Energieeffiziente Kommunikation in drahtlosen lokalen Netzen (WLAN).

Universität Salzburg Institut für Computerwissenschaften Energieeffiziente Kommunikation in drahtlosen lokalen Netzen (WLAN). Haifeng Liu Martin Seidel Bakkalaureatsseminar aus Informatik Univ.-Prof. Dr. Wolfgang Pree Sommersemester 2007

Inhalt 1 Einleitung...3 2 Optimierungsmöglichkeiten auf Softwareebene...4 2.1 Power Management... 4 2.2 Power Control... 6 3 Multi-hop ad-hoc Netzwerke...12 4 Hardware...15 4.1 RF ( Radio Frequency) Technologie... 15 4.2 VCO... 15 4.3 Frequenz Teiler (Frequency Dividers)... 16 4.4 Verstärker mit niedrigen Rauschen (Low-Noise Amplifiers)... 16 5 Referenzen...17

1 Einleitung Der drahtlosen Datenübertragung über kurze Distanzen mittels Funktechnologie kommt immer mehr Bedeutung zu. Wichtige Vertreter dieser Technologie für den Datenaustausch sind Bluetooth und WLAN (Wireless Local Area Networks, IEEE 802.11 1 ). Immer mehr mobile Endgeräte nutzen diese Technologien für den Datenaustausch und die Kommunikation. Fast alle Mobilcomputer werden heute mit einer WLAN Schnittstelle ausgestattet. Bei Mobiltelefonen und PDAs ist schon seit einiger Zeit Bluetooth etabliert. Die Implementierung von WLAN ermöglicht hier neue Anwendungen, beispielsweise das meist kostengünstigere Telefonieren über IP-Netze (Voice over IP). Trotz der bereits im IEEE 802.11-Standard vorhandenen Energiesparfunktionen hat eine WLAN-Karte einen wesentlichen Anteil am Gesamtenergieverbrauch eines mobilen Geräts, und beeinflusst daher wesentlich die Batterielebensdauer. Es müssen daher Methoden und Technologien gefunden werden, um den Energieverbrauch zu minimieren, ohne dabei die Performance zu beeinträchtigen. Der Energieverbrauch der WLAN-Komponente kann bei einem mobilen Computer teilweise einen erheblichen Anteil am Gesamtverbrauch haben (die Leistungsaufnahme einer WLAN-Karte kann bis zu 2 Watt betragen). Von besonderer Wichtigkeit sind Energiesparmassnahmen aber für die kleineren Endgeräte mit geringer Batterieleistung (Mobiltelefon, PDA, Sensoren, Mediaplayer). In diesem Dokument werden verschiedene aktuelle Überlegungen und Forschungsergebnisse zum Thema des Energiesparens in drahtlosen Funknetzen vorgestellt. Die meisten Untersuchungen befassen sich mit dem WLAN-Standard. Die Resultate können aber sinngemäss auch auf andere Funktechnologien angewendet werden. Es gibt verschiedene Strategien, um den Energieverbrauch zu minimieren. Möglichkeiten auf der Ebene des Software- und Protokolldesigns (Power Management, Power Control) werden in Kapitel 2 beschrieben. Auf die Besonderheiten in multi-hop Netzwerken wird in Kapitel 3 eingegangen. Erhebliche Einsparungspotentiale gibt es natürlich auch beim Chip- und Hardwaredesign. Forschungsergebnisse dazu werden in Kapitel 4 präsentiert. 1 http://www.ieee.org/portal/site 3

