Medienzugriffsverfahren und Übertragungstechniken für breitbandige energieeffiziente Sensorfunknetze

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• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2010
• eBook ISBN:
  9783736935099
• Print ISBN:
  9783869555096
• Edition: 1

Sensor- und Datenfunknetze, die im Folgenden vereinfachend Sensorfunknetze genannt werden, zeichnensich durch einfache Einzelkomponenten mit begrenzten Möglichkeiten aus. Sensorfunknetze bestehen aus einergroßen Menge identischer Knoten, die in der Anschaffung günstig und in ihrer Größe stark begrenzt sind.Dadurch sind Ausfälle einzelner Knoten wirtschaftlich undramatisch und werden durch benachbarte Knotenausgeglichen. So entsteht der Nutzen des Netzwerks nicht durch die Messung eines einzelnen Knotens, sondernmit der Fusion vieler Messungen innerhalb eines gesamten Netzwerks. Sensornetze werden zur verteiltenÜberwachung von physikalischen Messwerten und in der Automation eingesetzt. Bei diesen Anwendungenstehen Robustheit, Langlebigkeit und Wartungsarmut im Vordergrund. Auf höchste Datenraten und geringsteLatenzen wird zu Gunsten eines effizienten Haushaltens mit Energie verzichtet.Diese Arbeit beschäftigt sich mit Übertragungstechniken und Medienzugriffsprotokollen für Sensornetzwerke.In beiden Bereichen steht der effiziente Umgang mit einer begrenzten Energiemenge im Vordergrund.Daher werden die diskutierten Übertragungsverfahren und die Methoden zum Zugriff auf den Kanal im Bezugauf ihre Leistungsaufnahme beziehungsweise ihren Stromverbrauch hin untersucht.Als Kandidaten für ein Übertragungsverfahren werden eine DSSS-Technik, wie sie in WPANs vorkommenund die OFDM-Übertragungstechnik miteinander verglichen. Das OFDM-Übertragungsverfahren ist auszahlreichen Mobilfunk- und Rundfunkanwendungen bekannt, wurde aber bisher nicht als physikalisches BitÜbertragungsverfahrenfür energieeffiziente Netzwerke in Betracht gezogen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass OFDM-Übertragungssysteme mit dem gleichen Aufwand an Energie eine höhere Datenrate erzielenkönnen, denn das Versenden eines Datenpakets benötigt zwar mehr Energie, es enthält aber auch wesentlichmehr Nutzdaten als bei einem DSSS-basierten Verfahren. Bei Sensorfunknetzen, deren Anwendung einen erhöhtenDatendurchsatz verlangt, ist die OFDM-Übertragungstechnik eine lohnenswerte Alternative.Das Zusammenspiel des Übertragungsverfahrens mit den Protokollen für die Steuerung des Zugriffs auf dasÜbertragungsmedium ist entscheidend. Lange Laufzeiten von batteriebetriebenen Netzwerken lassen sich nurerreichen, wenn alle Komponenten des Knotens für die überwiegende Zeit abgeschaltet werden können. Dasim Rahmen dieser Arbeit entwickelte Protokoll für den Medienzugriff namens ERA zeigt eine gute Skalierbarkeitbei unterschiedlichem Aufkommen von Informationspaketen pro Zeit. Das Protokoll kann somit effizientauf sich ändernde Situationen im Sensornetz reagieren. Da ein Rahmen erst abgehört wird, bevor einePosition in diesem Rahmen belegt wird, kann ein TDMA-ähnliches Verhalten realisiert werden, ohne aufeine zentrale Kontrollinstanz angewiesen zu sein. Der Aufwand für den Versand von regelmäßigen Lebend-Paketen ermöglicht eine Reservierung zukünftiger Zeitschlitze ohne dass eine Zuweisungstabelle von Zeitschlitzenausgetauscht werden muss.Die Erprobung von Übertragungsverfahren und -protokollen ist durch programmierbare Logikbausteine(FPGAs) in Echtzeit möglich geworden. Die zu erwartende Leistungsaufnahme kann mit Hilfe detaillierterSimulationen des implementierten Designs abgeschätzt werden. Somit kann in dieser Arbeit die Implementierungvon Algorithmen zur digitalen Signalverarbeitung sowohl im Hinblick auf den Ressourcenverbrauchals auch auf die zu erwartende Leistungsaufnahme hin optimiert werden. Neben der dedizierten Logik für diedigitale Signalverarbeitung der OFDM-basierten physikalischen Schicht können weiterhin durch eine Verhaltensbeschreibungerzeugte Prozessoren im selben FPGA untergebracht werden, um die Aufgaben einesMikroprozessors zu übernehmen. Diese Aufgaben beinhalten beispielsweise den Medienzugriff und die Ansteuerungvon Sensoren. Der verwendete Prozessor bietet genügend Reserven, um neben dem Transport vonDatenpaketen auch vielfältige andere Aufgaben zu übernehmen, denn selbst in dem für Sensornetze untypischenFall, dass ein Knoten ständig sendet und empfängt, ist der verwendete 32bit RISC Prozessor kaum belastet.