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IHPIm Technologiepark 2515236 Frankfurt (Oder)

Germany

IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved

Energieeffizienter Medienzugriff fürdrahtlose Sensornetze

Daniel Dietterle

IHP Im Technologiepark 25 15236 Frankfurt (Oder) Germany www.ihp-microelectronics.com © 2007 - All rights reserved2

Überblick

Bedeutung der Medienzugriffsschicht für die Energieeffizienz

Nutzen der TANDEM-Lösung aus Anwendersicht

Wake-up-Radio

Aktuelle Arbeiten und Zwischenergebnisse


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


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


Häufige Ursachen für Energieverschwendung

Lauschen(“Idle listening”)

Kollisionen und

Neuübertragungen

Mithören Senden ohne

Empfänger

Steuerinformationen

Sender

Receiver

Paket

PaketIdle Idle

Receiver

SenderA Paket

Paket

SenderB Paket

??????

Paket

Paket

Paket

Paket

ReceiverB

Sender Für A

ReceiverA

Für B

(Aus)

(Aus)

Sender NutzdatenP a k e t


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


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


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


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 B B B BCAP Aus

B B B B

B B B B

D

D

D

D

Sensor #1

Sensor #2

Aus

Aus


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

B B B

B B B

B B

D

D

D

DAus

Wake up

Aus

Aus

Aus

Koordinator

Sensor #1

Sensor #2


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

Coordinator Node Coordinator Node1) 1913 mAs 1913 mAs 8 mAs 8 mAs2) 1758 mAs 1758 mAs 7 mAs 7 mAs3) 35156 mAs 0 mAs 222 mAs 0 mAs4) 86 mAs 86 mAs 86 mAs 86 mAs5) 0 mAs 1 mAs 0 mAs 1 mAs6) 0 mAs 0 mAs 86 mAs 86 mAs7) 0 mAs 0 mAs 1 mAs 0 mAsSum: 38913 mAs 3758 mAs 412 mAs 190 mAsAverage:

Pure Zigbee network Tandem network (wake-up)

7274 mAs 212 mAs

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


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


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


Erster (Sensornetz-) Funk-Demonstrator

Tmote Sky Sensorknoten, rudimentäres 802.15.4-Protokoll

Lichtsensor

Helligkeitsanzeige

Grün: Messung

Rot: Keine Verbindung

Sniffer

Basisstation

Helligkeitsanzeigebeim Lichtsensor

Grün: ok!

Rot: Keine Daten


Energieeffizienter Medienzugriff für drahtlose Sensornetze

Fragen und Diskussion


Beispiel: IEEE802.15.4 MAC

Verwendetes MAC-Protokoll des Zigbee-Standards Unterstützt Wettbewerbszugriff und TDMA

“Beacon-less” und “beacon-enabled”

Koordinator

Beacon

Sensorknoten


Aufbau von Zigbee-Sensornetzen

Zigbee-Netze können einen größeren Bereich als die einfache Funkreichweite abdecken.

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