Trabajo de Fin de Máster por Emilio Torres Armas

1. 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

2. 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
2

3. 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
3

4. 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’
4

5. 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 SensoresElementos de las redes de sensores inalámbricas:
5

6. 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 ConsumoPequeño Tamaño
6

7. 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
7

8. 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
8

9. 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
9

10. 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:
10

11. 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:
11

12. 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
12

13. 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
13

14. 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
14

15. 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.
15

16. 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
16

17. 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
17

18. 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
18

19. 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
19

20. 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
20

21. 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
21

22. 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
22

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
23

24. 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
24

25. 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
25

26. 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
26

27. 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
27

28. 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:
28

29. 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
29

30. 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
30

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
31

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
32

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
33

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 = 444 mV
Esquemático
Vout = 125,4 µVp
Consumo = 90 nA
34

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
Detector de envolvente diferencial: Layout
Vbias = 421 mV
Esquemático
Vout = 125,4 µVp
Consumo = 90 nA
35

36. 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
36

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
37

38. 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
38

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
39

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
40

41. 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
41

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 – Esquemático
42

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
43

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
44

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: Amplificador de fuente doble – Layout
Consumo: 4 µA
Esquemático
Ganancia = 7,90 dB
Consumo = 3,65 µA
45

46. 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
46

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
47

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
48

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
Esquemático
Ganancia = 35,4 dB
Ancho de Banda = 77,61 MHz
49

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
50

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
51

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: Cinco Etapas – Layout
Consumo
17 µA
Esquemático
Ganancia = 35,4 dB
Ancho de Banda = 77,61 MHz
Consumo = 15,81 µA
52

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 – Esquemático
53

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
54

55. 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
55

56. 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

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: Esquemático
57

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
58

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
59

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
60

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
61

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 Tres Etapas y Detector: Layout
No se alcanza el
nivel necesario
a la salida
Esquemático
Vout = 116,3 µVp
Consumo = 35 µA
62

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: Esquemático
63

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
64

65. 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

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: Esquemático
66

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
67

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
68

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
69

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
70

71. 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
71

72. 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
72

73. 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
73

74. 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
74

75. 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

76. 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
76

77. 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:
77

78. 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:
78

79. 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
79

80. 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
80

81. 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
81

82. 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
82

83. 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
83

84. 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
84

85. 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