Статья: Энергосберегающие режимы приемопередатчиков в сверхширокополосных сенсорных сетях

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ РЕЖИМЫ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ В СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ

приемопередатчик прямохаотический сеть сенсорный

Ю. В. Андреев, Е. В. Ефремова, В. А. Лазарев

Институт радиотехники и электроники

им. В.А. Котельникова РАН

Аннотация. В работе исследовано энергопотребление прямохаотических приемопередатчиков, предназначенных для использования в беспроводных сверхширокополосных сенсорных сетях. Предложены возможные пути снижения энергопотребления для обеспечения более продолжительной автономной работы. При этом используются различные подходы: конструктивные решения, позволяющие использовать малопотребляющие электронные компоненты, организация протоколов связи, снижающих нагрузку на устройства, введение спящих режимов.

Ключевые слова: энергопотребление, энергосбережение, сверхширокополосные системы связи, сверхширокополосные сенсорные сети.

Abstract: In the paper power consumption of direct chaotic transceivers meant for using in wireless ultrawideband sensor networks is investigated. Some ways of energy saving to provide long autonomous operation period of the transmitters are proposed. For this aim different approaches are used: So we need to find the way to reduction of power consumption of our devices. For this aim several approaches are used: design solutions, using low consumption elements, communication protocol organization and using of sleep modes.

Key words: power consumption, energy saving, ultrawideband communication systems, ultrawideband sensor networks.

Введение

Сверхширокополосные (СШП) сети связи [1-10] это достаточно новое, быстро развивающееся направление современных телекоммуникаций. Это системы, основной функцией которых является обмен данными между устройствами в составе сети на небольшие расстояния (до 30 м) [2, 10]. К таким системам в частности относятся сенсорные сети, основной функцией которых является сбор данных с распределенных в пространстве датчиков и доставка полученной информации к точке сбора данных (базовой станции). Область применения таких систем весьма обширна - это измерение параметров окружающей среды (температура, влажность), мониторинг несущих конструкций зданий, системы сбора показаний с датчиков на теле пациента в медицине и др. Ключевыми характеристиками сенсорной сети являются:

Низкое энергопотребление - возможность работы от батареи или аккумулятора.

Длительное время жизни сети без замены узлов сети или элементов питания.

Небольшой поток данных, передаваемых от каждого узла сети.

Необходимость обеспечения длительной автономной работы беспроводных портативных устройств является проблемой, определяющей жизнеспособность, область применения и конкурентноспособность беспроводных технологий и устройств на их основе. Для решения вопросов энергопотребления и энергосбережения [11-13] могут использоваться различные подходы: конструктивные решения, позволяющие использовать малопотребляющие компоненты, организация протоколов связи, снижающих нагрузку на устройства, введение спящих режимов и др.

В данной статье проводится анализ энергопотребления сверхширокополосных приемопередающих устройств и поиск путей его снижения.

Принцип действия СШП прямохаотических приемопередатчиков, их структура и характеристики рассмотрены в работах [6-7, 10, 14-18]. К настоящему времени разработано несколько типов СШП прямохаотических приемопередатчиков, физический уровень которых удовлетворяет стандарту IEEE 802.15.4a [2] в части касающейся использования хаотических импульсов в качестве носителей информации.

2. Структура приемопередатчика

На рис. 1. представлена структурная схема приемопередатчиков на СШП хаотических сигналах. Ее можно разделить на радиочастотную часть (РЧ) и цифровую часть.

К РЧ относятся приемник, генератор с модулятором и СВЧ переключатель. Модулятор представляет собой электронный ключ, который подает питание на генератор и обеспечивает необходимое напряжение на его входе. В состав приемника входят малошумящий усилитель и логарифмический детектор. Необходимость в СВЧ переключателе связана с тем, что прием и передача осуществляются в одном диапазоне и посредством одной приемопередающей антенны. В тот момент, когда осуществляется передача, ключ находится в таком положении, при котором обеспечивается коммутация выхода генератора со входом антенны, причем в канал приемника СВЧ сигнал не попадает. Во время приема - наоборот. Таким образом, СВЧ переключатель осуществляет развязку между приемником и генератором.

