Als laatste wordt er nagegaan hoeveel energie de chips verbruiken. Daarmee wordt de batterij- grootte ingeschat zodat de chips het fietsgedeelte van triatlon overleven. Er wordt verondersteld dat nodes aan een minimale afstandsbepalingsperiode met elkaar communiceren zoals gezien in sectie 5.3.2.
Eerst worden de stroomverbruiken van de chip bepaald. Er wordt verondersteld dat de meeste energie wordt verbruikt door de radio’s en de CPU. Het stroomverbruik van de subGHz- en UWB-radio zijn bepaald uit bijbehorende datasheets. Deze zijn zeer afhankelijk van de gebruikte radioconfiguraties. De geschatte waarden voor de testconditie, eerder beschreven in sectie 5.1,
5.4. THEORETISCH ENERGIEVERBRUIK 61
Figuur 5.5: Het aantal afstandsbepalingen per seconde in functie van het aantal virtuele slots per superframe. Het subGHz-pakket zal groter worden bij het toenemen van het aantal slots.
Andere invloeden worden als constante opgenomen.
zijn te vinden in tabel 5.3. De nRF52832 chip heeft een stroomverbruik van 3.3 mA [53]. Er wordt verondersteld dat dit ook alle extra kleine stroomverbruiken omvat zoals o.a. het RAM geheugen actief houden. Verder wordt er enkel over de ”CPU”gesproken waarmee de nRF chip wordt bedoeld. Geen enkel stroomverbruik is experimenteel bevestigd.
Deze gegevens worden gebruikt in combinatie met de tijd nodig voor pakketten te versturen (reeds gezien in tabel 5.1) voor het energieverbruik te schatten. Naar deze tijden wordt ver- der verwezen met Tpacket_name. Analoog zullen energieverbruiken ook zo worden aangeduid. Volgende gevallen worden onderscheiden:
Tabel 5.3: Stroomverbruik (mA) van beide radio’s. Dit is sterk afhankelijk van gebruikte radioconfiguraties.
Modes UWB-radio subGHz-radio
SLEEP 0.001 0.18 IDLE 13.4 1.5 TX-preambule 94 45 RX-preambule 130 23 TX-data 51 45 RX-data 130 23
• Idle modus: In deze modus staat de UWB-radio uit. Er wordt gewacht op subGHz- communicatie, de subGHz-radio staat in RX-modus te wachten op een pakket en heeft een stroomverbruik van 23 mA. De CPU is actief en verbruikt 3.3 mA. De UWB radio is in SLEEP modus en verbruikt 0.001 mA. Bijgevolg verbruikt de chip 26mA in idle modus. Er kan nog geen energieverbruik geschat worden omdat dit de default modus is. In volgende gevallen zijn er soms tijden tussen het versturen en ontvangen van pakketten waarin de nodes in idle modus wachten. Het verbruik van idle modus wordt daar in rekening gebracht. • Hello berichten: Bij het versturen van een Hello bericht staat de subGHz-radio in TX- modus. Dat is het enige verschil tegenover de vorige situatie. De subGHz-radio verbruikt nu 45 mA in plaats van 23 mA. Het totale stroomverbruik springt tijdelijk naar 3.3+45 = 48mA. Het versturen van één Hello bericht duurt, inclusief preambule, 954 µs (te vinden in tabel 5.1).
Het totale energieverbruik voor één Hello bericht te versturen is daardoor: Esend_Hello= 48mA ∗ (TsubGHz−pre+ THello) ∗
1h
3600s = 1.3 ∗ 10
−5mAh
Op Analoge wijze wordt het energieverbruik van een ontvangen Hello bericht berekend. Tijdens het ontvangen van een bericht wordt evenveel stroom verbruikt als in idle modus want de subGHz-radio blijft in RX-modus.