2 Optimierungsmöglichkeiten auf Softwareebene 2.1 Power Management Das Power Management ist für die Reduktion der Leistungsaufnahme einer Hardwarekomponente während ihrer inaktiven Phase verantwortlich. Ein Standard für das Power Management ist z.b. Advanced Power Management (APM), in welchem verschiedene Aktivitätszustände spezifiziert werden (S1: full-on, S2: standby, S3: suspend, S4: sleep, S5: full-off). Je höher der Energiesparmodus, desto kleiner ist der Energieverbrauch, desto länger dauert aber auch der Wechsel in den full-on Zustand. Typische WLAN-Karten benötigen bis zu 100 ms für den Wechsel vom full-off in den full-on Zustand, für den Wechsel vom standby in den full-on Zustand 1 ms. Ein häufiger Wechsel der Zustände kann daher negative Auswirkungen auf Datendurchsatz und Latenz haben. Das Ziel ist daher, eine optimale Strategie für das Management der Energiesparzustände zu finden. Abbildung 1: Systemzustände 2 Aktuelle Betriebssysteme definieren eine heuristische Power Management Strategie. Die Regeln für den Wechsel in einen energiesparenden Zustand werden durch timer realisiert. Eine dynamische Anpassung an die momentanen Erfordernisse des Systems geschieht nicht. Es wird also möglicherweise Energie verschwendet, wenn zu lange auf das timeout gewartet wird. Andererseits verschlechtert sich die Performance, wenn das timeout zu früh erfolgt. 2 http://portal.acm.org/citation.cfm?id=344166.344197

Eine wesentliche Verbesserung kann erzielt werden, wenn die Zeitintervalle für die Zustandswechsel - hinsichtlich der Nebenbedingungen Performance und Energieverbrauch - optimiert bzw. dynamisch an die Auslastung des Systems angepasst werden. Die Modellierung des Systems Applikationen WLAN-Interface geschieht mittels Warteschlangentheorie: Die Applikationen senden Anfragen an eine Warteschlange. Für die Beschreibung der Zwischenankunftszeiten wird meist eine Pareto-Verteilung oder eine Exponentialverteilung verwendet. Je nach Aktivitätszustand der WLAN-Karte ergeben sich unterschiedliche Wartezeiten für die Bearbeitung der Anfragen in der Warteschlange. In 3 werden die Netzwerk-Anforderungen am Beispiel Web-Browser und Telnet mathematisch modelliert. Mittels renewal theory kann nun ein Optimierungsproblem (bzgl. Energieverbrauch, Performance) formuliert werden. Die Lösung dieses Problems liefert eine diskrete Wahrscheinlichkeitsverteilung, die beschreibt, wann ein Zustandswechsel in den off-state erfolgen sollte. Es konnte gezeigt werden, das durch ein optimiertes Management der Aktivitätszustände bis zu 70% der benötigten Energie eingespart werden können, ohne dass die Performance signifikant reduziert wird. Ein ähnlicher Ansatz verwendet "Markov-Ketten" 4 als mathematisches Model, um Wahrscheinlichkeiten für das Eintreffen zukünftiger Ereignisse aus Ereignissen in der Vergangenheit abzuleiten. Mittels der berechneten Wahrscheinlichkeiten kann dann eine (dynamisch angepasste) optimierte Strategie für das Powermanagement bestimmt werden Ein anderer Aspekt wird in 5 beschrieben: Jede Applikation definiert ein Anforderungsprofil hinsichtlich Übertragungsrate, Latenz oder Quality of Service. Das WLAN-Interface wäre dann in der Lage, die Powermanagement-Strategie an die Anforderungsprofile anzupassen. Multimedia-Datenströme erlauben beispielsweise eine grosse Latenz, daher ist es möglich, solche Daten im Burst- Modus zu übertragen. Während der Übertragungspausen kann die WLAN- Hardware dann abgeschaltet werden, was zu einer signifikanten Energieeinsparung führt, ohne die Performanz zu beeinträchtigen. 3 http://portal.acm.org/citation.cfm?id=344166.344197 4 http://www.mathematik.uni-ulm.de/stochastik/lehre/ss03/markov/skript/node3.html 5 http://user.informatik.uni-goettingen.de/~seminar/advmobicom/ss2004/essay/johny.pdf

