Universität - Duisburg - Essen

Fachbereich 5 ­ Systems Engineering

Seminararbeit im Fach

Signalverarbeitung

Rahmenthema:

Ad-Hoc Netze

Anwendungsgebiete von Ad-Hoc Netzen

&

Sensornetzwerke in der Automobil Industrie

Eingereicht von:

Daniel Dreher

Abgabetermin: 07. Juli 2004

- 1 -

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Inhaltsverzeichnis

1

EINFÜHRUNG

- 3 -

2

AD-HOC KOMMUNIKATION

- 4 -

3

TOPOLOGIEN

- 5 -

3.1

WirelessLan -

5

-

3.2

Bluetooth -

6

-

3.3

UMTS und UTRA-TDD

- 6 -

4

SENSORNETZE

- 7 -

5

FAHRASSISTENZ

- 8 -

5.1

Fleetnet -

11

-

6

ANWENDUNGSGEBIETE

- 12 -

6.1

Katastrophenschutz -

12

-

6.2

Militäreinsätze und Krisengebiete

- 12 -

7

ZUKUNFT

- 13 -

8

FAZIT

- 13 -

9

LITERATUR

- 14 -

- 2 -

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1 Einführung

Diese Seminararbeit beschreibt den Einsatz von Ad-Hoc Netzwerken in der

mobilen Kommunikation. Da das Verlangen nach Kommunikation im mobilen

Sinne immer mehr Einzug in die heutige Gesellschaft hält, fordern verschiedenste

aktuelle Trends eine Zunahme der Vernetzung unterschiedlichster mobiler Geräte,

diese dann drahtlos miteinander kommunizieren können.

Die Vielzahl der Geräte spricht auch für unterschiedlichste Einsatzgebiete solcher

mobiler Kommunikation. Es ist also im Zeitalter der Mobilität notwendig, solche

Technologien zu entwickeln und deren Nutzung möglich zu machen, um die

aktive Sicherheit, zum Beispiel im Verkehr, zu gewährleisten und

Informationsbeschaffung zu realisieren.

Um einen Einblick zu verschaffen, wird im zweiten Kapitel dieser Seminararbeit

der Ad-Hoc Ansatz vorgestellt, der für einen Einsatz im mobilen Sinne geeignet

ist. Es soll gezeigt werden, welche Anforderungen dieser mit sich bringt und was

dieser Ansatz für Vorteile gegenüber herkömmlichen Netzen mit sich bringt.

Im dritten Kapitel werden die Topologien vorgestellt, mit denen man eine solche

Ad-Hoc Kommunikation realisieren kann und die in diesem Bereich einen

weitverbreiteten Einsatz finden werden.

Um einen Einblick in ein Anwendungsgebiet zu erhalten, werden in Kapitel vier

die Sensornetze vorgestellt, die mittels drahtloser Netzwerktechnik Messdaten

erfassen, auswerten und weiterleiten können.

Kontexterweiternd wird in Kapitel fünf der Einsatz von Sensornetzen in der

Fahrzeugindustrie vorgestellt und wie diese für Sicherheitsapplikationen und

Fahrassistenzfunktionen nützlich sind.

Des Weiteren gilt der Ad-Hoc Ansatz in fahrzeugbasierten Netzwerken als ein

neues Technologiegebiet, welches auch in Kapitel fünf anhand des

Beispielprojektes ,,FleetNet" vorgestellt wird.

Kapitel sechs stellt weiter Einsatzmöglichkeiten der Ad-Hoc Kommunikation vor.

Im darauf folgenden Kapitel sieben werden Zukunftsaussichten dargestellt.

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2 Ad-Hoc Kommunikation

Mit Ad-Hoc verbindet man eine einfache, flexible Kommunikation die

unabhängig von der Infrastruktur und der Lokalität ist. Somit ist ein hohes Maß an

Flexibilität gegeben, welche bei sich ständig bewegenden

Kommunikationspartnern sehr von Vorteil ist.

Durch die plug´n´play Fähigkeit solcher Netzte, wie z.B. WirelessLAN,

Bluetooth, UMTS oder HyperLAN ist das Eintreten und Verlassen der

Teilnehmer in solchen Netzten sehr einfach.

Sie sind an keinerlei Infrastruktur gebunden, denn die Kommunikationsteilnehmer

bilden diese selber. Allerdings kann eine Netzinfrastruktur nur zwischen

Teilnehmern aufgebaut werden, die sich in der Funkreichweite anderer

Teilnehmer befinden, da es keine Basisstationen gibt.

