Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs im PicoRadio Projekt Patrick.

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1 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 Maßnahmen zur Reduktion des Energieverbrauchs im PicoRadio Projekt Patrick Koffler CES - Chair for Embedded Systems (Prof. Dr. J ö rg Henkel) Department of Computer Science University of Karlsruhe

2 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 2 Agenda Motivation PicoRadio Quark Node - Implementierung eines PicoNode Maßnahmen zur Leistungsreduktion

3 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 3 Ausgangssituation Sensornetzwerke Verbund aus Sensorknoten Autonome Organisation in ad-hoc Funknetzwerken Kooperieren beim Lösen von Aufgaben Anwendungen Smart Buildings Verkehrsüberwachung Katastrophenschutz

4 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 4 Essentielle Charakteristika Folgende Eigenschaften muss ein Sensorknoten erfüllen: Kleine Abmessungen Geringe Kosten Geringer Energieverbrauch Regelmäßiger Batteriewechsel ist Teuer Unmöglich

5 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 5 Agenda Motivation PicoRadio Quark Node - Implementierung eines PicoNode Maßnahmen zur Leistungsreduktion

6 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 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 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 7 PicoRadio Untergruppen 4 Untergruppen: PicoNode3 PicoRadioRF Network, Application, MAC, Positioning (NAMP) Yield Optimization (YODA)

8 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 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 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 9 Leistungsreduzierung Leistungsreduzierung auf jeder Ebene des Entwurfs Reduktion auf einer Ebene bringt nichts, wenn andere Energie verschwenden Systemebene Architekturebene Gatterebene

10 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 10 Übersicht PicoNodes PicoNode IPicoNode IIPicoNode 3 aliasTestBedTCIQuarkNode EntstehungsjahrJanuar 2002Juni 2002Juli 2004 Fertigungsgrößeunbekannt0,18 μm0,13 μm kompletter Knotenjaneinja custom Funkchip nein Bluetooth und Proxim RangeLAN ja erstmals Trennung von Protokoll- und Basisbandprozessor ja FBAR-Resonatoren Leistungsaufnahme zwischen 130 mW und 691 mW ~ 13 mW einstelliger mW Bereich Übersicht über bisherige Implementierungen:

11 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 11 PicoNode I – TestBed Funktionsfähige Version: Januar 2002 Erste Implementierung eines PicoNodes Test und Analyse der Eigenschaften der Funkverbindung Leistungsaufnahme zwischen 130 mW (Standby) und 691 mW (Senden)

12 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 12 PicoNode II – TCI Funktionsfähige Version: Juni 2002 TCI = Two Chip Intercom Realisierung des Protokollstacks und der Übertragungsschicht auf zwei verschiedenen Chips Leistungsaufnahme von ~13 mW

13 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 13 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 Chipdigitale Verarbeitung von Signalen Strange ChipSenden und Empfangen von Signalen

14 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 14 Agenda Motivation PicoRadio Quark Node - Implementierung eines PicoNode Maßnahmen zur Leistungsreduktion

15 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 15 Blockstruktur des Quark Nodes Charm Chip Strange Chip Switch Array Discrete Logic Analog Rx Baseband JTAG hdr 16MHz osc SPI hdr Sensor A / D UART hdr GPIO hdr I2C hdr EEPROM Schnittstelle Chip [Sheets04]

16 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 16 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]

17 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 17 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]

18 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 18 Leistungsaufnahme Aufteilung der Leistungsaufnahme auf die Untersysteme im Standbybeim Senden [Sheets04]

19 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 19 Agenda Motivation PicoRadio Quark Node - Implementierung eines PicoNode Maßnahmen zur Leistungsreduktion

20 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 20 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

21 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 21 Multi-Hop Netzwerk Funkreichweite erweiterte Reichweite Zwischenknoten ? ? ? ? Wie wird dies energieeffizient implementiert Lange Übertragungsdistanzen ineffizient Also: Lange Distanz in kleinere Teilstücke unterteilen In dichtem Sensornetzwerk sehr gut möglich E = β × d γ

22 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 22 Energieeffizientes Routing PicoRadio benutzt class-based addressing 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

23 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 23 Energieeffizientes Routing Controller Sensor 1.Der eigentliche Empfänger der Daten sendet einen Request an den eigentlichen Sender. Dies geschieht per Flooding in Richtung des Sensors…

24 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 24 Energieeffizientes 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…

25 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 25 Energieeffizientes 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…

26 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 26 Energieeffizientes 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…

27 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 27 Energieeffizientes Routing Während dieser Aktion wird eine Neighbourhood List aufgebaut. Sie speichert wie viel Energie nötig ist um einen Nachbarknoten zu erreichen. Controller Sensor

28 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 28 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 Controller Sensor

29 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 29 Energieeffizientes Medium Access Control (MAC) Protokoll Energieverschwendung durch: Paketkollision Mithören von Paketen für andere Knoten und deren Verarbeitung Unnötige Kontrollpakete Unnötiges Lauschen

30 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 30 MAC Protokoll: Vermeidung von Paketkollisionen Belegt? Alle Kanäle getestet? ja nein senden zufällig einen Kanal wählen nein Für zufällige Zeitdauer schlafen ja

31 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems 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 dies implementiert

32 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 32 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 T on ob zu empfangende Daten vorliegen Tradeoff: Energie / Periodendauer / Latenz

33 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 33 TICER Schema TX RX T on T sleep T listen RTS CTSACK DATA T RTS = request to send CTS = clear to send ACK = acknowledge RTS = request to send CTS = clear to send ACK = acknowledge [Lin04]

34 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 34 Wie wird dies erreicht Strange Chip – Energieeffizienter Transreceiver Entwurfsziele: Extrem niedrige Leistungsaufnahme Hoher Grad der Integrierung Kurze Anschaltzeiten ? ? ? ?

35 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 35 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)

36 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 36 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 Match Envelope Detector Envelope Detector Low Noise Amplifier LNA CSA BB Channel Select Amplifier BaseBand [Otis04]

37 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 37 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 Baseband Data Oscillator PA Power Amplifier [Otis04]

38 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 38 Senken der SRAM-Verlustleistung Sensorknoten 99% der Zeit im Standby wichtig für mittleren Energieverbrauch Immer kleinere Strukturen führen zu immer größeren Leckströmen [Sheets05]

39 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 39 Data Retention Voltage Data Retention Voltage (DRV) die minimale Versorgungsspannung V dd, 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%

40 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 40 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 Quellebenachbarte Untersysteme

41 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 41 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

42 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 42 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

43 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 43 Ende Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

44 Universität Karlsruhe (TH) Patrick Koffler Chair for Embedded Systems SS 2006 44 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_Ret reat_2005/