2.2 Power Control Im Gegensatz zum Powermanagement (Abs. 2.1), welches für die Verwaltung des Energieverbrauchs während der inaktiven Phase einer Komponente zuständig ist, ist es die Aufgabe von Power Control, den Energieverbrauch während des aktiven Betriebs der Komponente zu kontrollieren. Die Sendeleistung hat einen grossen Einfluss auf die Leisungsaufnahme eins WLAN-Interfaces. Es ist daher naheliegend, die Sendeleistung - ähnlich wie bei Transmitter Power Control (TPC) im GSM-Standard - an die Umgebungsbedingungen anzupassen. Dazu misst der Access-Point den Signal-Rauschabstand (received signal to interference and noise ratio (SIR)) des vom Client empfangenen Signals und die Bitfehlerrate (bit error rate (BER)). Aus diesen Parametern kann nun die optimale Sendeleistung berechnet werden, und der berechnete Wert an den Client übermittelt werden. Obwohl diese Technik im WLAN-Standard enthalten ist, wird diese noch nicht von allen WLAN-Karten unterstützt. Abbildung 2: Signal-Rauschabstand in Abhängigkeit der Entfernung 6 Im folgenden soll eine empirische Arbeit 7 vorgestellt werden. Diese Arbeit befasst sich unter anderem mit der Messung des Energieverbrauchs einer WLAN-Karte bei verschiedenen Betriebsarten und Kanalqualitäten. Es werden dazu die für den Energieverbrauch relevanten Parameter identifiziert (Sendeleistung, Bitfehlerrate und Blockgrösse), und ihre Auswirkung auf den Energieverbrauch / Leistungsaufnahme dokumentiert. Anhand der gewonnen experimentellen Daten wird dann versucht, eine neue optimierte Strategie für einen energieeffizienten Betrieb zu finden. 6 http://doi.acm.org/10.1145/1143549.1143695 7 http://edocs.tu-berlin.de/diss/2004/ebert_jeanpierre.pdf

Abbildung 3: Leistung [W] in Abhängigkeit von Sendeleistung und Übertragungsrate 8 In Abbildung 3 sieht man eine starke Korrelation zwischen Leistungsaufnahme und Sendeleistung, während die Übertragungsrate einen nur kleinen Einfluss auf das Resultat hat (ΔP 0.08 W). Durch Optimierungen beim Sendeverstärker (Kapitel 4) oder Anpassung der Sendeleistung kann daher die Leistungsaufnahme deutlich reduziert werden, Abbildung 4: Leistung [W] beim Empfang, in Abhängigkeit von Sendeleistung und Übertragungsrate Im Empfangsmodus (Abbildung 4) hat nur die Übertragungsrate einen Einfluss auf die Leistungsaufnahme (ΔP 0.08 W, ähnlich wie in Abbildung 3). Offenbar arbeitet die WLAN-Hardware (CPU, Digitale Signalprozessoren) mit konstanter Taktfrequenz, sodass auch bei niedriger Übertragungsrate die Leistungsaufnahme gross ist. 8 http://edocs.tu-berlin.de/diss/2004/ebert_jeanpierre.pdf p.81

Im folgenden soll der Einfluss der Paketgrösse auf die mittlere Leistungsaufnahme beim Senden untersucht werden. Je kleiner die Paketgrösse, desto kürzer sind die aktiven Phasen der Sendestufe. In Abbildung 5 sieht man einen nur geringen Einfluss der Paketgrösse auf die Leistungsaufnahme, da bei kleinen Sendeleistungen die Leistungsaufnahme zwischen Senden und Empfangen wenig Unterschied aufweist. In Abbildung 6 erkennt man, dass grosse Übertragungsraten tendenziell zu einer niedrigeren Leistungsaufnahme führen. Grund dafür sind die kürzeren Übertragungszeiten, sodass schneller in den, bei grossen Sendeleistungen wesentlich energiesparenderen Empfangs- oder Bereitschaftsmodus gewechselt werden kann. Abbildung 5: Mittlere Leistungsaufnahme beim Senden, P RF = 1 mw Abbildung 6: Mittlere Leistungsaufnahme beim Senden, P RF = 50 mw Die Situation beim Empfang (Abbildung 7) kann so interpretiert werden: Bei kleiner Paketgrösse ist der relative Anteil der nach jedem gesendeten Paket übertragenen Aknowledge-Pakete grösser. Diese Pakete werden immer mit der maximalen Sendeleistung übertragen. Bei kleiner Übertragungsrate benötigt das Senden der Aknowledge-Pakete wesentlich länger, sodass hier die Auswirkung kleiner Paketgrössen besonders ausgeprägt ist.

