La consommation des systèmes de communication pour l'IoT peut être réduite grâce à un nouveau paradigme de réception radio. La technique consiste à ajouter un récepteur supplémentaire à chaque noeud IoT, appelé Wake Up Radio (WU-RX). Le rôle du WU-RX est de surveiller le canal de communication et de réveiller le récepteur principal (aussi appelé récepteur de données) lors de la réception d'une demande de communication. Une analyse des implémentations des WU-RX existants montre que les systèmes de l'état de l'art sont suffisamment sensibles par rapport aux récepteurs de données classiques mais manquent de robustesse face aux brouilleurs. Pour améliorer cette caractéristique nous proposons un étage de filtrage accordable `a fréquence intermédiaire qui nous permet de scanner toute la bande FI en cherchant le canal utilisé pour la demande de réveil. Ce filtre a été implémenté en utilisant les principes du traitement numérique de données à temps continu et consiste en un CAN suivi par un processeur numérique à temps continu. Le principe de fonctionnement du CAN est basé sur les modulateurs delta, avec une boucle de retour améliorée qui lui permet la quantification des signaux de fréquence plus élevé pour une consommation énergétique plus faible. Par conséquent, il a une plage de fonctionnement entre 10MHz et 50MHz ; pour un SNDR entre 32dB et 42dB et une consommation de 24uW. Cela se traduit par une figure de mérite entre 3fJ/conv-step et 10fJ/conv-step, une des meilleures pour la gamme de fréquences sélectionnée. Le processeur numérique est constitué d'un filtre IIR suivi par un filtre FIR. L'atténuation hors bande apportée par le filtre IIR permet de réduire le taux d'activité vu par le filtre FIR qui, par conséquent, consomme moins d'énergie. Nous avons montré, en simulation, une réduction de la puissance consommée par le filtre FIR d'un facteur entre 2 et 3. Au total, les deux filtres atteignent plus que 40dB de réjection hors bande, avec une bande passante de 2MHz qui peut être délacée sur toute la bande passante du CAN. Dans un pire cas, le système proposé (CAN et processeur numérique) consomme moins de 100uW, cependant la configuration des signaux à l'entrée peut rendre cette consommation plus faible. / Wake-Up Receivers (WU-RX) have been recently proposed as candidates to reduce the communication power budget of wireless networks. Their role is to sense the environment and wake up the main receivers which then handle the bulk data transfer. Existing WU-RXs achieve very high sensitivities for power consumptions below 50uW but severely degrade their performance in the presence of out-of-band blockers. We attempt to tackle this problem by implementing an ultra low power, tunable, intermediate frequency filtering stage. Its specifications are derived from standard WU-RX architectures; it is shown that classic filtering techniques are either not tunable enough or demand a power consumption beyond the total WU-RX budget of 100uW. We thus turn to the use of Continuous Time Digital Signal Processing (CT-DSP) which offers the same level of programmability as standard DSP solutions while providing an excellent scalability of the power consumption with respect to the characteristics of the input signal. A CT-DSP chain can be divided into two parts: the CT-ADC and the CT-DSP itself; the specifications of these two blocks, given the context of this work, are also discussed. The CT-ADC is based on a novel, delta modulator-based architecture which achieves a very low power consumption; its maximum operation frequency was extended by the implementation of a very fast feedback loop. Moreover, the CT nature of the ADC means that it does not do any sampling in time, hence no anti-aliasing filter is required. The proposed ADC requires only 24uW to quantize signals in the [10MHz 50MHz] bandwidth for an SNR between 32dB and 42dB, resulting in a figure of merit of 3-10fJ/conv-step, among the best reported for the selected frequency range. Finally, we present the architecture of the CT-DSP which is divided into two parts: a CT-IIR and a CT-FIR. The CT-IIR is implemented by placing a standard CT-FIR in a feedback loop around the CT-ADC. If designed correctly, the feedback loop can now cancel out certain frequencies from the CT-ADC input (corresponding to those of out-of-band interferers) while boosting the power of the useful signal. The effective amplitude of the CT-ADC input is thus reduced, making it generate a smaller number of tokens, thereby reducing the power consumption of the subsequent CT-FIR by a proportional amount. The CT-DSP consumes around 100uW while achieving more than 40dB of out-of-band rejection; for a bandpass implementation, a 2MHz passband can be shifted over the entire ADC bandwidth.