Ereceive_Hello= 26mA ∗ (TsubGHz−pre+ THello) ∗ 1h
3600s = 6.9 ∗ 10
−6mAh
• three-way handshake: Bovenstaande methodologie wordt toegepast op het versturen en ontvangen van een three-way handshake. De master verstuurt het InitRanging en Confirm- Ranging bericht en ontvangt het ACK bericht. Tussenin de three-way handshake is er ook nog tijd dat nodes doorbrengen in idle modus. De volledige subGHz-interactie duurt 8 ms (zie 5.2). Het versturen en ontvangen van de three-way handshake duurt 954+1378+530 = 2862µs. Er zijn nog 5138 µs over waarin de chips in idle modus zitten en een stroomverbruik hebben van 26mA. Het energieverbruik van idle modus tijdens de three-way handshake is voor alle nodes dan Eidle= 26mA ∗ 5138 ∗ 10−6s ∗ 3600s1h = 3.7 ∗ 10−5mAh.
Verder wordt de subGHz-preambule in de formules weggelaten omdat het versturen of ontvangen van het pakket zelf en de preambule evenveel stroom verbruikt. In de formules wordt verondersteld dat deze tijden opgenomen zijn in TACK en dergelijke.
Het energieverbruik van de master die de three-way handshake start is dan Ethree_way_master= Eidle+(48mA∗(TInit+TConf irm)+26mA∗TACK)∗
1h
3600s = 7.2∗10
−5mAh De slave verbruikt slechts
Ethree_way_slave= Eidle+(48mA∗TACK+22mA∗(TInit+TConf irm))∗ 1h
3600s = 5.8∗10
5.4. THEORETISCH ENERGIEVERBRUIK 63 Omliggende nodes horen (delen van) de three-way handshake en verbruiken hierdoor ook energie. Welke berichten worden gehoord hangt af van de relatieve positie tussen de node, de master en de slave. Voor het eenvoud wordt verondersteld dat omliggende nodes alle drie berichten ontvangen. Deze verbruiken dan
Ethree_way_bystander= Eidle+ 26mA ∗ (TInit+ TACK+ TConf irm) ∗ 1h
3600s = 5.6 ∗ 10
−5mAh • UWB communicatie: Na de three-way handshake worden er drie TDMA-slots uitge- voerd waarin UWB-pakketten worden verstuurd en ontvangen. Afhankelijk van of de node slave of master is, is het energieverbruik anders. Er moet nu ook onderscheid gemaakt worden tussen de preambule en het datapakket, het stroomverbruik voor de preambule te verzenden en ontvangen is namelijk groter (tabel 5.3). Volgende gegevens worden berekend: Een UWB pakket versturen verbruikt
Esend_U W B = (94mA ∗ TU W B−pre+ 51mA ∗ TU W B) ∗ 1h
3600s = 1.9 ∗ 10
−5mAh Een UWB pakket ontvangen verbruikt
Ereceive_U W B = (130mA ∗ TU W B−pre+ 130mA ∗ TU W B) ∗ 1h
3600s = 3.0 ∗ 10
−5mAh De UWB-radio’s van zender en ontvanger worden vroeger in respectievelijk TX-preamble en RX-preamble modus gebracht alvorens het pakket wordt verstuurd en ontvangen. De zender heeft ongeveer 500 µs nodig voor nodige instructies uit te voeren voor het pak- ket te versturen. De ontvanger luistert gemiddeld 300 µs vroeger naar het kanaal voor synchronisatieredenen. Het energieverbruik hiervan is respectievelijk 1.31 ∗ 10−5mAh en 1.08 ∗ 10−5mAh en wordt bij de energieberekening van een slot in rekening gebracht. Daarnaast is het idle energieverbruik ook anders tijdens de TDMA-slots. Tijdens afstands- bepaling staat de UWB radio in IDLE modus en de subGHz radio in SLEEP modus. Daardoor is het idle stroomverbruik 13.4 + 0.18 + 3.3 = 16.9mA.