Рис. 1. Структурная схема СШП прямохаотического приемопередатчика.

Функцию управления ключом выполняет программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС). Кроме того, она осуществляет предварительную обработку импульсов, полученных от приемника, формирование импульсов нужной длины и скважности для передачи. Поскольку ПЛИС работает исключительно с цифровыми сигналами, то для преобразования аналоговых импульсов в цифровые используется компаратор. Пороговое напряжение компаратора задается цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), управляемым микроконтроллером (МК).

МК координирует работу всего приемопередатчика. Кроме управления ЦАП (т.е. задания порогового напряжения компаратора), МК в соответствии с загруженной программой активизирует режимы приема, передачи информации, режим ожидания; содержит информацию, необходимую для работы устройства в сети; включает в себя интерфейсы связи с внешними устройствами.

Работа приемопередатчика в сети определяется такими характеристиками как длина пакета данных, длина фрейма данных, число пакетов в секунду.

В дальнейшем, в качестве примера, если не оговорено иное, будем использовать набор рабочих параметров приведенный в таблице 1.

Таблица 1.

3. Структура энергопотребления приемопередатчика

Блок-схема энергопотребления приемопередатчика показана на рис. 2 и включает в себя микроконтроллер (МК), ПЛИС, передатчик, приемник, кварцевый генератор, компаратор, ЦАП, стабилизатор и источник питания (батареи). В процессе функционирования приемопередатчик постоянно потребляет электроэнергию. Величина потребления является функцией времени, которая зависит от характеристик энергопотребления отдельных элементов приемопередатчика, включая выбранные режимы и условия их работы, и от состава элементов приемопередатчика, активных на различных временных интервалах.

Рис. 2. Блок-схема энергопотребления приемопередатчика.

Например, разные типы микроконтроллеров имеют разные уровни потребления мощности. Кроме того, мощность, потребляемая микроконтроллером, зависит от его загрузки и тактовой частоты, на которой он работает в приемопередатчике.

Мощность, потребляемая передатчиком и приемником, также зависит от объемов передаваемой в единицу времени информации.

Рассмотрим энергопотребление предлагаемых к реализации устройств и возможные пути его снижения для обеспечения более продолжительной автономной работы.

4. Функционирование приемопередатчика в режиме ретрансляции

Основные рабочие режимы функционирования узлов СШП коммуникационной сети - это режим передачи потока данных по беспроводному каналу, режим ретрансляции сигнала и всевозможные спящие режимы, если никакие потоки данных в данный момент не передаются. Кроме того, время от времени передается служебная информация - управляющие команды, но считаем, что эти процессы занимают значительно меньше времени по сравнению с основными режимами.

Для того чтобы проанализировать энергопотребление устройства, начнем с ретрансляции пакетов, поскольку это наиболее сложный режим, при котором задействованы все блоки устройства. Рассмотрим цикл ретрансляции одного пакета данных.

В цикле ретрансляции пакета данных можно выделить четыре основных этапа: прием пакета, обработка пакета, передача пакета, режим «ожидания». Здесь под режимом «ожидания» подразумевается пауза между двумя ретрансляциями последовательно идущих пакетов.

Рис. 3. Этапы цикла ретрансляции пакета.

5. Энергопотребление приемопередатчика в режиме ретрансляции в отсутствии энергосбережения

В качестве отправной точки рассмотрим энергопотребление приемопередатчика, в котором не предусмотрены режимы энергосбережения. В приемопередатчике существует только три возможных состояния: прием, обработка пакета, передача. В паузах между пакетами приемопередатчик слушает эфир, т.е. находится в режиме приема.

На рис. 4 показан сценарий функционирования отдельных блоков в цикле ретрансляции пакета.

Рис.4. Схема функционирования блоков приемопередатчика в цикле ретрансляции пакета данных. Вариант 1.

На каждом этапе ретрансляции пакета блоки приемопередатчика работают по-разному в зависимости от выполняемых ими на данном этапе функций и заданного сценария их работы. Сценарий работы блоков приемопередатчика заложен в программу, выполняемую микроконтроллером, который управляет сменами режимов отдельных блоков приемопередатчика.

