Cross layer energy model of IR-UWB for short-range communication systems - Ávila, Leandro Ávila de (2019)
Sistemas de comunicação de dados de curto alcance no nível sistêmico e a microeletrônica são dois campos distintos e importantes do conhecimento, e normalmente são tratados separadamente nas pesquisas acadêmicas. O inter-relacionamento entre eles e as referências cruzadas são esparsas na bibliografia acadêmica especializada de cada campo. Todos os equipamentos para comunicação usam circuitos integrados, o que indica uma conexão intrínseca entre estes campos da engenharia. Na comunicação de dados, o modelo de Camadas OSI (Open System Interconnection Reference Model) possibilita a abstração em níveis, com seus componentes denominados em camadas. Os perfis de consumo energético para a primeira e segunda camadas (PHY e MAC) são temas principais deste trabalho. A camada física (nível 1, ou PHY) é diretamente associada ao hardware (incluindo os circuitos integrados), na qual o projeto ou design de chips é efetivamente utilizada, e o nível MAC concentra as estratégias de baixo-nível (em hardware/software) para controlar o acesso ao meio físico de transmissão/recepção. A energia consumida no sistema todo pode ser minimizada pelo controle direto nas camadas PHY e MAC, e, neste sentido, a relação entre estas constitui o modelo de multi-camadas (Cross- Layer). No nível PHY, no qual o projeto de circuitos integrados contribui com ganhos quando a investigação de arquiteturas, circuitos e dispositivos produz melhor desempenho do hardware, ferramentas específicas são usadas para obter redução de potência, representando então uma otimização parcial do modelo. Aspectos da camada de controle de acesso ao meio (nível 2, MAC) - como o ciclo de trabalho e os algoritmos para tratar com falhas no processo de comunicação, por exemplo - também são abordados para a constituição do modelo Cross-Layer que seja energeticamente eficiente.(Continua). Neste trabalho, a comunicação de dados é tratada no contexto das redes sem fio de abrangência corporal (WBAN) que aderem ao padrão IEEE 802.15.6. O projeto lógico de circuitos digitais CMOS para correção de erros à frente na comunicação (codificadores e decodificadores, ou codecs de FEC) é um foco deste trabalho. Os codecs são parte do hardware dos transceptores, e estes são parte dos nós de uma rede de sensores sem-fio. No nível PHY, as formas de ondas elétricas UWB geradas pelo TX são também analisadas para melhor eficiência energética. Esta tese cobre três aspectos do design do sistema de comunicação, que adere ao standard 802.15.6, e que estão em diferentes níveis, modelando o consumo energético numa abordagem Cross-Layer. Aspectos que estão relacionados à potência demandada no sistema, sendo eles: o formato pelo qual ocorre a comunicação em Ultra-Wideband (UWB), utilizando sinais em Rádio Frequência na faixa de 3,1 GHz até 10,6 GHz com modulação por impulso (IR-UWB), a correlação existente nas equações analíticas de um modelo energético (considerando-se o comportamento da potência do sinal no meio de propagação - atenuações e ganhos) e, por fim, a comparação da potência consumida pelo hardware low-power do decodificador de erros que foi projetado nesta tese com decodificadores alternativos. As contribuições do trabalho abrangem: i) a análise da modulação e pulse-shaping, com a modulação PPM, com 3 ou mais bits, usando pulsos PSWF para eficiência energética e espectral; ii) O decodificador FEC BCH, projetado em VLSI CMOS, com vantagens sobre o decodificador QC-LDPC, pois este consome 3,76 vezes mais potência para taxas de codificação similares; iii) o aperfeiçoamento de um modelo de eficiência energética "cross-layer"para o IR-UWB, e sua simulação em cenário de operação com múltiplos nodos aderentes ao standard IEEE 802.15.6.