Het energieverbruik van één slot is hiermee te berekenen omdat de slotlengte gekend is (zie sectie 5.2). Een slot duurt 3000 µs. Daarvan worden 817 µs besteed aan UWB-berichten versturen of ontvangen, radio’s worden ook vroeger in TX-preamble en RX-preamble mo- dus gebracht. Een UWB-TX-slot heeft daarom nog slechts 1683 µs over die in idle modus worden doorgebracht. Een UWB-RX-slot 1883 µs. Na dit om te rekenen verbruikt de zender 0.88 ∗ 10−5mAhen de ontvanger 0.99 ∗ 10−5mAh per slot door de idle modus. Uit bovenstaande gegevens wordt het energieverbruik van een UWB-TX-slot berekend
EU W B_T X_slot= (0.88 + 1.31) ∗ 10−5mAh + Esend_U W B = 4.1 ∗ 10−5mAh Analoog verbruikt een UWB-RX-slot
Met deze gegevens wordt het energieverbruik van master en slave berekend. De master heeft twee RX-slots en één TX-slot, in een tijdsspanne van 9 ms verbruikt de master
EU W B_master = 2 ∗ EU W B_RX_slot+ EU W B_T X_slot= 14.1 ∗ 10−5mAh De slave verbruikt
EU W B_slave= EU W B_RX_slot+ 2 ∗ EU W B_T X_slot= 13.2 ∗ 10−5mAh .
Bij omliggende nodes worden de subGHz- en UWB-radio in SLEEP modus gebracht tijdens de afstandsbepaling. Er is dan een stroomverbruik van 3.3 + 0.18 + 0.001 = 3.5mA. Het energieverbruik is EU W B_bystander = 9 ms ∗ 3.5 mA ∗3600s1h = 0.88 ∗ 10−5mAh
Uit bovenstaande gevallen wordt het totale energieverbruik voor één volledige afstandsbepaling berekend. Een afstandsbepaling begint zodra het InitRanging pakket wordt verstuurd en eindigt wanneer het laatste UWB-slot eindigt. De energieverbruiken van de three-way handshake en de UWB-slots is reeds berekend in bovenstaande gevallen.
De master verbruikt dan voor zowel de three-way handshake als de UWB-afstandsbepaling, over een tijdsspanne van 17 ms
Emaster= EU W B_master+ Ethree_way_master = 213 ∗ 10−6mAh De slave verbruikt
Eslave= EU W B_slave+ Ethree_way_slave = 193 ∗ 10−6mAh Omliggende nodes verbruiken
Ebystander = EU W B_bystander+ Ethree_way_bystander = 67 ∗ 10−6mAh
Vermogenberekening
Met bovenstaande gegevens wordt het vermogen voor verschillende netwerkgroottes geschat. Er wordt daarbij uitgegaan van een minimale afstandsbepalingsperiode. De Hello berichtperiode is ook nog steeds 5 s. De enige variabele parameter is de netwerkgrootte zelf. Verder wordt verondersteld dat alle pakketten correct worden ontvangen en dat het horen van een InitRanging bericht steeds leidt tot afstandsbepaling. Omliggende nodes zullen ook de three-way handshake horen en zetten hun radio’s tijdelijk uit. Conflicten zoals o.a. hidden-node collisions treden ook niet op. Daarmee beschrijven bovenstaande gevallen alle energieverbruiken van de nodes.
5.4. THEORETISCH ENERGIEVERBRUIK 65 In sectie 5.3.2 is reeds geanalyseerd wat de afstandsbepalingsperiode is voor bepaalde netwerk- groottes. Zo zullen er in een netwerk van bv. 10 nodes 45 afstandsbepalingen plaatsvinden aan een afstandsbepalingsperiode van 1.50 s. Elke node zal daarvan aan slechts 9 afstandsbepalingen deelnemen, waardoor 36 afstandsbepalingen tussen andere buren plaatsvinden. Er is ook gezien dat de participatiegraad daalt naarmate de netwerkgrootte stijgt. Nodes zullen steeds aan min- der afstandsbepalingen per seconde deelnemen. Daardoor kan alvast geconcludeerd worden dat nodes minder energie verbruiken wanneer er meer buren aanwezig zijn want zowel de subGHz- als de UWB-radio worden dan vaker uitgezet.
Voor een netwerkgrootte van 10 nodes wordt het vermogen berekend. Dit wordt berekend door alle energieverbruiken in 33.3 ms te analyseren. Dit is de gemiddelde tijd nodig per afstandsbe- paling zoals gezien in 5.3.2. Gemiddeld is elke node de helft keer master en de andere helft keer slave. Onder bepaalde omstandigheden zullen sommige nodes echter altijd master of slave zijn. In de implementatie zal e node met het grootste ID zal altijd master zijn. het vermogen in deze gevallen wordt ook berekend.