Abstract This thesis proposes cross-layer approaches which enable to improve energy efficiency of wireless sensor networks and wireless body area networks (WSN & WBAN). The focus is on the physical (PHY) and medium access control (MAC) layers of communication protocol stack and exploiting their interdependencies. In the analysis of the PHY and MAC layers, their relevant characteristics are taken into account, and cross-layer models are developed to study the effect of these layers on energy efficiency. In addition, cross-layer analysis is applied at the network level by addressing hierarchical networks' energy efficiency. The objective is to improve energy efficiency by taking into account that substantial modifications to current standards and techniques are not required to take advantage of the proposed methods. The studied scenarios of WSN take advantage of the wake-up radio (WUR). A generic WUR-based MAC (GWR-MAC) protocol with objective to improve energy efficiency by avoiding idle listening is proposed. First, the proposed cross-layer model is developed at a general level and applied to study the forward error correction (FEC) code rate selection effect on the length of the transmission period and energy efficiency in a star topology network. Then an energy efficiency model for intelligent hierarchical architecture based on GWR-MAC is proposed and performance comparison with a duty-cycle radio (DCR) approach is performed. Interactions between different layers' devices are taken into account, and the WUR and DCR approaches are compared as a function of event frequency. The third cross-layer model focuses on the effect of the FEC code rate and data packet payload length on the energy efficiency of the IEEE Std 802.15.6-based WBANs using IR-UWB PHY. The results acquired by using analytical modelling and simulations with the Matlab software clearly illustrates the potential energy gains that can be achieved with the proposed cross-layer approaches. The developed WUR-based MAC protocol, analytical models and achieved results can be exploited by other researchers in the WSN and WBAN field. The contribution of this thesis is also to stimulate further research on these timely topics and foster development of short-range communication, which has a crucial role in future converging networks such as the Internet of Things. / Tiivistelmä Tässä väitöskirjassa ehdotetaan protokollakerrosten välistä tietoa hyödyntäviä (cross-layer) lähestymistapoja, jotka mahdollistavat energiatehokkuuden parantamisen langattomissa sensori- ja kehoverkoissa. Työ kohdistuu fyysisen- ja kanavanhallintakerroksen välisen vuorovaikutuksen tutkimiseen. Fyysisen- ja kanavanhallintakerrosten analyysissä huomioidaan niiden tärkeimmät ominaisuudet ja tutkitaan kerrosten yhteistä energiatehokkuutta. Lisäksi kerrosten välistä analyysiä sovelletaan verkkotasolle tutkimalla hierarkkisen verkon energiatehokkuutta. Tavoitteena on energiatehokkuuden parantamisen mahdollistaminen siten, että merkittäviä muutoksia nykyisiin standardeihin ja tekniikoihin ei tarvitse tehdä hyödyntääkseen ehdotettuja menetelmiä. Tutkitut sensoriverkkoskenaariot hyödyntävät heräteradiota. Väitöskirjassa ehdotetaan geneerinen heräteradiopohjainen kanavanhallintaprotokolla (GWR-MAC), jolla parannetaan energiatehokkuutta vähentämällä turhaa kanavan kuuntelua. Kerrosten välinen malli kehitetään ensin yleisellä tasolla ja sen avulla tutkitaan virheenkorjauskoodisuhteen valinnan vaikutusta lähetysperiodin pituuteen ja energiatehokkuuteen tähtitopologiaan pohjautuvissa sensoriverkoissa. Sitten väitöskirjassa ehdotetaan energiatehokkuusmalli älykkäälle GWR-MAC -protokollaan perustuvalle hierarkkiselle arkkitehtuurille ja sen suorituskykyä vertaillaan toimintajaksoperiaatteella toimivaan lähestymistapaan. Eri kerroksilla olevien laitteiden väliset vuorovaikutukset huomioidaan heräteradio- ja toimintajaksoperiaatteella toimivien verkkojen suorituskykyvertailussa tapahtumatiheyden funktiona. Kolmas malli kohdistuu virheenkorjauskoodisuhteen ja datapaketin hyötykuorman pituuden energiatehokkuusvaikutuksen tutkimiseen IEEE 802.15.6 -standardiin perustuvissa langattomissa kehoverkoissa. Analyyttinen mallinnus ja Matlab-ohjelmiston avulla tuotetut simulointitulokset osoittavat selvästi energiatehokkuushyödyt, jotka saavutetaan ehdotettuja menetelmiä käyttämällä. Kehitetty GWR-MAC -protokolla, analyyttiset mallit ja tulokset ovat hyödynnettävissä sensori- ja kehoverkkotutkijoiden toimesta. Tämän väitöskirjan tavoitteena on myös näiden ajankohtaisten aiheiden jatkotutkimuksen stimulointi sekä lyhyen kantaman viestinnän kehityksen vauhdittaminen, sillä niillä on erittäin merkittävä rooli tulevaisuuden yhteen liittyvissä verkoissa, kuten esineiden ja asioiden Internetissä.