Abbildung 7: Mittlere Leistungsaufnahme beim Empfang In den oben vorgestellten Untersuchungen wurde die aufgenommene Leistung bei optimaler Kanalqualität in Abhängigkeit der Betriebsparameter gemessen. Diese Messungen erlauben aber keine unmittelbare Aussage über die Effizienz der Übertragung. Daher wird die benötigte Energie pro erfolgreich übertragenem Nutzdaten-Bit als neue Metrik eingeführt: Effizienz [J / bit] = Leistungsaufnahme [W] Datenrate [bit / s] In Abbildung 8 werden die Resultate der gemessenen Effizienz beim Senden über einen optimalen Übertragungskanal (Distanz = 5 m, kleine Bitfehlerrate) dargestellt. Es zeigt sich, dass die Paketgrösse einen starken Einfluss auf die Effizienz hat. Aufgrund des Protokolloverheads ist die Effizienz bei kleinen Paketen sehr gering. Im Gegensatz zu den in Abbildung 3 gezeigten Resultaten wächst die Effizienz proportional zur Übertragungsrate, da die Übertragungszeit einen wesentlichen Einfluss auf das Resultat hat. Abbildung 8: Effizienz [J / bit] beim Senden. Sendeleistung 1 mw bzw. 50 mw

Eine ähnliche Situation zeigt sich beim Empfang. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei guter Kanalqualität die Übertragung von grossen Paketen mit maximaler Übertragungsrate und kleiner Sendeleistung die beste Strategie für eine optimale Effizienz darstellt. Bei schlechter Kanalqualität ist allerdings eine andere Strategie besser. In Abbildung 9 ist der Zusammenhang zwischen Bitfehlerrate und Entfernung dargestellt. Abhhängig vom verwendeten Modulationsverfahren zeigt sich ab einer gewissen Entfernung ein sprunghafter Anstieg der Bitfehlerrate. Man erkennt ausserdem, dass komplexere Modulierungsverfahren, welche pro Zeittakt mehr Information übertragen, anfälliger für Störungen sind. Abbildung 9: Bitfehlerrate (BER) in Abhängigkeit der Entfernung, P RF = 1 mw Abbildung 10: Bitfehlerrate (BER) als Funktion der Sendeleistung Eine zu grosse Bitfehlerrate führt zu einer grösseren Anzahl fehlerhaft übertragener Pakete. Das wiederholte Übertragen der zerstörten Pakete hat natürlich einen negativen Einfluss auf die Energieeffizienz. Die Resultate für eine Übertragung über grössere Entfernungen sind in Abbildung 11 dargestellt. 1

Abbildung 11: Effizienz beim Senden, Entfernung = 45 m, Sendeleistung 1 mw bzw. 50 mw Je grösser die übertragenen Pakete sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass sich Bitfehler auf die Übertragung eines Paketes auswirken. Falls die maximale Sendeleistung noch nicht erreicht ist, besteht die optimale Strategie darin, die Sendeleistung zu erhöhen. Falls bei maximaler Sendeleistung die Bitfehlerrate immer noch zu gross ist, um eine effiziente Übertragung zu ermöglichen, ist es besser, die Paketgrösse zu vermindern bzw. die Übertragungsrate zu reduzieren, und so die Wahrscheinlichkeit für Bitfehler, und die sich daraus ergebenden erneuten Übertragungen der Pakete zu reduzieren. Entscheidet man sich allerdings für eine zu kleine Paketgrösse, so hat der Protokolloverhead einen erheblichen Einfluss auf die Energieeffizienz. Die Untersuchungen zeigen, dass die Anpassung der Paketgrösse an die Übertragungsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist. Fazit: Eine dynamische Anpassung der Übertragungsparameter (Sendeleistung, Paketgrösse) an die Umgebungsparameter (Kanalqualität) ermöglicht eine wesentliche Verbesserung der Effizienz. 11

