Energieeffizienter Medienzugriff für drahtlose Sensornetze

1. Energieeffizienter Medienzugriff fürdrahtlose Sensornetze Daniel Dietterle

2. Überblick • Bedeutung der Medienzugriffsschicht für die Energieeffizienz • Nutzen der TANDEM-Lösung aus Anwendersicht Wake-up-Radio • Aktuelle Arbeiten und Zwischenergebnisse

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. Bedeutung für den Energieverbrauch • 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) • Funkmodul ist ein signifikanter Energieverbraucher im aktiven Zustand (Senden oder Empfangen) • Für sehr lange Netzlebensdauer: kurze Aktivitätsphasen! • 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. SenderA Paket Paket Paket Paket Paket SenderB Paket ?????? Paket Receiver Sender Paket Paket Receiver Idle Idle Häufige Ursachen für Energieverschwendung • Lauschen(“Idle listening”) • Kollisionen undNeuübertragungen • Mithören • Senden ohneEmpfänger • Steuerinformationen Sender Für A FürB ReceiverA (Aus) (Aus) ReceiverB Nutzdaten Sender P a k e t

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. 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.

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 • Detektion des Wake-up-Signals • Adressfilter • Zusätzliche Informationen (Timing, Kanal, etc.) => Anschalten des kompletten Transceivers

9. B B B B B B B D B B B B B D D D 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 CAP Aus Koordinator Sensor #1 Aus Sensor #2 Aus

10. D D B B B B D B B B D B 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 Koordinator Aus Aus Wake up Sensor #1 Aus Sensor #2 Aus

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) CAP (10 ms) Off mode (1 µA) Send status (1 ms) Wake-up radio RX Wake-up radio TX Pro Tag

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. 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. Erster (Sensornetz-) Funk-Demonstrator • Tmote Sky Sensorknoten, rudimentäres 802.15.4-Protokoll Lichtsensor Basisstation Grün: ok! Rot: Keine Daten Helligkeitsanzeige Helligkeitsanzeige beim Lichtsensor Grün: Messung Rot: Keine Verbindung Sniffer

15. Energieeffizienter Medienzugriff für drahtlose Sensornetze Fragen und Diskussion

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. Aufbau von Zigbee-Sensornetzen • Zigbee-Netze können einen größeren Bereich als die einfache Funkreichweite abdecken.