Projets de recherche au laboratoire

Project presentation (abstract) :

Power consumption within mobile embedded systems has become a major concern for many applications requiring high power autonomy between successive battery chargings. Most of the applications use a battery as power source and require periodic charging. In addition, according to the Internal Energy Agency (IAE) the world-wide power consumption of electronic gadgets will be in 2030 as high as today’s domestic consumption in America and Japan . There are nowadays many works and techniques that tend to reduce power consumption within embedded systems and/or communication objects:

§ In digital architectures, the different design flow levels are affected: middleware and real-time operating systems (RTOS) with the management of low-power modes, dynamic voltage and frequency scaling (DVFS), architecture-level approaches (e. g. clock gating, power gating), technological advances (e. g. Adaptative Body Bias, ABB).

§ The radio frequency (RF) blocks are optimized with respect to power consumption according to constraints relative to sensitivity, interference robustness and are based on new design methods. Advanced integrated components. Disruptive Digital- Analog partitioning is also a key point.

§ DC/DC, analog to digital (ADC), digital to analog (DAC) converters and other frequency dividers or synthesizers are also designed for optimal tradeoff between performance and power consumption. - Communication protocols are studied to get optimized energy per bit ratio (e. g. ZigBee or Bluetooth Low Energy). - Software layers can be developed with respect to available-power-dependent quality of service (QoS) accounting for power consumption (e. g. related to cache).

It appears that all these techniques are generally developed without further analysis about the impact they have on each other. So we think that it is possible save a huge amount of energy if one uses a more global design approach. As example, IRISA has developed PowWow system with promising results compared to industrial standards targeting low power consumption. Furthermore, sensor network technologies and the increase efficiency of photovoltaic cells show that it is possible to reach communicating objects solutions with low enough power consumption to foresee the possibility of developing autonomous objects.

In this frame, we propose to study the design of autonomous communicating object platform. This means that, within a given time period, the power consumption is lower than or equivalent to the energy the object can recover from its environment. The approach developed in GRECO (GREen wireless Communicating Objects) aims at reaching a global power optimization for a communicating object. This optimization will be based on a modeling of the performances and power consumption of the blocks that are required for the object design (RF blocks, converters, modem, peripherals, digital architecture, RTOS, software, power generator, battery) and the use of a global control (the Power Manager). These power models have to account for the element behavior (e. g. the efficiency) as the power is directly linked to the functioning states at any instant. This approach implies a diversity of the models that one should handle easily. The choice of modeling and simulation tools and techniques has to be considered for this purpose. The final validation will be done on various case studies, such as a monitoring system or audio communication between firemen. A HW/SW prototyping (e. g. based on an IRISA’s Pow-Wow extension) and a simulation study that would associate a precise modeling (virtual platform) of an object inserted in a network simulator-like environment could be of interest as demonstrators. Then, it should be possible at the end of the project, for a given power source and a target application, to evaluate the available/necessary power allocation for different parts of the autonomous communicating object.

Résumé du projet

La consommation d’énergie dans les systèmes embarqués mobiles est un enjeu majeur pour de nombreuses applications où il est important d’assurer une certaine durée de fonctionnement entre deux recharges de batterie. La généralisation des systèmes électroniques mobiles induit une consommation d’énergie en constante augmentation. L’International Energy Agency prévoit une consommation mondiale des gadgets électroniques en 2030 égale à la consommation actuelle des ménages américains et japonais réunis ce qui est loin d’être négligeable.

De nombreuses techniques visent à réduire cette consommation dans les systèmes embarqués et/ou les objets communicants.

§ Dans les architectures numériques les différents niveaux du flot de conception sont concernés : middleware et OS temps-réel avec gestion des modes basse consommation, ordonnancement et gestion dynamique de la tension et de la fréquence (DVFS), approches au niveau architecture (e.g. clock gating, power gating), avancées technologiques (e.g. ABB, Adaptive Body Bias).

§ La conception de blocs RF (radio fréquence) optimisés en consommation tenant compte des contraintes de sensibilité, de résistance aux brouilleurs et utilisant des méthodes de conception nouvelles, des composants intégrables innovants et un partitionnement numérique-analogique disruptif sont aussi un point clé.

§ Les convertisseurs de tension (DC/DC), analogique-numérique, numérique-analogique ou autres diviseurs de fréquence (PLL, DLL) sont aussi conçus dans un souci de compromis performances/énergie.

§ Des protocoles de communications sont étudiés pour obtenir des énergies par bit transféré optimisées (e.g. ZigBee ou Bluetooth Low Energy).

§ Les couches logicielles applicatives peuvent être développées en fonction d’une QoS dépendante de l’énergie disponible.

Ces techniques sont en général développées sans analyse détaillée des impacts qu’elles peuvent induire mutuellement les unes sur les autres. Ainsi nous pensons qu’il possible de gagner significativement en énergie par une approche globale de conception. Pour illustrer ceci, les résultats obtenus avec le système PowWow développé par l’IRISA dans le cadre du projet ITEA2 Geodes, montrent que de meilleures efficacités en pico-joule/bit transféré peuvent être obtenues (facteur 10 !) par rapport à des solutions standards basées sur des protocoles basse consommation (Zigbee). Ces derniers montrent cependant qu’il est possible d’obtenir des solutions d’objets communicants avec des consommations laissant entrevoir la possibilité de développer des objets autonomes en énergie. Par exemple SANYO a annoncé en mai 2009 une cellule photovoltaïque d’une efficacité énergétique de 23% qui permet d’obtenir une puissance utile de 29mW/cm². Avec quelques dizaines de cm² il est ainsi possible d’alimenter un système complexe s’il est optimisé en énergie.

Aussi nous proposons d’étudier la conception d’une plateforme d’un objet communicant autonome en énergie, telle que sa consommation sur une période de temps donnée est équilibrée (ou plus faible) par rapport à l’énergie qu’il est possible de récupérer depuis l’environnement de l’objet lui-même.

L’approche proposée dans GRECO (GREen wireless Communicating Objects) vise à rechercher une optimisation globale en énergie en s’appuyant sur une modélisation la plus complète possible des différents éléments nécessaires à la conception de l’objet : blocs RF, convertisseurs, partie modem, périphériques, architecture numérique, RTOS, logiciel applicatif, générateur d’énergie, batterie, ainsi que sur un élément global de contrôle du système : le Power Manager. Ces modèles de puissance doivent tenir compte à la fois des comportements (e.g. rendement) de ces éléments car la puissance est directement corrélée aux « points de fonctionnement » utilisés à chaque instant.
Cette approche implique une hétérogénéité des modèles utilisés qu’il s’agit de maitriser dans une infrastructure de modélisation/simulation adaptée.
La validation s’effectuera par l’étude de cas : un système de sécurité, un système de communication audio, un réseau pour bâtiment intelligent. Des prototypes matériels, basés sur une extension du système PowWow, un réseau BT LE, et une étude en simulation qui associe un modèle précis (e.g. plateforme virtuelle) d’un objet plongé dans un environnement type simulateur de réseau peuvent être démonstratifs des résultats visés.
Ainsi il devrait être possible à l’issue du projet d’évaluer, pour une source d’énergie donnée et un type d’application visé, la répartition en énergie nécessaire/disponible pour les différentes parties du système d’un objet communicant autonome.

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