Цикл ретрансляции пакета:

1.1. Прием пакета

На этой стадии происходит прием пакета в течение времени соответствующего длительности 1 пакета Trec= T1bit*Ldata_pack.

а) Генератор отключен.

б) Приемник включен, потребляет ток Irec_rec.

в) ПЛИС включен, потребляет ток IPLIC_rec.

Г) Микроконтроллер включен, потребляет ток IMC_rec.

д) Кварцевый генератор ПЛИС включен, потребляет ток Iquartz_rec.

е) Компаратор включен, потребляет ток Icompar_rec.

ж) ЦАП включен, потребляет ток IDAC_rec.

з) Стабилизатор включен, потребляет ток Istab_rec.

1.2. Обработка пакета

На этой стадии происходит обработка принятого пакета в течение времени Tproc.

а) Генератор отключен.

б) Приемник выключается. Время выключения приемника Trec_off, при этом он потребляет ток Irec_proc.

в) ПЛИС включен, потребляет ток IPLIC_ proc.

Г) Микроконтроллер включен, потребляет ток IMC_ proc.

д) Кварцевый генератор ПЛИС включен, потребляет ток Iquartz_ proc.

е) Компаратор включен, потребляет ток Icompar_ proc.

ж) ЦАП включен, потребляет ток IDAC_ proc.

з) Стабилизатор включен, потребляет ток Istab_ proc.

1.3. Передача.

На этой стадии происходит передача пакета в течение времени соответствующего длительности 1 пакета Ttrans=T1bit*Ldata_pack.

а) Если передается бит «1», то генератор включается на время соответствующее длительности одного информационного импульса Tpulse и выключается на время соответствующее защитному интервалу. Если передается бит «0» генератор остается в выключенном состоянии. Процедура повторяется в соответствии с числом передаваемых бит.

б) Приемник выключен на протяжении времени Ttrans-Trec_on, в конце этапа передачи пакета приемник включается в течение времени Trec_on, при этом потребляет ток Irec_rec.

в) ПЛИС включен, потребляет ток IPLIC_trans.

Г) Микроконтроллер включен, потребляет ток IMC_ trans.

д) Кварцевый генератор ПЛИС включен, потребляет ток Iquartz_ trans.

е) Компаратор включен, потребляет ток Icompar_ trans.

ж) ЦАП включен, потребляет ток IDAC_ trans.

з) Стабилизатор включен, потребляет ток Istab_ trans.

1.4. Ожидание

В режиме без энергосбережения в паузах между пакетами устройство прослушивает эфир, т.е. находится в режиме приема в течение времени Tsil= Ldata_in_pack / Rdata-(Trec+Tproc+Ttrans).

В качестве примера рассмотрим энергопотребление СШП прямохаотического приемопередатчика ППС-40А [10, 17, 18]. Это устройство, работающее в диапазоне частот 3-5 ГГц, Физическая скорость передачи данных 6 Мбит/c, излучаемая мощность на этой скорости -1 дБм, Дальность передачи 20-25 м. Это одна из первых версий прямохаотических приемопередатчиков, используемых в сенсорных сетях. В этом приемопередатчике не предусмотрены режимы энергосбережения.

В рассматриваемом устройстве генератор включается только для передачи данных, при этом в непрерывном режиме он потребляет ток 60 мА. Для передачи отдельных битов генератор модулируется по питанию, т.е. включается и выключается. При этом время включения-выключения генератора мало (~ 1-2 нс). За счет такой модуляции среднее потребление генератора уменьшается пропорционально скважности следования импульсов. На этапах приема и обработки пакета и в паузе между пакетами генератор полностью отключается и его потребление равно 0 мА.

Приемник отключается на время обработки и передачи пакета (потребляемый ток 0 мА). Все остальное время приемник находится в рабочем режиме ожидая прихода пакета данных, потребляя при этом ток 41 мА.

ПЛИС включен постоянно и потребляет «холостом режиме» 2 мА, однако в зависимости от действий, которые он производит на различные этапах цикла приема-передачи пакета его потребление возрастает. Переключение между режимами происходит быстро.