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    Chair of Computer Science V - Computer Engineering

    Seminar: Sensornetze (WS2011/12)

    Übersicht

    Ein eingebettetes System (engl. embedded system) ist ein informationsverarbeitendes System, das aus Hard- und Software besteht und in einen technischen Kontext eingebunden (eingebettet) ist.  Diese komplexen Systeme haben aufgrund ihrer hohen Integrationsdichte mittlerweile - und für den Benutzer weitestgehend unsichtbar - in zahlreiche Produkte des täglichen Bedarfs Einzug gehalten, etwa in Haushaltsgeräte, Automobile oder Unterhaltungselektronik. Ihr primärer Zweck liegt dabei aber meist nicht in der Verarbeitung und Aufbereitung von Information, sondern vielmehr sind diese "Kleinrechner" zuständig für die Steuerung, Regelung oder Überwachung des Systems, in dem sie eingebettet sind, oder sie sorgen für die Filterung und (De)Codierung von Daten bzw. Signalen.

    Aufgrund ihres zahlreichen Einsatzes und ihrer immer wichtiger werdenden Vernetzung (sowohl untereinander als auch mit ihrer Umgebung), kann die Entwicklung, Überwachung, Kontrolle und Anpassungsfähigkeit eingebetteter Systeme nicht nur sehr komplex, sondern mit bisherigen (analytischen) Methoden und Algorithmen sogar unmöglich werden. Daher versucht man aus der Natur bekannte Techniken und Verhaltensmuster von z.B. Staatenbildenden Insekten oder Vogelschwärmen unter den Begriffen Selbstorganisation und Organic Computing so zu adaptieren, dass die Probleme dieser vernetzten eingebetteten Systeme selbst mit einer großen Anzahl von Teilnehmern handhab- und lösbar werden. Zu den erhofften Fähigkeiten dieser naturnahen bzw. naturanalogen Verfahren gehören u.a. Skalierbarkeit, Adaptation, Fehlertoleranz und Robustheit.

    Organisatorisches

    Das Seminar findet immer montags um 10:00 Uhr in ÜR II statt. Als Vortragsthemen stehen dabei die nachfolgend aufgeführten Themen ab sofort zur Verfügung. Wer Interesse an der Bearbeitung eines der angegebenen Themen hat, kann sich dieses bereits im Vorfeld (per Email oder persönlich bei Clemens Mühlberger) oder auch erst in der Einführungsveranstaltung am 17.10.2011 reservieren lassen.

    Zu jedem Thema soll in Einzelarbeit ein etwa 30- bis 45-minütiger Vortrag sowie eine schriftliche Ausarbeitung im Umfang von ca. 10 Seiten im LCNS-Format erstellt werden. Der Vortrag soll dann zu einem noch festzulegenden Termin vor den Teilnehmern des Seminars präsentiert werden. Bei den Vorträgen gilt i.Ü. Anwesenheitspflicht für alle Teilnehmer. Zudem ist spätestens eine Woche vor dem jeweiligen Präsentationstermin ein Probevortrag vor dem Betreuer verpflichtend. Der entsprechende Betreuer steht bei Fragen, die während der Einarbeitung und Vortragserstellung auftauchen, gerne zur Verfügung! Die Vorträge und Vorlagen zur Ausarbeitung stehen für die Seminarteilnehmer auf der WueCampus-Seite des Seminars bereit. Der dafür notwendige Zugangsschlüssel wird in der Einführungsveranstaltung bekannt gegeben.

    Um die Einarbeitung in die jeweiligen Vortragsthemen zu erleichtern, werden zusätzlich für jedes Thema Literaturvorschläge zur Verfügung gestellt. Allerdings müssen die Seminarteilnehmer auch eine eigene Literaturrecherche anstrengen! Neben der Uni-Bibliothek können dabei folgende Zitatsammlungen hilfreich sein:

    Die erfolgreiche Teilnahme (d.h. kontinuierliche Anwesenheit, Probevortrag, Vortrag und Ausarbeitung) wird durch einen Leistungsschein belohnt. Für weitere Auskünfte steht der jeweilige Betreuer gerne zur Verfügung!

    Themen- und Terminübersicht

    Einführungsveranstaltung

    Termin: 17.10.2011
    Vortragender: Clemens Mühlberger

    In dieser Einführungsveranstaltung werden einige, für das Seminar wesentliche Begriffe (z.B. Eingebettetes System, Sensornetzwerk, ...) kurz erläutert, sowie die bereitgestellten Themen vorgestellt. Eine Themenreservierung ist ebenso möglich, wie die Erörterung des organisatorischen Ablaufs.

    Positionsbestimmung sich bewegender Personen  

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:  

    Eines der häufigsten Einsatzszenarien drahtloser Sensornetze ist die Positionsbestimmung ausgewählter Objekte oder Personen. Eine Möglichkeit zur Positionsbestimmung besteht in der Auswertung der Signalstärke empfangener Radiopakete. In diesem Vortrag soll eine Methode und deren   experimentelle Auswertung zur Positionsbestimmung von Personen mit Hilfe eines drahtlosen Sensornetzes vorgestellt werden.

    Entfernungsmessung anhand Flugzeitmessung 

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:

    Ebenfalls eine wichtige Grundlage für zahlreiche Sensornetzapplikationen bildet die Entfernungsmessung zwischen zwei Sensorknoten. In diesem Vortrag soll daher ein Schema vorgestellt werden, das die Entfernung zwischen zwei Sensorknoten aufgrund der Flugzeit eines Funkpaketes von einem Knoten zum anderen - und wieder zurück - bestimmt. 

