Multi-mode relaying for energy consumption reduction

Today mobile terminals offer today the possibility of switching between different physical layers of radio protocols. With a generalization of Software Defined Radio, this multi-mode property improves the connectivity but has an important cost in terms of energy consumption. In this paper, we study the possibility of reducing energy consumption by using a relay on possibly different communication modes. We show that a multi-mode relay, compared to simple (mono-mode) relay, has an impact on energy consumption. We propose an analytical study of energy consumption in multi-mode terminals. Then, we will compare the network energy consumption following two scenarios: in the first one, a mobile terminal relays other users, in the second one terminals connect directly to an Access Point. We evaluate the consumption of the terminals in an 802.11g-to-UMTS and an 802.15.4-to-802.11g relay scheme. We isolate rules to minimize the network global energy consumption through multi-mode relaying. We show that the most intuitive solution is not always the best one and that a very precise simulation is necessary to make good choices at run time.Aujourd'hui, les terminaux mobiles permettent de choisir parmi différentes couches physiques de protocoles radios. Avec la généralisation de la Radio Logicielle, cette propriété multi-mode améliore la connectivité, mais rajoute un important surcoût à la consommation d'énergie. Dans ce papier, nous étudions la possibilité de réduire la consommation d'énergie en proposant un relais peut communiquer sur ces différents modes. Nous montrons qu'un relais multi-mode a un impact sur la consommation d'énergie, en comparaison à un simple relais mono-mode. Nous proposons une étude analytique de la consommation d'énergie pour les terminaux multi-modes. Puis, nous comparons la comsommation d'énergie du réseau suivant deux scénarios: dans le premier, un terminal mobile joue le rôle de relais pour d'autres utilisateurs ; dans le second, tous les terminaux se connectent directement au point d'accès. Nous évaluons la consommation des terminaux dans des scénarios de relais 802.11g-vers-UMTS et 802.15.4-vers-802.11g. Nous isolons des règles qui permettent de minimiser la consommation global du réseau au travers des relais multi-modes. Nous montrons que la solution la plus intuitive n'est pas toujours la meilleure, et qu'une évaluation précise au travers de simulations est nécessaire afin de procéder à un bon choix de paramètres

Energieeffiziente HF-Front-End-Schaltungsarchitekturen am Beispiel von ZigBee-Empfängern

Der Arbeit vorangestellt ist eine Literaturübersicht über die verschiedenen Empfängerarchitekturen, aus denen die homodyne Architektur als die am besten für einen energieeffizienten Empfänger wie z.B. ZigBee geeignete ausgewählt wird. Basierend auf einer Systemsimulation werden die Kennzahlen des gesamten Empfängers festgelegt und diese umgesetzt in Spezifikationen für die einzelnen Schaltungsblöcke. Aus den festgelegten Kennzahlen wird deutlich, dass im Vergleich zu anderen drahtlosen Systemen eine geringe Anforderung an das Noise Figure und die Linearität gestellt wird, aber eine hohe Anforderung der geringe Stromverbrauch darstellt. In einer weiteren Literaturübersicht werden unterschiedlichen LNA-Architekturen miteinander verglichen und bewertet. Dabei werden nicht nur die konventionellen Architekturen Common-Source-LNA und Common-Gate-LNA (CG-LNA) betrachtet, sondern auch alternative Varianten untersucht. Aufgrund der Systemanforderungen wird der CG-LNA als der am besten geeignete ausgewählt. Basierend auf dem EKV-Modell, welches das Verhalten des MOSFETs in allen Arbeitsbereichen beschreibt, wird der CG-LNA analysiert. Dabei werden speziell, die parasitären Kapazitäten des MOSFETs und die durch Kurzkanaleffekte bedingte Zunahme des Rauschens, in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt berücksichtigt. In dieser Arbeit konnten weiterhin neue, arbeitspunktabhängige charakteristische Performancekennzahlen (weitenbezogene Source-Transkonduktanz und totale Eingangskapazität sowie Eingangszeitkonstante) des CG-LNAs definiert werden, welche in direkter Verbindung zu der verwendeten Standard-CMOS-Technologie stehen. Mit Hilfe dieser Kenngrößen können die Technologiebedingten Grenzen für den Eingangsreflexionsfaktor und das Noise Figure bestimmt werden. Mit Hilfe einer numerischen Simulation werden die Kennzahlen des CG-LNAs ermittelt. Darauf basierend wird ein Algorithmus formuliert, mittels dessen unter Berücksichtigung der festgelegten Spezifikationen für den LNA (Noise Figure und Eingangsreflexionsfaktor) der optimale Inversionskoeffizient und die dazugehörige Weite bei minimalem Arbeitspunktstrom gefunden werden kann. Die durchgeführte Optimierung zeigt, dass der günstigste Arbeitspunkt im Bereich der moderaten Inversion liegt. Die durch die Optimierung gefundenen Designparameter werden bei der anschließenden schaltungstechnischen Realisierung verwendet und die Kennzahlen des LNAs durch eine Schaltungssimulation verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit liegt bei der Erweiterung des entwickelten CG-LNAs um eine variabel einstellbare Verstärkung. Dazu wird ein neues Konzept zur Verstärkungseinstellung vorgestellt und umgesetzt, welches darauf basiert den Arbeitspunktstrom abzusenken. Bei der schaltungstechnischen Umsetzung werden 16 verschiedene Verstärkungsstufen realisiert, wodurch die Verstärkung des LNAs in 1 dB Schritten reduziert werden kann (eine beliebige Stufung ist ebenfalls realisierbar). Der Arbeitspunktstrom wird dabei um fast eine Größenordnung reduziert. Durch Betrachtung des SNR-Ausgangsverhältnisses wird gezeigt, dass bei einer geringeren Verstärkungseinstellung sich keine Verschlechterung des SNR-Verhältnisses im Vergleich zur größten Verstärkungseinstellung ergibt. Der in dieser Arbeit vorgestellte optimierte CG-LNA kann zukünftig in Empfängern mit vergleichbaren Anforderungen eingesetzt werden. Die einstellbare Verstärkung mit gleichzeitig reduzierter Stromaufnahme stellt dabei eine wichtige Entwicklung dar, welche maßgeblich zur Verlängerung der Batterielebensdauer bei mobilen Geräten beiträgt