Diplomarbeit ? Konzeption und Evaluierung eines ... - CES

Energieverwaltung
4.1. Softwarearchitektur
Eine geschickte Verwaltung bzw. Minimierung des Energiebedarfs der einzelnen Knoten
ist, neben dem Design der Protokolle für einen energieeffizienten Betrieb des Sensornetzes,
unabdingbar.
Energie gespart werden kann, indem die CPU, der Funkchip oder beides in einen Energiesparmodus
versetzt wird. Die CPU selbst kann hierzu entweder (nahezu) vollständig
deaktiviert werden ( ” Power-Down-Mode“) oder in einen Schlafzustand ( ” Idle“) wechseln,
aus dem sie sehr schnell wieder aufwachen kann. Zusätzlich kann die Taktfrequenz
der jeweils aktuellen Aufgabe angepasst werden 10 . Der Funkchip verfügt ebenfalls über
einen Power-Down- und einen Idle-Modus. Als weitere Möglichkeit kann ein Wake-on-
Radio Modus gewählt werden, in dem der Funkchip eigenständig periodisch aufwacht,
das Medium abhört und – sofern ein Paket eingeht – die CPU über einen Interrupt
wecken kann. Geht während der Lauschphase kein Paket ein, wechselt der Funkchip
wieder zurück in den Power-Down-Mode.
Die Kombination aus Wake-on-Radio und Power-Down-Mode der CPU ist der Grundzustand,
der eine optimale Laufzeit bei gleichzeitiger Erreichbarkeit ermöglicht. Es ist
die Aufgabe der Anwendung, diesen Zustand so oft wie es nur möglich ist zu erreichen.
Der Funkchip signalisiert über einen Interrupt eingehende Daten und weckt hierüber
die CPU, um diese entgegenzunehmen und entsprechend zu verarbeiten. Durch den
jede Sekunde von der Echtzeituhr ausgelösten Interrupt wird der Prozessor überdies
regelmäßig geweckt. Liegt keine Aufgabe vor und ist keine Nachricht zu verschicken,
so wechselt die CPU sofort wieder in den Energiesparmodus. Die CPU wird somit nur
einmal pro Sekunde kurz geweckt, wenn keine Aktivitäten im Netz stattfinden.
Da zuerst die funktionalen Anforderungen des Netzes im Vordergrund standen, wurden
diese Energiesparmechanismen nicht alle vollständig integriert. Es sind – bis auf
die zur Nachbarschaftserkennung notwendige Bake – alle Funktionen darauf vorbereitet,
den Wake-on-Radio Mechanismus zu verwenden. Aufgrund der vielen notwendigen
Aufweckpakete führt dies jedoch bei mehreren Knoten, welche sich in gegenseitiger
Reichweite befinden, zu einer zu starken Belegung des Signalisierungskanals und somit
zu einer schlechten Gesamtperformance des Netzes. Um das Problem zu umgehen, sind
daher alle Knoten grundsätzlich empfangsbereit. Bei einem Wake-on-Radio Zyklus von
0,5 Sekunden müssen im Durchschnitt für 0,25 Sekunden Weckpakete geschickt werden,
bis der Partner geweckt ist. Bei einer Datenrate von 100kbps und einer mittleren
Paketgröße von 15 Byte für ein typisches Signalisierungspaket können stattdessen theoretisch
über 400 Signalisierungsvorgänge erfolgen! Der Prozessor wird jedoch dennoch,
wann immer keine Aufgaben zu bearbeiten sind, in einen Energiesparmodus versetzt.
Bei häufigem Verkehr auf dem Signalisierungskanal ist somit die Energieeffizienz höher,
1 ist jedoch ausgeschlossen.
10 Zur Wahl der Taktfrequenz stehen 10, 20 und 40 MHz zur Verfügung. Es hat sich jedoch herausgestellt,
dass für die reinen Sensorknotenaufgaben 10 MHz Takt ausreichend ist. Lediglich für
rechenintensive Aufgaben würde es sich ggf. lohnen, den Takt zu erhöhen!
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