IEEE prijst energiezuinige radio NXP-promovendus

Reading time: 4 minutes

Author:

Samen met collega Salvatore Drago won promovendus Fabio Sebastiano een prestigieuze best student paper award op de IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Hun publicatie gaat over het ontwerp van een extreem energiezuinige radio voor draadloze sensornetwerken. Sebastiano, werkzaam bij NXP en onder begeleiding van de TU Delft en de Universiteit Twente, legt uit wat zijn werk precies behelst.

Wat is dit voor award?

’Dit was een prijs op een IEEE-conferentie in Seattle in mei, die ging over zo‘n beetje alles van digitaal tot analoog en van enkele encoders tot complete systemen. Er waren in totaal zo‘n vijfhonderd publicaties. Daaronder was een competitie voor de best student paper, waarvoor zo‘n tweehonderdvijftig deelnemers een artikel hadden ingediend. Daaruit werden negen finalisten geselecteerd en vier daarvan kregen deze prijs, goed voor 500 dollar.‘

Waar gaat jullie paper over?

’We beschrijven een volledig in silicium geïntegreerde node voor draadloze sensornetwerken, die extreem weinig energie gebruikt. Dergelijke netwerken kunnen allerlei toepassingen hebben, van voedselkwaliteit tot het monitoren van dierpopulaties. Je wilt de knooppunten eigenlijk op elke wijnfles of elk stuk kaas kunnen plakken. Daarvoor moeten ze klein en spotgoedkoop zijn, zodat je je geen zorgen hoeft te maken over hoeveel je er inzet en wat ermee gebeurt.‘

’Essentieel daarvoor is energie besparen. Je wilt dat je batterij de gehele levensduur meegaat, of je moet energy scavenging gebruiken. Het belangrijkste punt hierin is de draadloosinterface. Die vreet stroom. Dat kun je verminderen door de radio niet voortdurend aan te laten staan. Wij stellen voor om een energiezuinige wake-up-radio te gebruiken, die alleen luistert óf er een signaal is en verder niet aan RF-modulatie doet. Deze ontvanger kan vervolgens de hoofdradio aanzetten. Ook beschrijven we een protocol dat de tijd verdeelt in perioden. Voor alle knooppunten wordt afgesproken in welk van deze tijdsloten ze een signaal kunnen verwachten. Daardoor hoeft een node alleen in die periode aan te staan. Voor het doorzenden van gegevens wacht de radio dan op het juiste tijdslot voor de ontvanger.‘

’Alleen, als je een volledig geïntegreerd circuit wilt maken, is de belangrijkste stap om het kwartskristal weg te laten. Wij hebben die vervangen door een energiezuinige oscillator in CMos. Die is echter lang niet zo precies als een kwartskristal. Dat betekent dat het lastig wordt om te timen wanneer je de radio moet aanzetten, én dat je niet zo precies de frequenties kunt regelen, waardoor er een verschil kan ontstaan tussen de zend- en ontvangfrequentie.‘

’De afhankelijkheid voor die twee moet je dus afzwakken. Voor de ontvangstperiode gebruiken we een synchronisatiepuls. Een van de knooppunten wordt aangewezen als master en zendt om de zoveel cycli een tijdsignaal uit, waarop de andere knooppunten hun klok gelijkzetten. Het maakt niet uit welk knooppunt dat wordt, het gaat niet om de absolute tijd. Als je de luisterperiodes dan lang genoeg kiest, zitten zender en ontvanger in hetzelfde interval.‘

’Voor het zenden coderen we de boodschap als een set smalbandige pulsen. We gebruiken dus een reeks van frequenties; de exacte frequentie komt niet zo nauw. Het lijkt een beetje op Ultrawideband, maar dat gebruikt zo‘n groot frequentiegebied dat je een gecompliceerde zendontvanger nodig hebt, wat weer veel stroom verbruikt. Onze zendontvanger kan heel simpel blijven.‘

Waarom hebben jullie de prijs gewonnen?

’Ik denk dat dat is omdat we niet proberen een klein onderdeel te optimaliseren, maar naar het hele systeem kijken in deze paper. Wij hebben het netwerk als geheel bekeken om het energiegebruik te minimaliseren. Dat is volgens mij het sterke punt.‘

Hoe past deze paper in jullie onderzoek?

’Ik werk samen met mijn collega Salvatore Drago aan een radio met ultralaag verbruik. Ik ben in januari 2006 gestart met mijn promotieonderzoek, Salvatore in juni dat jaar. We doen ons onderzoek met behulp van een Marie Curie-fellowship bij NXP in Eindhoven, onder begeleiding van de TU Delft en de Universiteit Twente. Daarbij richten we ons allebei op verschillende onderdelen. Salvatore werkt aan de wake-up-radio, ik ben bezig met de CMos-klok. Die is al in een andere paper beschreven.‘

’Op dit moment hebben we prototypes van de verschillende blokken in silicium. We hebben een proof of concept van de oscillator. Die zal ik in september presenteren op de European Solid-State Circuits Conference. We beginnen nu ook de eerste resultaten van de wake-up-radio te krijgen. We hebben de verschillende onderdelen aangetoond, maar nog niet het geheel.‘

Je naam klinkt niet echt Nederlands.

’Ik kom uit Teramo in Italië. Ik zocht na mijn studie voor een goede plek om mijn promotieonderzoek te doen. Deze positie was erg aanlokkelijk omdat er een goede universiteit achter staat, de TU Delft, en omdat ik de gelegenheid krijg om in een groot halfgeleiderbedrijf te werken. Daar kunnen we alle faciliteiten en technologie van gebruiken.‘