Abstract Wireless sensors play a bigger and bigger role in our everyday life and they have become a part of our life in homes, vehicles, traffic, food production and healthcare, monitoring and controlling our activities. Low-cost and resource-efficient solutions are an essential part of this development. The aim of the study was to develop solutions, which improve the energy efficiency of wireless sensor networks yet still fulfil the requirements of monitoring applications. In the study, five new solutions were developed to save energy in wireless sensor networks and all the solutions were studied and verified with test bed implementations. The developed solutions are: 1. Energy-efficient medium access control (MAC), namely revive MAC (R-MAC) for duty-cycling networks with a long sampling interval (many minutes) 2. Wake-up radio solution for on-demand sampling networks, which uses the main radio as the wake-up transmitter 3. Energy-efficient internet of things (IoT) routing solution for wake-up routing with a routing protocol for low-Power and lossy networks (RPL) 4. Energy-efficient IoT compression solution: robust header compression (ROHC) compression with constrained application protocol (CoAP) 5. Data analysis solution based on an energy-efficient sensor node, where filter clogging is forecast from analysis of the vibration data at the node. All the developed solutions were promising and can be utilized in many domain areas. The solutions can be considered as proofs of concept, which need to be developed further for use in final products. / Tiivistelmä Langattomat sensoreilla on yhä suurempi osuus jokapäiväisessä arjessa, jossa langattomat sensorit ovat tulleet osaksi kodin, autojen, ruuantuotannon sekä terveyden valvonta- ja seurantajärjestelmiä. Oleellisena osana tätä kehitystä ovat sekä edulliset että energia- ja resurssitehokkaat ratkaisut. Työn päämääränä oli kehittää ratkaisuja, jotka parantavat langattoman sensoriverkon energia tehokkuutta niin, että edelleen täytetään monitorointi sovellutusten asettamat vaatimukset. Työssä kehitettiin viisi uutta ratkaisua säästää energiaa langattomissa sensoriverkoissa ja kaikki ratkaisut tutkittiin ja varmennetiin työssä tehdyillä testi alustoilla. Kehitetyt ratkaisut ovat: 1. Energiatehokas alempi siirtoyhteyskerroksen protokolla (medium access control, MAC), nimittäin heräävä MAC (Revive MAC, R-MAC) jaksoittain toimiville (duty-cycling) verkoille, joissa on pitkät mittausvälit (useita minuutteja). 2. Heräteradioratkaisu (wake-up) pyynnöstä toimiville (on-demand) verkoille, joissa pääradiota käytetään heräte signaalin lähettämiseen. 3. Energiatehokas esineiden internetin (Internet of Things, IoT) reititysratkaisu herätereititykseen käyttäen matalatehoisille ja häviöllisille verkoille suunniteltua reititysprotokollaa (Routing protocol for low-Power and Lossy networks, RPL). 4. Energiatehokas IoT-pakkausratkaisu: varmatoiminen otsakkeen pakkausprotokolla (Robust Header Compression, ROHC) yhdessä rajoitettujen sovellusten protokollan (Constrained Application Protocol, CoAP) kanssa. 5. Energiatehokas sensorilaite perusteinen data prosessointi ratkaisu suodattimen tukkeutumisen ennustamiseen värähtelymittauksia käyttäen. Kaikki kehitetyt ratkaisut olivat lupaavia ja niitä voidaan käyttää useilla sovellutusalueilla. Ratkaisut ovat soveltuvuusselvityksiä (proof of concept), joita pitää kehittää edelleen loppu tuotteiden käyttöön.