Diseño de un receptor de wake-up para WSN basado en la arquitectura Uncertain-IF
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DISEÑO DE UN RECEPTOR DE “WAKE-UP” PARA WSN BASADO EN LA ARQUITECTURA “UNCERTAIN-IF” Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez Dr. Sunil Lalchand Khemchandani Dailos Ramos Valido Máster en Tecnologías de Telecomunicación Autor: Emilio Torres Armas Fecha: Julio 2016
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DISEÑO DE UN RECEPTOR DE “WAKE-UP” PARA WSN BASADO EN LA
ARQUITECTURA “UNCERTAIN-IF”
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
Dailos Ramos Valido
Máster en Tecnologías de Telecomunicación
Autor: Emilio Torres Armas
Fecha: Julio 2016
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
• Introducción y objetivos • Diseño del layout de los componentes del receptor
wake-up • Diseño del receptor wake-up • Conclusiones y líneas futuras • Presupuesto
Índice
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Índice
• Introducción y objetivos • Diseño del layout de los componentes del receptor
wake-up • Diseño del receptor wake-up • Conclusiones y líneas futuras • Presupuesto
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Tecnologías inalámbricas Redes de sensores inalámbricas
Gran número de campos de aplicación:
• Aplicaciones Militares • Aplicaciones en la Agricultura • Aplicaciones Medioambientales • Aplicaciones Domóticas • Aplicaciones en Automoción • Aplicaciones en Medicina
WSNs ‘Internet de las cosas’
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Componentes del nodo sensor:
Nodos Sensores Elementos de las redes de sensores inalámbricas:
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Hardware del nodo:
Bajo Coste
Bajo Consumo Pequeño Tamaño
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Pérdida de Energía Escucha Inactiva Apagar Nodos
Esquema Rendezvous
Esquema Rendezvous Mejorar Eficiencia Energética
Controlar Encendido/Apagado
Latencia
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Tres categorías de esquema Rendezvous:
• Esquema síncrono Hora establecida
• Esquema pseudo-síncrono Nodo origen espera a que el
nodo destino despierte • Esquema asíncrono Nodo origen despierta al nodo destino
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Nodos con receptor wake-up: arquitectura básica
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
La arquitectura para este TFM:
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Redes de Sensores Inalámbricas
Receptor Uncertain-IF:
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Arquitectura Uncertain-IF: Funcionamiento
Redes de Sensores Inalámbricas
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Objetivos
• Realizar el diseño a nivel de layout del esquemático obtenido en el TFG “Diseño de un receptor de wake-up para redes de sensores inalámbricas mediante el uso de un mezclador de bajada”
• Compromiso: Sensibilidad, consumo y alcance
• Herramientas software a usar:
• Tecnología CMOS 65nm de UMC
• Virtuoso de Cadence
• Advanced Design System
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Índice
• Introducción y objetivos • Diseño del layout de los componentes del receptor
wake-up • Diseño del receptor wake-up • Conclusiones y líneas futuras • Presupuesto
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Diseño a nivel layout
• Definición de los distintos planos de fabricación de un CI
• Reglas de diseño dependientes de la tecnología usada - Distancia, ángulos de pistas, densidad de corriente, etc. • Aspectos para un comportamiento optimo - Sustrato a potencial negativo, simetría, ángulos 45º, etc.
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Pasos seguidos durante el diseño del layout
Esquemático TFG Esquemático Cadence
Simulación del Esquemático de Cadence en ADS
Layout Cadence
DRC, LVS y QRC Cadence
Simulación post-layout en ADS
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador
WIF = WRF - WLO
• Ganancia de conversión • Consumo
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Esquemático
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Esquemático – Simulación de parámetros S
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Esquemático – Simulación Harmonic Balance
Consumo: 14,09 µA
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Layout
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Layout
23
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Layout – Simulación de parámetros S
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Layout – Simulación de parámetros S
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Reajuste de los condensadores de la
red de adaptación
Mezclador: Layout – Simulación de parámetros S
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Mezclador: Layout – Harmonic Balance
Consumo: 14,11 µA
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial:
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial:
Entrada: Señal de alta frecuencia Salida: Envolvente de la señal
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial: Esquemático
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial: Layout
31
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial: Layout
32
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial: Layout
33
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial: Layout
Vbias = 444 mV
Esquemático Vout = 125,4 µVp Consumo = 90 nA
34
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Detector de envolvente diferencial: Layout
Vbias = 421 mV
Esquemático Vout = 125,4 µVp Consumo = 90 nA
35
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora
37
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente simple – Esquemático
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente simple – Layout
39
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente simple – Layout
40
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente simple – Layout
Consumo: 3,9 µA
Esquemático Ganancia = 8,13 dB Consumo = 3,68 µA
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente doble – Esquemático
42
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente doble – Layout
43
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente doble – Layout
44
