Title: Ultra-low power wake-up receiver for wireless sensor networks
Language: English
Authors: Hambeck, Christian 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Empfänger; Funksensornetzwerk; analoge Korrelation; integrierter Schaltkreis
wake-up receiver; wireless sensor network; ultra-low power; ASIC; analog correlation
Advisor: Dietrich, Dietmar 
Assisting Advisor: Dimond, Keith 
Referee: Mahlknecht, Stefan
Issue Date: 2011
Number of Pages: 127
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Energieverbrauch und damit Lebensdauer spielt für Funksensornetzwerke eine zentrale Rolle. Üblicherweise kommunizieren und arbeiten Netzwerkknoten mit sehr kleinem Tastverhältnis, weshalb diese überwiegend im Standby Betrieb verharren. In herkömmlichen Funksensornetzwerken müssen Empfänger entweder ständig für einen möglichen Datenempfang aktiv sein, oder es werden Kommunikationsprotokolle zur Netzwerksynchronisation mit all ihren Nachteilen und Schwierigkeiten eingesetzt, um den Leistungsverbrauch zu reduzieren.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem spezialisierten Empfänger, einem sogenannten "Wake-up Receiver", der trotz seines sehr geringen Leistungsverbrauchs eine hohe Reaktionsfähigkeit des Netzwerks ermöglicht. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf Design und Umsetzung eines Empfängerkonzepts, wobei die wichtigsten Aspekte signifikante Reduktion des Leistungsverbrauchs und gesteigerte Empfindlichkeit im Vergleich zu bisherigen Lösungen sind. Aufbauend auf einer Weiterentwicklung vorangegangener Arbeiten am Institut für Computertechnik wurde ein voll integrierter Wake-up Receiver in 130nm CMOS Technologie gefertigt. Die Simulations- und Messergebnisse werden präsentiert und diskutiert. Die erreichte Gesamtleistungsaufnahme von nur 2,4µW bei einer Empfangsempfindlichkeit von -71dBm entspricht einer Steigerung gegenüber aktuellem Stand der Technik um etwa eine Zehnerpotenz. Somit hat dieses innovative Empfängerkonzept großes Potential für zahlreiche neuartige Einsatzmöglichkeiten und zukünftige Anwendungsbereiche mit sehr geringem Leistungsbedarf.

Energy consumption and therefore lifetime plays a central role for wireless sensor networks. Usually, sensor nodes communicate and operate with very low duty cycle. So most of the time, they remain in standby mode. In common wireless sensor networks, the receivers either have to listen for incoming data packets all the time and stay powered, or the whole network is operated via scheduling communication protocols with all their drawbacks and difficulties in order to reduce power consumption.
This thesis deals with a specialized receiver, called "Wake-up Receiver", that allows for high network reactivity in spite of its ultra-low power consumption. The focus is put on design and implementation of a receiver concept with the goal of significantly reduced power consumption and increased sensitivity when compared to present solutions. Based on enhancements of previous work at the Institute of Computer Technology, a full integrated wake-up receiver was realized in 130nm CMOS technology. Simulation and measurement results are presented and discussed. The achieved overall power consumption of only 2.4µW at a receive sensitivity of -71dBm represents an improvement of about one order of magnitude when compared with state-of-the-art.
Hence, this innovative receiver concept has high potential for numerous novel use cases and future application fields with ultra-low power demand.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-43704
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9410
Library ID: AC07811038
Organisation: E384 - Institut für Computertechnik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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