3 Multi-hop ad-hoc Netzwerke Interessante Optimierungsmöglichkeiten gibt es bei der Multipunkt-zu- Multipunkt Netzwerkarchitektur. Im Gegensatz zu dem derzeit weit verbreiteten Betriebsmodus mit zentralen Access-Points (Infrastruktur-Modus) arbeitet hier jeder Netzwerkknoten gleichzeitig als Client und als Server. Eine grosse Dichte der Knoten ermöglicht eine Datenübertragung über grössere Entfernungen, indem die Datenpakete über mehrere Knoten weitergeleitet werden (multi-hop). Da sich alle Netzwerkknoten dieselben Ressourcen (den Übertragungskanal) teilen, wirkt sich eine optimale Strategie bei der Wahl der Sendeleistung nicht nur positiv auf den Energieverbrauch aus, sondern ermöglicht auch eine verbesserte Nutzung des Übertragungskanals. Abbildung 12: Optimierung duch dynamische Anpassung der Sendeleistung Zur Verdeutlichung sei folgendes Szenario gegeben (Abbildung 12): Netzwerkknoten A möchte Daten an B senden, C möchte Daten an D senden. Ohne Regelung der Sendeleistung wird der Empfang beim Knoten B durch die Sendung von Knoten C gestört. Die gleichzeitige Verwendung des Netzwerks durch alle Teilnehmer ist nicht möglich. Eine dynamische Anpassung der Sendeleistung ermöglicht sowohl ungestörte gemeinsame Nutzung des Netzes, als auch eine verbesserte Energieeffizienz. Die benötigte Sendeleistung für die Übertragung über eine Distanz d wächst proportional d α, wobei gilt: α = 2 bei ungestörter Übertragung (freier Raum). In Gebäuden kann sich aber auch ein Exponent von α = 6 ergeben. Eine direkte Übertragung über grosse Entfernungen benötigt also überproportional grosse Sendeleistungen. In multi-hop Netzwerken sendet ein Client die Datenpakete nur an den jeweils benachbarten Knoten. Die Sendeleistung kann daher erheblich reduziert werden. 1

Abbildung 13: Energieeffizienz in Abhängigkeit der Anzahl der Zwischenknoten ("hops") 9 Je grösser die Dichte der Knoten in einer multi-hop Architektur, desto kleiner ist die benötigte Gesamtenergie, falls eine optimale Anpassung der Sendeleistung stattfindet (untere Kurve in Abbildung 13). Alle Knoten teilen sich den Übertragungskanal als gemeinsam genutzte Ressource. Bei grosser Knotendichte sind daher - trotz Leistungsregelung - gegenseitige Störungen unvermeidbar, sodass die Kapazität des Übertragungskanals kleiner wird (Abbildung 14). Abbildung 14: Übertragungsrate in Abhängigkeit der Anzahl der Zwischenknoten ("hops") Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch dynamische Anpassung der Sendeleistung in multi-hop Netzwerken eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz, insbesondere bei der Übertragung über grössere Enfernungen, erreicht werden kann (Abbildung 15). 9 http://www.tkn.tu-berlin.de/publications/papers/journal.pdf 13