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Amplificador de fuente doble – Layout
Consumo: 4 µA
Esquemático Ganancia = 7,90 dB Consumo = 3,65 µA
45
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Esquemático
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Layout
47
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Layout
Esquemático Ganancia = 35,4 dB
Ancho de Banda = 77,61 MHz
48
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Layout
Esquemático Ganancia = 35,4 dB
Ancho de Banda = 77,61 MHz
49
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Layout
50
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Layout
51
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Cinco Etapas – Layout
Consumo 17 µA
Esquemático Ganancia = 35,4 dB
Ancho de Banda = 77,61 MHz Consumo = 15,81 µA
52
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Tres Etapas – Esquemático
53
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Tres Etapas – Layout
54
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Layout de los componentes del WuR
Etapa Amplificadora: Tres Etapas – Layout
Consumo 26,3 µA
Esquemático Ganancia = 37,34 dB
Ancho de Banda = 102,3 MHz Consumo = 27,71 µA
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Índice
• Introducción y objetivos • Diseño del layout de los componentes del receptor
wake-up • Diseño del receptor wake-up • Conclusiones y líneas futuras • Presupuesto
56
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Tres Etapas y Detector: Esquemático
57
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Tres Etapas y Detector: Layout
58
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Tres Etapas y Detector: Layout
59
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Tres Etapas y Detector: Layout
60
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Tres Etapas y Detector: Layout
61
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Tres Etapas y Detector: Layout
No se alcanza el nivel necesario a la salida
Esquemático Vout = 116,3 µVp
Consumo = 35 µA
62
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Cinco Etapas y Detector: Esquemático
63
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Cinco Etapas y Detector: Layout
64
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Amplificador de Cinco Etapas y Detector: Layout
Esquemático Vout = 126,3 µVp
Consumo = 15,9 µA
65
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo: Esquemático
66
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo: Layout
67
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo: Layout
68
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo: Layout
69
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo: Layout
70
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo: Layout
Esquemático Vout = 123,6 µVp
Consumo = 37,9 µA
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo con pads de medida: Esquemático
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor completo con pads de medida: Layout
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Diseño del Receptor
Receptor Final: Resumen
Receptor Wake-Up
Consumo en corriente del
receptor 39 µA
Tensión de Alimentación 1,2 V
Consumo del receptor 46,8 µW
Sensibilidad -78 dBm
Dimensiones 567 µm x 656 µm
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Índice
• Introducción y objetivos • Diseño del layout de los componentes del receptor
wake-up • Diseño del receptor wake-up • Conclusiones y líneas futuras • Presupuesto
75
Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Comparativa entre nodos sin WuR, con WuR Pasivo y WuR Uncertain-IF
Elementos que conforman al nodo:
• Antena
• Switch ADG918
• WuR
• Transceptor CC1101 de Texas Instruments
• AS3933 de AMS
• Microcontrolador MSP430 de Texas Instruments
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Comparativa entre nodos sin WuR, con WuR Pasivo y WuR Uncertain-IF
Nodo sin WuR:
Nodo con WuR Pasivo:
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Comparativa entre nodos sin WuR, con WuR Pasivo y WuR Uncertain-IF
Nodo con WuR Uncertain-IF:
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Comparativa entre nodos: Distancia máxima entre nodos
Nodo Sensor Sensibilidad Distancia Máxima
entre Nodos
Sin WuR -112 dBm 17.354 m
Con WuR Pasivo -40 dBm 4,36 m
Con WuR
Uncertain-IF -78 dBm 346,3 m
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Comparativa entre nodos: Duración de las baterías
Nodo Sensor Consumo
del WuR
Consumo
Oscilador Local AS3933 MSP430 CC1101 ADG918 Total
Sin WuR N/A* N/A* N/A* 340 µA 15 mA N/A* 15,34 mA
Con WuR
Pasivo 0 µA N/A* 1,7 µA 0,1 µA 200 nA 1 µA 3 µA
Con WuR
Uncertain-IF 46,8 µA 20 µA 1,7 µA 0,1 µA 200 nA 1 µA 69,60 µA
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Comparativa entre nodos: Duración de las baterías
Batería CR2477 de 950 mAh.
Nodo Sensor Consumo Vida de la batería
Sin WuR 15,34 mA 2,58 días
Con WuR Pasivo 3 µA 36 años
Con WuR Uncertain-IF 69,60 µA 1,6 años
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Conclusiones
Líneas futuras
• Fabricación y medidas del receptor de wake-up diseñado • Diseño del oscilador sin bucle de enganche
• Integración del oscilador en el diseño del receptor wake-up
• Realización del layout del receptor con el oscilador, fabricación y medidas
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Índice
• Introducción y objetivos • Diseño del layout de los componentes del receptor
wake-up • Diseño del receptor wake-up • Conclusiones y líneas futuras • Presupuesto
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Diseño de un receptor de “wake-up” para WSN basado en la arquitectura “Uncertain-IF”
Trabajo Fin de Máster
Presupuesto
Descripción Coste (€)
Tarifa de honorarios por tiempo
empleado 6.000,00
Amortización de recursos materiales 5.459,99
Costes de Fabricación 1.125,00
Material fungible 100,00
Costes de edición 200,00
Presupuesto antes de impuestos 12.884,99
Presupuesto total (7% IGIC) 13.786,94
Coste total
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DISEÑO DE UN RECEPTOR DE “WAKE-UP” PARA WSN BASADO EN LA
ARQUITECTURA “UNCERTAIN-IF”
Tutores: Dr. Francisco Javier del Pino Suárez
Dr. Sunil Lalchand Khemchandani
Dailos Ramos Valido
Máster en Tecnologías de Telecomunicación
Autor: Emilio Torres Armas
Fecha: Julio 2016