Één afstandsbepalingsinteractie duurt 17 ms. De rest van de 33.3 ms spenderen nodes in idle modus of worden Hello berichten verwerkt. Bij een Hello berichtperiode van 5 s en tien nodes worden er gemiddeld 0.066 berichten per 33.3 ms verwerkt. Een Hello bericht verwerken duurt 2 ms, waardoor per 33.3 ms gemiddeld 0.132 ms worden gebruikt voor Hello berichten te verwerken. negen op de tien Hello berichten worden ontvangen, de laatste wordt zelf verstuurd. Het gewogen gemiddelde energieverbruik van Hello berichten per 33.3 ms is dan
0.066 ∗ ( 9
10 ∗ Ereceive_Hello+ 1
10 ∗ Esend_Hello) = 1.4 ∗ 10
−6mAh
De gemiddelde tijd nodig voor Hello berichten te verwerken is echter zo klein dat deze verder niet in achtig wordt genomen. Er wordt dus verondersteld dat van de 33.3 ms per afstandsbe- paling, de volledige resterende 33.3 − 17ms = 16.3ms wordt doorgebracht in idle modus. Het energieverbruik hiervan is Eidling = 16.3 ∗ 10−3s ∗ 26mA ∗ 1h 3600s = 1.2 ∗ 10 −4 mAh
Voor het energieverbruik van afstandsbepalingen wordt ook een gewogen gemiddelde genomen. De node zal slechts aan 9 van de 45 afstandsbepalingen deelnemen. Eerst wordt verondersteld dat een node evenveel master als slave is. De energieverbruiken hiervan zijn reeds berekend. Het gewogen gemiddelde energieverbruik voor één afstandsbepaling is dan
Edistancing = 36 45∗ Ebystander+ 4.5 45 ∗ Eslave+ 4.5 45 ∗ 200 ∗ Emaster = 94 ∗ 10 −6mAh
Het gemiddelde energieverbruik per 33.3 ms is nu te bereken door het energieverbruik van idle modus en het gemiddelde energieverbruik van afstandsbepalingen op te tellen. Er wordt dan gemiddeld Etotal= Edistancing+ Eidling= 211 ∗ 10−6mAh verbruikt elke 33.3 ms.
Het vermogen wordt daaruit berekend via P = energy time = Etotal 33.3ms = 6.42 ∗ 10 −3mAh s
Indien een node altijd master is, verbruikt deze node gemiddeld meer energie tijdens een af- standsbepaling. Opnieuw wordt het gewogen gemiddelde energieverbruik voor één afstandsbe- paling berekend 36 45∗ Ebystander+ 9 45 ∗ Emaster = 96 ∗ 10 −6mAh
Het vermogen van een node die altijd master is, is dan 6.48 ∗ 10−3 mAh
s . Een node die altijd slave is, heeft een vermogen van 6.36 ∗ 10−3 mAh
s . Het verschil in energieverbruik is beperkt bij een netwerkgrootte van 10 nodes.
Ter vergelijking, indien een node geen buren heeft gebeuren er geen enkele afstandsbepalingen. De chip blijft dan de hele tijd in idle modus waarin de subGHz-radio steeds in RX-modus staat. Het stroomverbruik is daarbij 26 mA en dus verbruikt de chip 7.2 ∗ 10−3 mAh
s . Bij 10 nodes gebruiken nodes gemiddeld minder energie omdat de subGHz- en UWB-radio vaak samen worden uitgezet omdat een ander paar aan afstandsbepaling doet.
Voor andere netwerkgroottes zijn deze resultaten ook berekend. Deze zijn te zien op de grafiek in figuur 5.6. Het idle verbruik wordt ook weergegeven met de rode stippellijn. De invloed van altijd master of slave zijn is beperkt en is verwaarloosbaar indien er vele buren zijn. Naast de figuur worden in tabel 5.4 enkele energieverbruiken getoond voor een node die evenveel master als slave is.