Somit ist ein Einsatz selbst in unzugänglichen und unwegsamen Terrains möglich,

wie z.B. in Krisengebieten, bei Katastropheneinsätzen oder beim Militär. Durch

eine drahtlose Verbindung sind die Kommunikationspartner nicht ortsgebunden

und sind weiterhin flexibel.

Durch den Wegfall der aufwendigen Verkabelung der einzelnen Teilnehmer bei

stationären Netzen, oder der Wegfall von Basisstationen bei zellularen Netzen,

kommt es hierbei zu einer Kostenersparnis.

Eine Redundanz im Hinblick auf die Ausfallsicherheit in mobilen Ad-Hoc Netzen

oder in Sensornetzen ist durch das Routing gegeben. Jeder Teilnehmer kennt die

Netzinfrastruktur seiner Umgebung und speichert diese in Routingtabellen ab.

Durch ständige Aktualisierungen bringt er sie auf den neusten Stand. So können

die Daten des jeweiligen Teilnehmers auf dem direktesten Weg an seinen

Kommunikationspartner weitergeleitet werden. Fällt eine Station aus, so werden

die Daten über alternative Knoten zu dem jeweiligen Ziel übermittelt.

1. Weg

2. Weg bei Ausfall

Abbildung 1: alternative Wege

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3 Topologien

Bei mobiler Kommunikation sind Aspekte der Reichweite und der Sendeleistung

der eingesetzten Technologie im erheblichen Masse von Relevanz. Da es mehrere

Wege gibt mobil zu kommunizieren, kommt es auch auf die Einsatzmöglichkeit

unter erschwerten Bedingungen, wie der relativen Geschwindigkeit der

Teilnehmer oder einiger Störeinflüsse wie zum Beispiel durch Sichtkontaktverlust

an, die beispielweise den Einsatz von Infrarot ausschließen.

In diesem Kapitel werden funkbasierte Netzwerke vorgestellt, die durch ihre

Reichweite und Datenrate überzeugen und eine stabilere Verbindung der

Teilnehmer gewährleisten.

3.1 WirelessLan

Als Ad-Hoc Netze geeignete Funktechnologien gelten insbesondere Netze, die auf

dem IEEE Standard 802.11 basieren, wie zum Beispiel WirelessLAN 802.11

a/b/g/p Standards, die sich durch ihren Frequenzbereich und ihre Datenrate

unterscheiden

(siehe Tabelle 1)

.

IEEE 802.11 b IEEE 802.11 a IEEE 802.11 p

Bluetooth UTRA-TDD

Funkreichweite

mehrere 100m

mehrere 100m

mehrere 100m

< 100m

Ca 1km

Datenrate

bis 11 Mbit/s

bis 54 Mbit/s

bis 27 Mbit/s

bis 1 Mbit/s

Bis 2 Mbit/s

Frequenzbereich

2,4 GHz

5 GHz

5,9 GHz

2,4 GHz

2,1 GHz

Tabelle 1 Vergleich der drahtlosen lokalen Funktechnologien

Die Funkreichweite beträgt bei allen WLAN Netzen mehrere 100 Meter. Der

IEEE 802.11 p Standard ist speziell auf die Fahrzeug-zu-Fahrzeug

Kommunikation abgestimmt und soll mit einem Frequenzbereich von 5,85 -5,9

GHz zum Einsatz kommen. Dieser ist der höchste Frequenzbereich der mobilen

Netze eingesetzt wird, da aufgrund der hohen Beweglichkeit der Teilnehmer eine

derartige Sendeleistung wichtig ist. Dieses Frequenzband ist bereits in den USA

für den Einsatz im Verkehrsbereich reserviert worden.

[nach Korsch]

- 5 -

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3.2 Bluetooth

Blootooth hingegen ist auch ein Netzwerk zur mobilen Kommunikation, welches

aber aufgrund seiner geringen Reichweite und hohen Verbindungsaufbauzeiten

den Einsatz in hoch flexiblen Netzen wie der Fahrzeug-zu-Fahrzeug

Kommunikation nicht finden wird. Als weiteres ist bei Blootooth die Bildung von

Kommunikationsgruppen zu je 7 Teilnehmern, gerade im Bereich Fahrzeug-zu-

Fahrzeug Kommunikation aufgrund der hohen Teilnehmerzahl, ein erheblicher

Nachteil. So müsste ein Client der einen Gruppe auch Client einer anderen

Gruppe sein, damit die Kommunikationspartner in den verschiedenen Gruppen

über ihn miteinander kommunizieren könnten.

