Hartung-Gorre Verlag

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S

Series in Microelectronics

edited by       Qiuting Huang

Andreas Schenk

Mathieu Maurice Luisier

Bernd Witzigmann

Vol. 233

 

 

 

 

 

David Emanuel Bellasi,

 

Toward Energy-Proportional

Compressive Sensors.

 

2018. XVI, 236 pages. € 64,00

ISBN 978-3-86628-618-4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Contents

 

Abstract short:

 

The vision of the Internet of things (IoT) entails connecting all possible objects to the Internet for remote monitoring and actuation. Its realization requires sensing devices that are highly optimized in terms of performance, size, cost, and energy-efficiency. Compressive sensing (CS) is a signal acquisition method that fuses sampling and compression in a single procedure, and thereby potentially reduces the energy cost of acquisition and transmission of information with respect to the conventional combination of Nyquist-rate sampling and digital data compression. The focus of this thesis is the quantitative assessment of the quality/compression trade-off, the hardware complexity and power consumption of CS-based signal acquisition systems for typical low-rate IoT sensor applications, such as biomedical and environmental monitoring. The investigations are conducted employing both mathematical models as well as measurements from prototype mixed-signal system-on-chips (SoC). An 8-channel compressive biomedical signal acquisition SoC in 130 nm CMOS, and a compressive current sensing SoC in 160 nm CMOS have been developed, were fabricated and measured for this purpose.

 

 

Abstract long:

 

The vision of the Internet of things (IoT) entails the connection of all possible objects to the Internet for the purpose of monitoring and actuation, and its realization requires sensing devices that are highly optimized in terms of performance, size, cost, and energy-efficiency. The IoT is one of the main drivers for the exponential growth of the number of wireless electronic devices produced and sold worldwide. To ensure the economic and ecologic feasibility of the IoT, in addition to the improvement of known techniques to acquire, process, and communicate information, the pursuit of innovative and unconventional methods is needed.

 

Compressive sensing (CS) was proposed as a groundbreaking signal acquisition method that fuses sampling and compression in a single procedure, and thereby potentially reduces the energy cost of both acquisition and transmission of information with respect to the conventional combination of Nyquist-rate sampling and digital data compression. The theory of CS — due to much excited research activity in the past years — has reached a certain maturity, whereas the knowledge about the performance and limitations of CS in practical applications and under real-world conditions is still fragmentary and not well consolidated.

 

The goal of this thesis is the quantitative assessment of the quality/compression trade-off, the hardware complexity and power consumption of CS-based signal acquisition systems for typical low-rate IoT sensor applications, such as biomedical and environmental monitoring. Related work in the field was primarily concerned with demonstrating the potential of CS with respect to conventional signal acquisition producing uncompressed data. In contrast, in this thesis the performance of CS techniques is confronted with the performance of well-established conventional compression techniques under realistic conditions. The investigation is conducted empirically, analyzing compressive sensor systems based not only on mathematical models but based on measurement results from fabricated prototypes of integrated mixed-signal sensor systems.

 

In the first part of this thesis, the theory of CS is reviewed with emphasis on theoretical bounds relevant for its practical application, limitations are identified, and possible remedies are proposed. The advantages and disadvantages of different CS signal acquisition modalities based on analog or digital signal processing are contemplated — both on theoretical and empirical grounds — and the difference between them in terms of quality/compression trade-off is quantified.

 

In a second part, mathematical power estimation models for compressive sensors are developed and employed to quantify the energy-efficiency of different compressive sensor architectures. The scope of the discussion is extended from the confrontation of different CS implementations to the comparison of CS-based and conventional compression methods on the system-level of abstraction.

 

The subject of a third part is the empirical verification of the observations and results of the first two parts in the context of two application case studies which are biomedical signal acquisition for healthcare applications and current sensing for building and industrial monitoring. Both case studies revolve around corresponding prototypes of mixed-signal compressive sensor system-on-chips (SoCs) that allow physical measurements and performance tests to be conducted under real-world conditions. The prototypes are an 8-channel compressive biomedical signal acquisition SoC fabricated in a 130nm CMOS technology, and a compressive current sensing SoC realized in a 160nm CMOS technology.

 

In the last part of this thesis, an innovative idea — called transient clocking — aimed at improving the energy-efficiency of the system toward the ultimate goal of energy-proportionality. Transient clocking denotes the attempt to operate a highly duty-cycled (sensor) system already during the power on transient phase, reducing its active on-time. To enable integrated compressive sensors to leverage the concept of transient clocking, an on-chip clock synthesizer based on a frequency-locked loop is designed. Two prototypes fabricated in a 65nm and in a 28nm CMOS technology are presented, and mark an important step toward energy-proportional sensor systems.

 

Zusammenfassung:

 

Das Internet der Dinge (IoT) bezeichnet die Vision der Vernetzung aller möglicher Waren und Objekte mit dem Internet zum Zweck der Überwachung und Kontrolle. Für dessen Umsetzung werden möglichst kleine, kostengünstige und energieffiziente Sensoren benötigt. Das IoT ist eine der Triebkräfte hinter dem exponentiellen Wachstum der Anzahl weltweit produzierter und verkaufter, drahtlos verbundener Geräte. Um die ökonomische und ökologische Umsetzbarkeit des IoT zu ermöglichen, ist nicht nur die Verbesserung bekannter Methoden zur Erfassung, Verarbeitung und Übermittlung von Daten nötig, sondern auch die Erforschung innovativer und unkonventioneller Methoden.