Het energieverbruik is maximaal in kleine topologieën en neemt sterk af bij het toenemende aantal nodes. In grotere netwerken is het gunstig om de minimale afstandsbepalingsperiode te gebruiken, anders zal het energieverbruik stijgen tot maximaal 7.2 ∗ 10−3 mAh
s : het idle modus verbruik. In kleine netwerken wordt aangeraden de afstandsbepalingsperiode te verhogen zodat het energieverbruik beperkt blijft. Vanaf vijf nodes verbruiken nodes minder energie tegenover
idle modus. De afstandsbepalingsperiode is daarbij 0.33 s. dit kan als minimale afstandsbepa-
lingsperiode worden ingesteld voor kleinere topologieën. Daarmee hebben kleine topologieën een energieverbruik dat aanleunt bij het idle modus energieverbruik.
5.4. THEORETISCH ENERGIEVERBRUIK 67
Tabel 5.4: Enkele waarden van het gebruikte vermogen (10−3∗mAh
s ) van een node die evenveel master als slave is. De afstandsbepalingsperiode wordt op het minimum ingesteld.
Node count Power consumption (10−3∗ mAh s ) 1 7.2 2 9.6 3 8.2 5 7.1 8 6.5 10 6.4 15 6.1 20 5.9 30 5.8 40 5.7
Figuur 5.6: Het vermogen (10−3∗ mAh
s ) gebruikt door nodes bij en minimale afstandsbepalingsperiode. De invloed van altijd master of slave zijn is minimaal in grotere
Conclusies energieverbruik
Het fietsgedeelte van een standaard triatlonwedstrijd is 40km lang. Stel dat deze op twee uur tijd gefietst kan worden. Het meeste energie zou worden verbruikt wanneer er een groepje van twee fietsers het ganse fietsgedeelte samen afleggen. In kleine netwerken kan de afstandsbepalings- periode wat verhoogt worden voor een abnormaal hoog energieverbruik te vermijden. Bij twee fietsers moet de afstand ook niet elke 33 ms worden geüpdatet. Daarmee wordt tot maximaal 3 10−3∗ mAh
s energie bespaart: de helft van het idle verbruik.
Stel dat het maximale energieverbruik beperkt wordt tot 7.2 ∗ 10−3∗mAh
s , het idle verbruik. De totale maximale energie verbruikt door een chip tijdens het fietsgedeelte is dan
7.2 ∗ 10−3mAh
s ∗ 2 ∗ 3600s = 52mAh
Ter vergelijking, oplaadbare batterijen bevatten enkele honderden mAh. Een horlogebatterij bevat vaak tot 100 mAh. Het fietsgedeelte zou daarmee zeker tot een goed einde kunnen worden gebracht.
6
Future work
In dit hoofdstuk worden enkele verbeteringen en uitbreidingen aan het CSMA ontwerp en im- plementatie voorgesteld. Wegens beperkte tijd en gemaakte keuzes kon de implementatie en het testen niet volledig worden afgewerkt. Als eerste worden kort enkele onafgewerkte zaken opgesomd:• Er zijn een reeks van minimale tekortkomingen aan de implementatie. In sectie 5.3.3 werd beschreven dat de eerste Hello en InitRanging berichten na een pseudowillekeurige time- out kunnen worden verstuurd voor (hidden-node) collisions te vermijden. Enkel het Ini- tRanging bericht wordt momenteel op deze manier verstuurd. Als volgende tekortkoming worden nieuwe buren niet toegevoegd aan de burentabel indien de buur als sourceadres voorkomt in Init- en ConfirmRanging berichten. Als optimalisatie moeten deze buren zelfs geen Hello berichten meer versturen voor gedetecteerd te worden. Het energieverbruik kon ook mogelijk verlaagd worden door een low-power configuratie of de RX-Listen modus van de subGHz-radio te gebruiken.
• Enkele testen werden niet geanalyseerd en beschreven in deze thesis. Graag was de invloed van CSMA-backoffs bestudeerd op de afstandsbepalingsperiode en hidden-node collisions. Door de CCA-check bug beschreven in 5.1 was dit moeilijk te testen. Met slechts drie chips konden er ook weinig resultaten bekomen worden over de werking van de implementatie in een MANET.