Bluetooth findet seinen Einsatz ehr im stationären Bereich wie z.B. zur

Verständigung der festinstallierten Sensoren eines Autos. Ein weiterer innovativer

Einsatz währe in öffentlichen Gebäuden oder Kinos denkbar, in denen zum

Beispiel das eigene Handy dann automatisch ein leises Profil einstellt, aktuelle

Filmtipps anzeigt oder ähnliches.

3.3 UMTS und UTRA-TDD

Als Konkurrent zu den vorgestellten drahtlosen Netzen steht das ,,Universal

Mobile Telecommunications System" (UMTS). Bei der Versteigerung der UMTS

Lizenzvergaben dieser Frequenzbänder wurden hohe Preise erzielt, die sich auch

in den Betriebskosten dieser UMTS-Netze niederschlagen werden. So wird ein

kostengünstiger Einsatz dieser Technologie nur schwer zu erfüllen sein. UMTS

soll durch eine Erhöhung der Bandbreite auf 2 Mbit/s die Übertragung von

digitalisierten Multimediadaten möglich machen. Ein Wechsel vom

Leitungsvermittlungsverfahren hin zu Paketvermittlungstechniken, wie sie in

Netzwerken zur Datenübertragung schon seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich

eingesetzt werden, soll die Datenübertragung beschleunigen und effizienter

machen. Als Infrastruktur des geplanten UMTS-Netzes dienen die Sendemasten

der bisherigen Mobilfunknetze und sorgen somit für ein flächendeckendes

weitläufiges Netz und erreichen somit eine höhere Reichweite als beispielsweise

WLAN Systeme. Darüber hinaus können UMTS-Netze auch infrastrukturlos, d.h.

ohne Basisstationen, als Ad-hoc-Netze betrieben werden.

- 6 -

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Das UMTS- Übertragungsverfahren UTRA-TDD

[TS25.221]

beispielsweise

unterstützt in einer für den Einsatz in FleetNet modifizierten Version im Ad-hoc-

Betrieb eine Sendereichweite von ca. 1 km und Datenraten zwischen 384 kbit/s

und 2 Mbit/s. Die getätigten bzw. geplanten Veränderungen erweitern das

ursprüngliche UTRA-TDD-Verfahren unter anderem um die Fähigkeit zur Ad-

hoc-Kommunikation und um die Unterstützung von Reservierungsmechanismen.

Letztere werden z.B. für den Einsatz von sicherheitsbezogenen Anwendungen in

Fahrzeugnetzen benötigt. Damit ist ein Einsatz UMTS-basierter

Kommunikationstechnologie in fahrzeugbasierten Netzen durchaus denkbar.

[Storz]

4 Sensornetze

Ein Sensornetzwerk ist eine Ansammlung von vielen Sensorknoten, die

miteinander über Funk kommunizieren und sich organisieren. Meist ist das

Sensornetzwerk an eine Basisstation gebunden, die Daten von den Knoten im

Netzwerk anfordert. Die Basisstation selbst kann wiederum an ein weiteres Netz

angebunden sein.

Der Inhalt der Nachrichten in einem solchen Netzwerk ist meist vom gleichen Typ

oder ähneln sich stark, da jeder Sensorknoten die gesammelten Daten seinem

Sensor entnimmt, und ein Sensornetzwerk meist aus vielen baugleichen

Sensorknoten besteht.

Sensoren

Sensoren

drahtlose

Sensorknoten

Kommunikation

Sensorknoten

Rechner

Abbildung 2: Sensornetzwerk

- 7 -

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Um Energie zu sparen und damit die Lebensdauer der Knoten zu erhöhen, werden

die Daten der Nachrichten an einigen Punkten im Netzwerk gesammelt und

fusioniert. Der TAG (Tiny AGgregations Ansatz) soll als Ansatz zur Sammlung

und Zusammenfassung von Sensordaten in Aggregationspunkten in einem Ad-

Hoc Sensornetzen dienen

.[Schweg]

Solche Aggregationspunkte sind normale Sensorknoten, die auf die Nachrichten

ihrer Nachbarknoten warten und einen aus dem Inhalt der Nachrichten und den

Daten ihres eigenen Sensors berechneten Wert weitersenden

.[Tiebler]

Durch die gemeinsame Nutzung mehrerer Sensoren durch verschiedene

Applikationen kommt es zu einer ökonomischen effizienteren Nutzung. Dies

erhöht die Sicherheit und die Präzision der Sensordaten.