 

Compressive Sensing (CS) gilt als eine Methode der letzteren Art, weil sie Datenerfassung und Datenkompression in einer einzigen Prozedur vereint und damit potentiell die Energiekosten von Datenerfassung und Datenübermittlung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, basierend auf Nyquistratensignalabtastung und digitaler Datenkompression, senken kann. Die CS-Theorie ist dank intensiver Forschung in den letzten Jahren zur Maturität gelangt. Das Wissen um die Leistungsfähigkeit und Beschränkungen in praktischen Anwendungen ist noch nicht gefestigt und lückenhaft.

 

Das Ziel dieser Dissertation ist die quantitative Auswertung der Leistungsfähigkeit von CS-basierten Sensorsystemen in typischen IoT Anwendungen wie beispielsweise die Erfassung von biomedizinischen Signalen und von Umweltmesswerten. Dazu gehört insbesondere die Untersuchung des Verhältnisses zwischen Qualität und Komprimierungsrate, aber auch der Hardwarekomplexität und der Leistungsaufnahme. Wissenschaftliche Arbeiten mit ähnlichem Thema waren hauptsächlich darauf bedacht, die Vorteile von CS gegenüber herkömmlicher Datenerfassung ohne anschliessender Komprimierung aufzuzeigen. Im Gegensatz dazu wird in dieser Dissertation die Leistungsfähigkeit von CS mit etablierten Methoden zur Datenkomprimmierung unter realen Bedingungen verglichen. Die Analyse basiert auf experimentellen Erhebungen, sowohl abgestützt auf mathematische Modelle als auch unter Verwendung von Messresultaten integrierter Sensorsystemprototypen.

 

Der erste Teil dieser Arbeit besteht aus einer übersicht über die Grundlagen der CS-Theorie mit speziellem Augenmerk auf theoretische Abschätzungen, welche praktische Relevanz für die Verwendung von CS haben. Anwendungsbezogene Beschränkungen werden identifiziert und mögliche Mittel werden vorgeschlagen um diesen entgegenzuwirken. Die Vor- und Nachteile unterschiedlicher CS-basierter Datenerfassungsmethoden werden erörtert und unter Berücksichtigung des Qualitäts/Komprimierungs-Verhältnisses gegeneinander abgewogen.

 

Im zweiten Teil werden mathematische Modelle zur Abschätzung der Leistungsaufnahme von Sensorsystemen mit integrierter Datenkomprimierung entwickelt. Diese werden dann für die Quantifizierung der relativen Energieeffizienz von unterschiedlichen CS-basierten und konventionellen Komprimierungsverfahren auf Systemebene verwendet.

 

Gegenstand des dritten Teils ist die experimentelle Verifizierung der Resultate aus den ersten beiden Teilen. Die Experimente werden im Rahmen zweier Anwendungsfallstudien durchgeführt, von welchen die eine biomedizinische Signalerfassung zum Ziel hat, während die andere aus der kontaktlosen Messung von elektrischen Strömen für industrielle Zwecke besteht. Um die Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen messen zu können, wurden für beide Anwendungen je ein Prototyp System-on-Chip (SoC) entwickelt und hergestellt: einerseits ein 8-Kanal biomedizinisches SoC mit CS-basierter Datenkomprimierung in einer 130nm CMOS Technologie, und andererseits ein SoC in einer 160nm CMOS Technologie für kontaklose Strommessung, ebenfalls mit CS-basierter Datenkomprimierung.

 

Im letzten Teil dieser Dissertation, wird ein innovatives Verfahren mit der Bezeichnung transient clocking vorgeschlagen, welches auf integrierte Systeme anwendbar ist, die in zyklischem Ein-/Ausschaltbetrieb arbeiten. Das Verfahren besteht darin, das System bereits während der übergangsphase vom aus- zum eingeschalteten Zustand und umgekehrt zu betreiben, was zu einer Reduktion der Zeitdauer führt, in der das System Energie verbraucht. Dadurch wird eine Energieeffizienzsteigerung erzielt und die proportionale Abhängigkeit von Energieverbrauch und geleisteter Arbeit verstärkt. Um transient clocking in integrierten Systemen zur Anwendung zu bringen, wurde ein geeigneter Tacktgenerator, basierend auf einer Frequenzregelschleife, entwickelt und in zwei unterschiedlichen Technologien (28nm CMOS und 65nm CMOS) hergestellt und getestet. Die beiden Prototypen stellen einen entscheidenden Schritt in Richtung energie-proportional arbeitender Sensorsysteme dar.

 

 

About the Author:

 

David Emanuel Bellasi was born in Switzerland in 1981. He received his MA degree in architecture from Universita` della Svizzera italiana (USI), Switzerland, his MSc degree in electrical engineering and information technology from ETH Zurich, Switzerland, in 2007 and 2013, respectively. In 2013, he joined the Integrated Systems Laboratory at ETH Zurich as a research assistant in the group of Prof. Luca Benini.

 

 

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