A new wake-up receiver is proposed to reduce energy consumption and latency through adoption of two different data rates for the transmission of wake-up packets. To reduce the energy consumption, the start frame bits (SFBs) of a wake-up packet are transmitted at a low data rate of 1 kbps, and a bit-level duty cycle is employed for detection of SFBs. To reduce both energy consumption and latency, duty cycling is halted upon detection of the SFB sequence, and the rest of the wake-up packet is transmitted at a higher data rate of 200 kbps. The proposed wake-up receiver is designed and fabricated in a 0.18 um CMOS technology with a core size of 1850x1560 um2 for the target frequency range of 902 ~ 928 MHz. The measured results show that the proposed design achieves a sensitivity of -73 dBm, while dissipating an average power of 8.5 uW from a 1.8 V supply.
유비쿼터스 무선 센서 네트워크의 실현에서 가장 중요한 이슈사항은 저전력으로 센서노드를 구현하는 것이다. 그리고 이런 센서 노드에서 가장 전력소모를 많이 하는 것이 바로 무선 송수신기이며, 송수신기의 전력을 줄이기 위한 노력이 계속되어 진행되고 있다.
그 중에서 가장 많이 사용되는 방법이 바로 프로토콜에 근거한 듀티사이클링 방식이다. 이 방식은 메인 수신기가 항상 채널을 감시하는 방식이 아니라, 일정 순환 주기 중에서 동작 시간 동안에만 깨어나서 채널을 감시하고 나머지 시간은 휴먼모드로 동작하는 방식이다. 이 방식은 듀티사이클링이 적용되기 때문에, 저전력으로 동작한다는 장점을 갖지만, 네트워크 지연이 길어진다는 단점을 갖는다. 따라서 이런 문제점을 해결하기 위해서 리엑티브 웨이크업 수신기 기법이 도입되었다. 이 기법은 메인 수신기보다 저전력으로 동작하는 웨이크업 수신기가 메인 수신기를 대신하여 채널을 감시하는 방법을 나타낸다. 이 방식은 웨이크업 수신기가 항상 채널을 감시하기 때문에, 네트워크 지연이 줄어드는 장점을 갖지만, 웨이크업 신호가 채널에 없을때에도 항상 감시하기 때문에, 에너지 소모가 늘어난다는 단점을 갖는다. 따라서 다음과 같이 듀티사이클 기법이 적용된 웨이크업 수신기가 개발되었는데, 이 방법은 저전력으로 동작하는 웨이크업 수신기에 듀티사이클까지 적용되었기 때문에, 전력소모가 크게 줄어든다는 장점을 갖지만, 프로토콜 기반의 듀티사이클 기법과 마찬가지로 네트워크 지연이 길어진다는 단점을 가지고 있다. 따라서 지금까지 나왔던 기존의 접근들은 전력소모, 낮은 네트워크 지연을 모두 만족하는 접근 방식은 없다. 따라서 본 논문에서는 낮은 전력소모와 낮은 네트워크 지연을 모두 만족하는 새로운 형태의 웨이크업 수신기를 다음과 같이 제안하고자 한다.
제안하는 웨이크업 수신기는 크게 두가지 모드로 동작하는데, 첫번째는 채널에 웨이크업 패킷이 있는지 없는지의 여부를 탐지하는 monitoring (MO) 모드, 그리고 채널에 웨이크업 패킷이 있으면 그 패킷이 깨우고자 하는 수신기의 ID를 탐지하는 identification (ID) 모드로 동작한다. MO모드에서는 비트 단위의 듀티사이클 기법을 적용하여, 평균 전력소모를 줄이면서 높은 수신감도를 유지하고, ID모드에서는 듀티사이클을 멈추고, 높은 데이터레이트로 전송되는 ID신호를 수신, 빠르게 처리하여 네트워크 지연과 송신 측에서 소모되는 에너지를 줄이는 장점을 가져왔다.
위와 같은 새로운 형태의 웨이크업 수신기 시스템을 실제 회로로 구현하는데, 가장 기본적인 RF 다이오드 기반의 수신기 구조를 선택하였으며, 낮은 수신감도의 문제는 높은 이득을 갖는 증폭기를 이용하였고, 이에 따른 전력 소모의 증가는 비트 단위의 듀티사이클링 기법을 적용하여 평균 전력 소모를 줄였다. 또한 빠른 turn-off 시간을 갖기 위하여, 포락선 검파기와 1 비트의 ADC에 discharging 스위치를 적용하였으며, 빠른 turn-on 시간을 위해서는 바이어스 회로를 항상 동작, 바이어스 전압을 제공하여 MO모드에서의 동작이 가능하도록 설계하였다.
측정결과를 분석, 기존의 방법들과 비교하여 보면, 제안하는 웨이크업 수신기는 -73 dBm의 높은 수신감도를 갖고, 평균 전력소모는 8.4 uW의 전력을 소모하여 기존의 리엑티브 웨이크업 수신기 방식과 비슷한 수신감도를 가지면서도 5배나 더 적은 전력을 소모한다는 것을 확인 할 수 있고, 네트워크 지연은 8.1 ms로 기존의 듀티사이클이 적용된 웨이크업 수신기 방식보다 100배나 더 빠르다는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 제안하는 웨이크업 수신기는 낮은 전력소모와 빠른 네트워크 지연 그리고 송신측에서의 낮은 에너지 소모를 모두 실현이 가능한 통합된 솔루션을 제안하고 있다.
