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1 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved Energieeffizienter Medienzugriff für drahtlose Sensornetze Daniel Dietterle

2 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 2 Überblick Bedeutung der Medienzugriffsschicht für die Energieeffizienz Nutzen der TANDEM-Lösung aus Anwendersicht Wake-up-Radio Aktuelle Arbeiten und Zwischenergebnisse

3 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 3 Zweck der Medienzugriffsschicht Funkkanal ist gemeinsam genutztes Medium Steuerung des Zugriffs nötig, engl. Medium Access Control MAC-Protokolle definieren, wie Nutzer auf den Kanal zugreifen und Informationen an Empfänger übermitteln Bekannte Vielfachzugriffverfahren sind: Zeit-, Frequenz-, Code- und Raum-Multiplex

4 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 4 Bedeutung für den Energieverbrauch Funkmodul ist ein signifikanter Energieverbraucher im aktiven Zustand (Senden oder Empfangen) Für sehr lange Netzlebensdauer: kurze Aktivitätsphasen! CC2420 Transceiver (250 kbit/s, 3 V) Empfangsmodus: 18.8 mA Sendemodus: 17.4 mA @ 0 dBm, 11 mA @ -10 dBm (Power Down: 0.02 µA, Ruhezustand: 426 µA) CR2032 Lithium-Batterie (3 V, 220 mAh) >10 Jahre Betriebsdauer RX: 11.7 h (16 Monate bei 1 Duty Cycle) TX (brutto): 1.4 Gbyte @ 0 dBm, 250 kbit/s

5 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 5 Häufige Ursachen für Energieverschwendung Lauschen (Idle listening) Kollisionen und Neuübertragungen Mithören Senden ohne Empfänger Steuerinformationen Sender Receiver Paket Idle Receiver SenderA Paket SenderB Paket ?????? Paket ReceiverB Sender Für A ReceiverA Für B (Aus) Sender Nutzdaten P a k e t

6 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 6 Klassifikation von MAC-Protokollen für Sensornetze Wettbewerbszugriff (Contention-based, CSMA / CA) Verteilter Ansatz, gleichberechtigte Sensorknoten Unterstützt die Mobilität von Geräten Kein Synchronisationsaufwand Großteil der Energie geht ins Idle Listening Zeit-Multiplexverfahren (TDMA) mit Kanalzuweisung Zentralisiertes Verfahren Unterstützt Anwendungen mit Dienstgüte-Anforderungen Synchronisationsaufwand für alle Geräte Zusätzlicher Aufwand, wenn sich Geräte bewegen

7 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 7 Vergleich der MAC-Verfahren Wahl des Verfahrens hängt auch von der Applikation ab Kombination aus verbrauchsarmem Wake-up Radio für Inaktivitäts- phasen und TDMA für aktive Perioden wäre ideal. Wettbewerbs- zugriff TDMA Idle listening (teilweise) Kollisionen Mithören Overemitting Synchronisations- aufwand

8 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 8 Wake-up Radio Benutzt separaten Kanal um Geräte (selektiv) zu aktivieren In-band signalling (Wiederverwendung von RF-Schaltungen) oder Separates Frequenzband (zusätzlicher, optimierter Transceiver) Empfänger des Wake-up Radios muss immer an sein Minimale Verlustleistung (~ 1 µA) Wake-up-Signal sollte Geräte auswählen (addressieren) können Einzelne Geräte, Broadcast, Gerätegruppen, Koordinator Mehrstufiger Empfänger 1)Detektion des Wake-up-Signals 2)Adressfilter 3)Zusätzliche Informationen (Timing, Kanal, etc.) => Anschalten des kompletten Transceivers

9 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 9 Szenario für den Einsatz eines Wake-up Radios (1) Überwachungsanwendung: Messwerte 10x pro Sekunde, lokale Verarbeitung Auffälligkeit gemessen => Nachricht an Koordinator in 500 ms Daraufhin Abfrage aller anderen Sensoren innerhalb von 500 ms, planmäßig einmal pro Stunde durch Koordinator Ohne Wake-up Radio Koordinator BBBBCAP Aus BBBB BB B B D D D D Sensor #1 Sensor #2 Aus

10 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 10 Szenario für den Einsatz eines Wake-up Radios (2) Mit Wake-up Radio Koordinator kann individuell aktiviert werden Kommunikation nur bei Bedarf Deutlich verringerter Aufand für Idle listening und Synchronisation BBB BBB B B D D D D Aus Wake up Aus Koordinator Sensor #1 Sensor #2

11 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 11 Berechnung des Energieverbrauchs (1 Tag) Parameter: 10 Sensorknoten incl. Koordinator, CC2420, 250 kbit/s 5 Ereignisse pro Tag und Sensor, ca. 500 ms Beacon-Intervall Beacon (RX, TX) (544 µs) Before beacon (500 µs) Pro Tag CAP (10 ms) Off mode (1 µA) Send status (1 ms) Wake-up radio RX Wake-up radio TX

12 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 12 Schlussfolgerungen Wahl des MAC-Protokolls bestimmt Betriebsdauer des Netzes Kompromiss zwischen Nachrichtenverzögerung und Energie- verbrauch Aktivitätszyklen von Koordinator und Sensoren bestimmen wie häufig kommuniziert werden kann Sensornetze mit batteriebetriebenen Basisstationen oder reagierenden Sensorknoten können durch das TANDEM- Projekt realisiert werden Wake-up Radio ermöglicht neue Sensornetz-Anwendungen Forschungsthemen: Entwurf eines äußerst energieeffizienten Wake-up Radios Integration in ein Standard-MAC-Protokoll

13 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 13 Aktuelle Arbeiten Beschäftigung mit dem Zigbee-MAC-Protokoll (IEEE 802.15.4) Zigbee ist der Industriestandard für Sensornetze Entwurf und Modellierung des Protokolls Integration in das Betriebssystem Reflex (BTU Cottbus) Erste Tests mit den Tmote Sky Sensorboards MSP430-Mikrocontroller wie beim Tandem-Knoten CC2420-Transceiver mit MAC-Unterstützung, Zigbee- kompatibel

14 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 14 Erster (Sensornetz-) Funk-Demonstrator Tmote Sky Sensorknoten, rudimentäres 802.15.4-Protokoll Lichtsensor Helligkeitsanzeige Grün: Messung Rot: Keine Verbindung Sniffer Basisstation Helligkeitsanzeige beim Lichtsensor Grün: ok! Rot: Keine Daten

15 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 15 Energieeffizienter Medienzugriff für drahtlose Sensornetze Fragen und Diskussion

16 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 16 Beispiel: IEEE802.15.4 MAC Verwendetes MAC-Protokoll des Zigbee-Standards Unterstützt Wettbewerbszugriff und TDMA Beacon-less und beacon-enabled Koordinator Beacon Sensorknoten

17 IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved 17 Aufbau von Zigbee-Sensornetzen Zigbee-Netze können einen größeren Bereich als die einfache Funkreichweite abdecken.