver • Entwurfsziele: • Extrem niedrige Leistungsaufnahme • Hoher Grad der Integrierung • Kurze Anschaltzeiten Wie wird dies erreicht

34. RF-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)

35. Vorteile 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 Channel Select Amplifier BaseBand Low Noise Amplifier Envelope Detector CSA BB LNA Match Envelope Detector CSA BB [Otis04]

36. Vorteile von FBAR-Resonatoren • Transmitter verwendet ebenfalls MEMS besierenden Oszillator (OSC) keine Mixer oder PLLs nötig • Startzeit des Oszillators extrem kurz (1 μs) Matching Network PA Oscillator Power Amplifier Baseband Data [Otis04]

37. Senken der SRAM-Verlustleistung • Sensorknoten 99% der Zeit im Standby wichtig für mittleren Energieverbrauch • Immer kleinere Strukturen führen zu immer größeren Leckströmen [Sheets05]

38. Data 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%

39. Power 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

40. Zusammenfassung • 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

41. Ausblick • Weitere Reduzierung der Leistungsaufnahme… • Angedacht: • Ersetzen der ineffizienten Spannungsregulatoren • Energieeffiziente Taktgeber z.B. „integrated silicon clocks“ • „miscellaneous logic“ in Charm oder Strange Chip integrieren

42. Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

43. Quellen [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/