Tijdens het verloop van de masterproef zijn ook enkele verbeteringen voor het CSMA ontwerp bedacht:
• Een eerste verbetering laat alle nodes toch nog het subGHz-kanaal gebruiken terwijl er afstandsbepaling plaatsvindt. Nodes stoppen niet langer met subGHz-communicatie zodra er een ConfirmRanging bericht is ontvangen. Nodes die aan afstandsbepaling doen moeten ook nog subGHz-communicatie toelaten. Dit implementeren echter is niet zo evident bij het gebruik van TDMA-slots.
Door dit toe te laten kan het subGHz-kanaal altijd gebruikt worden. Nodes mogen het UWB-kanaal dan niet reserveren terwijl een ander paar aan afstandsbepaling doet. De no- des moeten hiervoor extra statusinformatie bijhouden. Eventueel worden er al InitRanging berichten uitgewisseld.
• Tijdens het implementeren werd opgemerkt dat de reservatietijd in ConfirmRanging be- richten niet noodzakelijk is. Nodes kunnen onmiddellijk beginnen met de UWB-communicatie nadat het ConfirmRanging bericht werd ontvangen. Het UWB-kanaal wordt ook niet gebruikt tussen het ontvangen van ConfirmRanging bericht en de start van de UWB- communicatie. Dit leidt tot performantieverlies, zeker wanneer de reservatietijd groot wordt ingesteld.
Het gebruik van reservatietijden is een mogelijke aanzet voor met meerdere reservaties tegelijk te werken. Nodes houden deze reservatietijden bij in een reservatietabel. Indien een node beslist om aan afstandsbepaling te doen, overloopt deze alle verzamelde reserva- tietijden en voor een groot genoeg leeg slot te zoeken. Het bijbehorend timestamp wordt opgestuurd, best al in een InitRanging bericht. De slave kan dan nagaan of de timestamp geen conflicten veroorzaakt met zijn verzamelde reservaties. Indien er geen conflicten zijn wordt een ACK terug gestuurd. De reservatietijden mogen niet te groot worden, anders ontstaan er mogelijk merging collisions.
Door het gebruik van beide verbeteringen kunnen UWB reservaties ’gechained’ worden. Zo- dra de afstandsbepaling van een paar verlopen is, kan een ander paar onmiddellijk het UWB- kanaal gebruiken zonder enige subGHz-communicatie tussenin. Zo worden 8 ms aan subGHz- communicatie tussen afstandsbepalingen uitgespaard en zijn er veel meer afstandsbepalingen per seconde mogelijk.
Als laatste worden ook nog enkele uitbreidingen voor deze masterproef beschreven.
• Als eerste uitbreiding kan er een betere afstandsbepalingsstrategie worden gebruikt. Mo- menteel bepaalt elke node de afstand tussen zichzelf en elke buur. Dit schaalt niet goed naar grotere topologieën zoals gezien in sectie 5.3.2. Er kan extra prioriteit worden gegeven
71 aan nodes die dicht bij elkaar zitten. Deze uitbreiding zou makkelijk toe te voegen zijn met de huidige implementatie.
• Als tweede uitbreiding kan de rest van een lokalisatiesysteem bovenop het MAC protocol worden gebouwd. Het MAC protocol bepaalt afstanden tussen buren maar bevat verder geen extra logica. Het lokalisatiesysteem zou kunnen bijhouden welke afstanden er worden verzameld door alle nodes in de MANET. Blijkt dat er slechts een beperkt aantal afstanden gekend moeten zijn waaruit alle andere afstanden kunnen worden berekend [40]. De nodige afstanden worden via het MAC protocol met UWB-communicatie bepaald. Alle andere afstanden worden berekend uit deze afstanden via relatieve lokalisatie, beschreven in [40]. Om de echte positie van alle nodes te weten te komen (dus absolute lokalisatie) zijn er ankerpunten nodig waarvan de positie gekend is. Er kunnen vaste ankerpunten langs de weg staan waarmee nodes ook aan afstandsbepaling doen. Indien geen extra infrastructuur gewenst is, kunnen enkele nodes uitgebreid worden met bv. GPS-technologie. De echte positie van deze nodes is dan gekend, waardoor de posities van alle andere nodes kan berekend worden via relatieve lokalisatie [40].