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dc.contributor.advisorBampi, Sergiopt_BR
dc.contributor.authorÁvila, Leandro Ávila dept_BR
dc.date.accessioned2019-07-18T02:41:45Zpt_BR
dc.date.issued2019pt_BR
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10183/197134pt_BR
dc.description.abstractShort-range data communications and microelectronics circuits design are distinct and important fields of knowledge and there are few points of convergence between them in academic research. In the academic literature of each field there are few inter-related works and it is sparse the cross-referencing between them. All equipment for communication systems uses integrated circuit (ICs), which indicates a key connection between these engineering fields. The Open System Interconnection reference model is devoted to describe the abstraction levels in layers with their components, known as OSI layers. The power profiles of the first and second levels (PHY and MAC) for data communication are among the main concerns of this work. The PHY level is associated with the hardware (microelectronic devices included), and the MAC concentrates the low-level strategies to control the medium access. The energy of the whole system can be minimized by performing direct control on the PHY and MAC layers and, in this sense, the interplay between them constitutes a cross-layer model. At the PHY level, where the integrated circuits design contributes with gains when the investigation of architectures, circuits and devices produce better hardware performance, specific tools are used to reach power reduction, representing a partial optimization of the model. At the MAC level, other aspects impact energy consumption and need to be assessed - for example, the duty cycle and algorithms to deal with fails in the communication process. In this work, the context where the data communication is employed is based on IEEE 802.15.6 standard, for wireless body area networks (WBANs) This work focuses mainly on the logic design of the forward error correction (FEC) coding and decoding hardware. The CODECs are embedded inside the transceivers, and these transceivers can be part of the nodes of a wireless sensor network. This research addresses the energy consumption model involving these modules. At the PHY level, the electrical UWB waveforms generated by the TX are also analyzed for better energy efficiency. This thesis covers three design aspects of the communication systems, which adheres to the 802.15.6 standard, and are at different layers, modeling the energy required in a cross-layer view. Namely, these aspects are: the way by which Ultra-Wideband (UWB) communication takes place with impulse modulation over the 3.1 GHz - 10.6 GHz bands, the relationship of the analytic equations of the energetic model concerning also the link budget, and the low-power hardware comparison, focusing on the FEC decoding hardware that was designed in this thesis. The contributions of the research include: i) the pulse-shaping and modulation analysis, with a PPM modulation, with 3 or more bits, using PSWF pulses for higher spectral and energy efficiencies; ii) the BCH FEC decoder, designed in CMOS VLSI, with demonstrated advantages over the QC-LDPC, as the latter consumes 3.76 times more power for similar coding and data rates; iii) the improvement of the cross-layer energy efficiency model for IR-UWB, and its simulation in the operating scenario with multiple nodes that adhere to the IEEE standard 802.15.6.en
dc.description.abstractSistemas de comunicação de dados de curto alcance no nível sistêmico e a microeletrônica são dois campos distintos e importantes do conhecimento, e normalmente são tratados separadamente nas pesquisas acadêmicas. O inter-relacionamento entre eles e as referências cruzadas são esparsas na bibliografia acadêmica especializada de cada campo. Todos os equipamentos para comunicação usam circuitos integrados, o que indica uma conexão intrínseca entre estes campos da engenharia. Na comunicação de dados, o modelo de Camadas OSI (Open System Interconnection Reference Model) possibilita a abstração em níveis, com seus componentes denominados em camadas. Os perfis de consumo energético para a primeira e segunda camadas (PHY e MAC) são temas principais deste trabalho. A camada física (nível 1, ou PHY) é diretamente associada ao hardware (incluindo os circuitos integrados), na qual o projeto ou design de chips é efetivamente utilizada, e o nível MAC concentra as estratégias de baixo-nível (em hardware/software) para controlar o acesso ao meio físico de transmissão/recepção. A energia consumida no sistema todo pode ser minimizada pelo controle direto nas camadas PHY e MAC, e, neste sentido, a relação entre estas constitui o modelo de multi-camadas (Cross- Layer). No nível PHY, no qual o projeto de circuitos integrados contribui com ganhos quando a investigação de arquiteturas, circuitos e dispositivos produz melhor desempenho do hardware, ferramentas específicas são usadas para obter redução de potência, representando então uma otimização parcial do modelo. Aspectos da camada de controle de acesso ao meio (nível 2, MAC) - como o ciclo de trabalho e os algoritmos para tratar com falhas no processo de comunicação, por exemplo - também são abordados para a constituição do modelo Cross-Layer que seja energeticamente eficiente.(Continua). Neste trabalho, a comunicação de dados é tratada no contexto das redes sem fio de abrangência corporal (WBAN) que aderem ao padrão IEEE 802.15.6. O projeto lógico de circuitos digitais CMOS para correção de erros à frente na comunicação (codificadores e decodificadores, ou codecs de FEC) é um foco deste trabalho. Os codecs são parte do hardware dos transceptores, e estes são parte dos nós de uma rede de sensores sem-fio. No nível PHY, as formas de ondas elétricas UWB geradas pelo TX são também analisadas para melhor eficiência energética. Esta tese cobre três aspectos do design do sistema de comunicação, que adere ao standard 802.15.6, e que estão em diferentes níveis, modelando o consumo energético numa abordagem Cross-Layer. Aspectos que estão relacionados à potência demandada no sistema, sendo eles: o formato pelo qual ocorre a comunicação em Ultra-Wideband (UWB), utilizando sinais em Rádio Frequência na faixa de 3,1 GHz até 10,6 GHz com modulação por impulso (IR-UWB), a correlação existente nas equações analíticas de um modelo energético (considerando-se o comportamento da potência do sinal no meio de propagação - atenuações e ganhos) e, por fim, a comparação da potência consumida pelo hardware low-power do decodificador de erros que foi projetado nesta tese com decodificadores alternativos. As contribuições do trabalho abrangem: i) a análise da modulação e pulse-shaping, com a modulação PPM, com 3 ou mais bits, usando pulsos PSWF para eficiência energética e espectral; ii) O decodificador FEC BCH, projetado em VLSI CMOS, com vantagens sobre o decodificador QC-LDPC, pois este consome 3,76 vezes mais potência para taxas de codificação similares; iii) o aperfeiçoamento de um modelo de eficiência energética "cross-layer"para o IR-UWB, e sua simulação em cenário de operação com múltiplos nodos aderentes ao standard IEEE 802.15.6.pt
dc.format.mimetypeapplication/pdfpt_BR
dc.language.isoengpt_BR
dc.rightsOpen Accessen
dc.subjectUltra-wide Banden
dc.subjectMicroeletrônicapt_BR
dc.subjectEnergy Efficiencyen
dc.subjectCircuitos integradospt_BR
dc.titleCross layer energy model of IR-UWB for short-range communication systemspt_BR
dc.title.alternativeModelo energético cross-layer de IR-UWB para sistemas de comunicação de curto alcance pt
dc.typeTesept_BR
dc.identifier.nrb001095872pt_BR
dc.degree.grantorUniversidade Federal do Rio Grande do Sulpt_BR
dc.degree.departmentInstituto de Informáticapt_BR
dc.degree.programPrograma de Pós-Graduação em Microeletrônicapt_BR
dc.degree.localPorto Alegre, BR-RSpt_BR
dc.degree.date2019pt_BR
dc.degree.leveldoutoradopt_BR


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