Skip to main content
SUPERVISOR
Majid Nabi
مجید نبی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hamid Rahimian Kalatehbali
حمید رحیمیان کلاته بالی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Design, Implementation, and Evaluation of TSCH Hardware Accelerator in IEEE 802.15.4 Standard Transceiver
Nowadays, the internet as one of the most popular tools in the world has provided an extensive connection of resources described as the Internet of Things (IoT). Wireless Sensor Networks (W) are used as the communication network in many applications in various domains including industrial automation, smart buildings, and health-care. These networks consist of many wireless sensor nodes that have limitations on power consumption, transmission range, and form factor. They are deployed in an environment to perform data processing and sensing the environment. Usually, these sensors are powered by batteries. It is difficult and challenging to recharge or change the batteries after they deplete. The IEEE 802.15.4 standard is one of the most important standards for these networks because of its low data rate, low power consumption and low cost features, which could coexist in the ISM band along with other standards. A node of this standard, due to its low power and low cost features typically uses embedded processors with limitations in processing power and memory, which makes it challenging to provide processing needs of applications with complex protocol stack. If it does, all the processing power and memory would be consumed to implement the protocol stack and then there would be no resources left to run other processing needs. In order to overcome these limitations, the clock speed of the processor can be increased, or a more powerful processor should be used. In such cases, the power consumption and the cost of the node would increase greatly. One of the approaches of various companies in this field, such as NXP, is to transfer some of the protocol stack tasks to the hardware in order to reduce the processing workload of the processor. The TSCH mechanism is one of the IEEE 802.15.4 standard operating modes, developed for noisy industrial environments. It uses time-slots and channel hopping to overcome the effects of multi-path fading and external interference. This mechanism imposes a high workload on the processor due to its precise schedules. By transferring this mechanism from the software running on the micro-controller to hardware, processor workload could be reduced. Moreover, if internal network collisions are prevented, they could lead to reduced retransmission, which results in increased throughput and overall improvement in power consumption. In this research, two main tasks are taken into consideration. First, the digital baseband processor of IEEE 802.15.4 standard has been designed and implemented to be used as a platform for adding TSCH mechanism. Secondly, TSCH mechanism has been designed and implemented in hardware to be used as an accelerator in baseband processors. Lastly, the integration of the TSCH accelerator and digital baseband processor has been synthesised in TSMC 65nm technology. The results include resource utilization and power consumption, which contain the information needed 78 to implement the IEEE 802.15.4 standard operating mode in hardware so that in the minimum setting of this mechanism, only 0.1% has been added to the power consumption of the digital baseband processor. Key Words: IEEE 802.15.4, TSCH MAC Accelerator, Internet of Things
امروزه اینترنت به عنوان ی?? از محبوب ترین ابزارهای جهان? ،ارتباطات گسترده ای از اشیاء را به اینترنت فراهم کرده است که منجر به ایجاد واژه جدیدی به نام اینترنت اشیاء شده است. شب?ه های حس?ر بی سیم با پوشش طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی از جمله کاربردهای صنعت?، نظام? ،بهداشت? و بسیاری از کاربردهای دی?ر توانسته است به زیربنای مهم اینترنت اشیاء تبدیل شود. این شب?ه ها از تعداد بسیار زیادی گره حس?ر بی سیم تش?یل شده اند که دارای محدودیت هایی در مصرف انرژی، برد ارسال? و اندازه گره ها هستند و برای سنجش و انجام پردازش داده ها، در محیط پراکنده م? شوند. این حس?رها بطور معمول از باتری تغذیه م? کنند و پس از اتمام باتری، به دلیل پراکندگ? حس?رها شارژمجدد و تعویض باتری ها بسیار مش?ل م? شود. استاندارد 4.15.802 IEEE ،با ویژگ? های نرخ ارسال پایین، کم توان بودن و ارزان بودن ی?? از استانداردهای مطرح برای این شب?ه ها است که م? تواند در فرکانس آزاد 4GHz.2 در کنار استاندارد های دی?ر فعالیت کند. گره ها در این استاندارد به دلیل کم توان بودن و ارزان قیمت بودن بطور معمول از پردازنده ای استفاده م? کند که دارای محدودیت هایی در توان پردازش? و حافظه است و نم? تواند نیاز پردازش? برنامه های کاربردی با پشته پروتکل پیچیده را فراهم کند و یا تمام توان پردازش? و حافظه در پیاده سازی پشته پروتکل مصرف م? شود و منابع کاف? برای اجرای پردازش های دی?ر برنامه کاربردی باق? نم? ماند. در جهت رف این محدودیت ها م? توان سرعت کلاک پردازنده را افزایش داد و یا از پردازنده قوی تر و یا چندپردازنده در کنار هم استفاده کرد که در این حالت میزان توان مصرف? و قیمت گره بسیار افزایش م? یابد. ی?? از روی?ردهای شرکت های مختلف این حوزه مانند NXP در جهت کاهش مشغول بودن پردازنده، انتقال برخ? از کارهای پشته پروتکل به سخت افزار و انجام آن ها بصورت شتاب دهنده سخت افزاری است. م?انیزم زمان شیاربندی شده با پرش فرکانس?) TSCH (ی?? از حالتهای عمل?ردی استاندارد 4.15.802 IEEE است که برای محیط های صنعت? و پرنویز توسعه داده شده است تا با استفاده از زمان شیاربندی (slotted-Time (شده و پرش فرکانس?) Hopping Channel (بتواند بر اثرات تداخل (Interference (و محوشدگ? چند مسیره (Fading path-Multi (غلبه کند. این م?انیزم به علت داشتن زمان بندی های بسیار دقیق، پیچیدگ? طراح? نرم افزار را افزایش داده و پردازنده را بسیار مشغول م? کند که با انجام این م?انیزم در سخت افزار م? توان بارپردازش? پردازنده را کاهش داد. و با جلوگیری از تصادم داخل? شب?ه، منجر به کاهش ارسال مجدد و در نتیجه افزایش پهنای باند و بطورکل? بهبود در توان مصرف? شد. در این پژوهش دو کار عمده انجام گرفته است، ابتدا پردازش?ر باندپایه استاندارد 4.15.802 IEEE طراح? و پیاده سازی شده است تا به عنوان بستری برای افزودن م?انیزم TSCH از آن استفاده شود. سپس م?انیزم TSCH در سخت افزار طراح? و پیاده سازی شده است تا به عنوان شتاب دهنده در پردازش?ر باندپایه عمل کند. در نهایت با ی?پارچه سازی شتاب دهنده م?انیزم TSCH و باندپایه دیجیتال، و سنتز آن با تکنولوژی 65nm TSMC ،نتایج? از جمله توان و منابع مصرف? بدست آمده است که حاوی اطلاعات مورد نیاز برای پیاده سازی این حالت عمل?ردی استاندارد 4.15.802 IEEE در سخت افزار است بطوری که در حداقل? ترین حالت تنظیم این م?انیزم فقط %1.0 به توان مصرف? افزوده شده است. واژه های کلیدی: 1 ?استاندارد 4.15.802 IEEE 2 ?شتاب دهنده سخت افزاری TSCH 3 ?اینترنت اشیاء

ارتقاء امنیت وب با وف بومی