    Winkelmessung mittels Radiointerferenz  

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin: 

    Neben der Entfernung zweier Knoten lässt sich nun aber durch entsprechend angeordnete Antennen auch die Richtung, aus der ein empfangenes Funkpaket versandt wurde, bestimmen. In diesem Vortrag soll ein Verfahren vorgestellt werden, das   Winkelmessungen mittels Radiointerferenzen durchführt.   

    Radiointerferenzen abmildern

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Auch wenn sich Radiointerferenzen zur Richtungsbestimmung verwenden lassen, so sind Radiointerferenzen eigentlich unerwünscht, da sie im Grunde als Kollisionen und somit in Form von fehlerhaft empfangenen Daten registriert werden. In diesem Vortrag soll eine Methode vorgestellt werden, die den Effekt von Radiointerferenzen durch eine RSSI-basierte Behebung von Übertragungsfehlern abmildern kann.

    MAC-Protokolle vs. Radiointerferenzen

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:  

    Radiointerferenzen richten allerdings nicht bei jedem MAC-Protokoll denselben Schaden an. Daher lassen sich Mechanismen in MAC-Protokollen identifizieren, die robuster gegenüber Radiointerferenzen sind als andere. Dieser Vortrag soll die Schwachstellen existierender MAC-Protokolle erläutern und Schlussfolgerungen für ein robusteres MAC-Protokoll daraus erarbeiten.   

    Mehrkanal MAC-Protokoll

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Da die Sensorknoten eines drahtlosen Sensornetzes um den (exklusiven) Zugriff auf das geteilte Kommunikationsmedium konkurrieren, benötigen fast alle Anwendungen sog. MAC-Protokolle. Dieser Vortrag soll das Mehrkanal MAC-Protokoll MuChMAC vorstellen, dessen zusätzlicher Overhead aufgrund des Mehrkanal-Betriebs gering ist.  

    Netzwerktopologie vs. Sammelperformanz

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Das verwendete MAC-Protokoll regelt den Zugriff auf das Kommunikationsmedium, allerdings sagt das noch nichts über die vorhandene Netzwerk-Topologie aus. Um nun untersuchen zu können, wie sich die Topologie des Netzes auf die Performanz der Datenkollektion auswirkt, bedarf es erst einmal einer geeigneten Metrik. In diesem Vortrag soll eine derartige Metrik erarbeitet und anhand von ausgewählten Topologien erprobt werden, um die Performanz einer Netzwerktopologie bzgl. der Datenkollektion begreifbar zu machen. 

    Sammeln von Sensordaten

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Nach obigem Vortrag kann man nun also die Performanz der Topologie bzgl. der Datenkollektion bestimmen. Aber wie sammelt man Sensordaten denn eigentlich ein? Und das Ganze am besten noch Energie-effizient? Mit diesen Fragen beschäftigt sich dieser Vortrag, indem er ein derartiges Verfahren vorstellt.

    Datenerfassung mit IPFIX 

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Gerade im Bereich der Home Automation hat sich zum Sammeln von Sensordaten der IPFIX Standard etabliert. In diesem Vortrag soll der IPFIX Standard vorgestellt sowie die effiziente Übertragung von Daten, die mit Hilfe dieses Standards gewonnen wurden, untersucht werden.

    Zeitrekonstruktion mit PHOENIX

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Die genauesten sensordaten nützen allerdings nichts, wenn man sie nicht in die richtige zeitliche Korrelation bringen kann. Besonders Sensorknoten fehlt meist eine Echtzeit-Uhr (RTC), d.h. nach einem Reboot starten die Timer wieder bei Null. Daher soll dieser VOrtrag das System PHOENIX vorstellen, das sich um eine Offline-Zeitrekonstruktion in Sensornetzen bemüht und dabei robust gegen neustartende Knoten ist. 

    Zeitsynchronisation mit garantierter Genauigkeit 

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Manchmal benötigt man aber auch schon eine Online-Zeitsynchronisation. Aufgrund von Umgebungseigenschaften (Temperatur!) kann allerdings die Frequenz eines Oszillators variieren. Dieser Vortrag soll ein Verfahren zur netzwerkweiten Zeitsynchronisation vorstellen, das sogar eine Garantie zur deterministischen Synchronisationsgenauigkeit abgeben kann. 

    Paket-Scheduling im Body Area Network

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    Body Area Networks (BANs) haben vor allem im Gesundheitsbereich eine Fülle von Anwendungsgebieten. Allerdings beeinflußt der menschliche Körper die Stärke der zu empfangenden Funksignale. In diesem Vortrag sollen einerseits die Auswirkungen des menschlichen Körpers auf den RSSI Wert präsentiert und andererseits auf Grundlage dieser Ergebnisse ein daran angepasstes Schedulingverfahren entwickelt werden.

    PeriodicMAC Protokoll

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:  

    Gerade in biomedizinischen Anwendungen kann man deren Netzwerkarchitektur durch z.B. implizite Synchronisation weiter verbessern. Dieser Vortrag soll das sog. PeriodicMAC Protokoll analysieren, das eben diese implizite Synchronisation verwendet.

    PB-TRMA Protokoll

    Betreuer: C. Mühlberger
    Termin:   

    bei der Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation herrschen wieder andere Bedingungen: hier besitzt das System eine hohe Dynamik, d.h. die Netzwerktopologie ändert sich permanent. Um dennoch eine kollisions-arme Kommunikation zu erzeilen, stellt dieser Vortrag das Periodic Broadcast-Timing Reservation Multiple Access Protokoll (PB-TRMA) vor.