Abbildung 15: Effizienz als Funktion der Entfernung 1

4 Hardware 4.1 RF ( Radio Frequency) Technologie Unter dem Schaltungsdesign von Hardware ist die RF Technologie ein wichtiger Bestandteil. Im Gegensatz zu reiner Digitalelektronik, die von sukzessive verbesserter CMOS Technologie profitiert, um den Energieverbrauch zu reduzieren, ist RF im Bereich von Energieverbrauchsreduktion schwer zu erreichen. Der RF-Energiekonsum hängt von mehren Faktoren ab: Dynamischer Bereich von Signal Empfang und sukzessive Verbesserung von RF IC Technologie.. In der Produktion wird die advanced BiCMOS Technologie angewendet. Sie bringt hohe Performanz von aktiven Bauelementen. Z.b ist die cut-off Frequenz f T von 0,5μm BiCMOS Technologie bei 30GHz. Der 0,25μm BiCMOS Prozess bringt die f T nahe zu 45GHz. Mit der neuen Generation von SiGe BiCMOS Technologie steigert man f T breits auf über 100GHz. Mit den folgende Abschnitten werden wir auf das low-power Design auf Schaltungslevel genauer eingehen. 4.2 VCO Spannungskontrollierter Oscillator( voltage controlled oscillator) ist eine der Kernkomponenten. Als Erstes es bestimmt er die maximale Frequenz in vielen Tuner Systemen, Zweitens bestimmt der spektrale Reinheitsgrad (spectral purity) die Signalqualität für den Empfänger. Folgende Abbildung 16 zeigt das Basis Konzept von eines LC-tank Oscillators Abbildung 16: LC-tank Oszillator(links) und aktiver Teil(rechts) Eine Reduktion des Energieverbrauchs eines VCOs kann dadurch erreicht werden, wenn der Oscillator kreuzgekoppelt wird (siehe Abbildung 17), weil 1

durch die Phasenverschiebung das Phasenrauschen(phase noise) vermindert werden kann. Abbildung 17 kreuzgekoppelter Oscillator Diese Technik z.b wird bei Bluetooth im Standard 0,18μm CMOS angewendet und verbraucht 16% weniger Energie.. 4.3 Frequenz Teiler (Frequency Dividers) Weil die erste Stufe eines Multifrequenz Teiler unter der gleichen Frequenz wie der VCO läuft und es sich um starke Signalen handelt, beeinflusst das Design von dieser Schaltung auch sehr den Energieverbrauch. Abbildung18: Frequenzteiler basiert auf 2 D-latches Das Hauptteil dieser Komponente besteht aus D-Latches. In diesem Bereich ist die parasitiaere Diffusion von Kapazitäten die Quelle von Energieverschwendung, daher wird, je kleiner die Grösse von Transistoren sind, umso weniger Energie wird verbraucht. 4.4 Verstärker mit niedrigen Rauschen (Low-Noise Amplifiers) 1

Eine der Kernkomponenten in jedem WLAN Empfänger ist der Verstärke(LNA) mit dem niedrigen Rauschen. Das ultimative Design besteht aus Rauschanpassung(noise match) und Leistungsanpassung(power match). Abbildung 19: Low Noise Amplifier Schaltung Die Input-Leistungsanpassung in einem LNA ist stark abhängig von der angewendeten CMOS Technologie, da es bei CMOS sehr leicht ist, einen hohen Eingangswiderstand zu realisieren. Angenommen der Ausgangswiderstand ist 1000 Ω, und der Eingangs Rauschwiderstand ist 4000Ω, dann ist das Raushverhältniss (noise factor) NF nahe zu 7dB und der Energieverbrauch dieser Komponente beträgt 0.2mW, das ist klein genug für die Bluetoothsanwendungen.. 5 Referenzen [1] Guoliang Xing; Chenyang Lu; Robert Pless, Minimum Power Configuration in Wireless Sensor Networks, Washington University in St. Louis [2] Peng Rong; Massoud Pedram, Hierarchical Power Management with Application to Scheduling, University of Southern California, Dept. of Electrical Engineering [3] Jean-Pierre Ebert, Energy-efficient Communication in Ad Hoc Wireless Local Area Networks, Technischen Universität Berlin, 2004 [4] G.P.Halkes, T. Vandam, K.G.Langendoen, Comparing Energy-Saving MAC Protocols for Wireless Sensor Networks SpringerScience, BusinessMedia Mobile Networks and Applications 10, 783 791, 2005 [5] Domine M.W.Leen Low Power RF IC Design for Wireless Communication, Philips Research 1