Bei mobilen Systemen besteht die Möglichkeit physikalische Messdaten aus

Sensoren in der Umgebung des Fahrzeugs zu erfassen und zur Verarbeitung

weiterzuleiten. Durch die Sensordatenfusion kommt es zu einer konsistente, für

alle Fahrassistenzapplikationen relevanten, Fahrzeugumfeldbeschreibung.

Den Sensoren können somit Positionsdaten von Personen, Gegenständen und

Geräten als Quelle dienen.

5 Fahrassistenz

Das Thema Fahrassistenz wurde aufgegriffen, da dieser Bereich das Einsatzfeld

von mobiler Ad-Hoc Kommunikation in Verbindung mit Sensornetzwerken sehr

gut darstellt. Es existieren bereits viele Forschungsansätze in diesem Bereich,

besonderes von den Automobilherstellern wie BMW, Daimler-Chrysler und VW.

In diesem Abschnitt werden einige Möglichkeiten vorgestellt, die durch die Ad-

Hoc Vernetzung realisierbar sind. So können zum Beispiel die Fahrzeuge

untereinander kommunizieren oder auch Sensordaten aus der

Fahrzeugumfelderfassung austauschen. Der Einsatz solcher Sensoren und

Fahrzeugsensornetzen ermöglicht es, neue Gebiete der Fahrsicherheit und

Fahrassistenzapplikationen zu erschließen. Diese kooperativen Fahrassistenz-

systeme unterstützen den Fahrer in seiner visuellen Wahrnehmung. Sie sollen

Sensordaten zwischen Fahrzeugen übermitteln, und z.B. Fahrdaten wie Brems-

oder ESP-Daten oder Informationen über den Fahrbahnzustand anderen

Fahrzeugen bereitstellen. Die Sensordaten zur Fahrzeugumgebung könnten für

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eine Fahrspurverlassenswarnung, automatische Notbremsung und zur

Fußgängererkennung dienen. Des Weiteren können Stauassistenzsysteme durch

das Erfassen des Fahrzeugumfelds, Stop&Go Wellen vermeiden und PreCrash

Maßnahmen einleiten. Zum Beispiel kann im Falle eines Unfalls oder einer

Notbremsung eine Warnmeldung an nachfolgende Fahrzeuge gesandt werden.

Eine solche Meldung kann sogar mit Hilfe des Gegenverkehrs entgegen der

ursprünglichen Fahrtrichtung transportiert werden, um sich dem Störfall nähernde

Fahrzeuge frühzeitig zu warnen

(siehe Abbildung 2) [Briesem.]

Der Bandbreitenbedarf für diese Anwendungen ist hoch, und die

Kommunikationsreichweite hängt von der Position des Kommunikationspartners

ab. Daher ist eine Anpassung der Sendereichweite notwendig, um einen optimalen

Datendurchsatz auch bei unterschiedlicher Fahrzeugdichte zu erzielen.

[C-2-C-Komm]

Abbildung 3: Übermittlung der Informationen an andere Fahrzeuge [Korsch]

- 9 -

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Abbildung 4: Anzeige der Gefahrenstelle im Navigationssystem [Korsch]

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5.1 Fleetnet

FleetNet wurde von einem Konsortium aus folgenden Partnern initiiert:

DaimlerChrysler AG, FhI FOKUS, NEC Europe Ltd., Robert Bosch GmbH,

Siemens AG und TEMIC Spracherkennung GmbH. Weiterhin sind in das Projekt

die (Technischen) Universitäten Hannover, Braunschweig, Mannheim und

Hamburg-Harburg eingebunden.

[nach C-2-C-Komm]

Das Projekt ,,FleetNet ­ Internet on the Road" befasst sich mit der Entwicklung

einer Kommunikationsplattform zum Austausch von Daten zwischen Fahrzeugen

oder zwischen Fahrzeugen und stationären FleetNet-Systemen mit dem Ziel, die

visuelle Wahrnehmung durch die Übermittlung von elektronischen Informationen

aus dem unmittelbaren Fahrzeugumfeld zu ergänzen. Hier spielt der Einsatz eines

Ad-hoc-Funknetzes zur Inter-Fahrzeugkommunikation eine große Rolle

.[Fleetnet]

FleetNet bietet unter anderem auch die Möglichkeit mit den Passagieren anderer

Fahrzeuge chatten oder online spielen zu können. Weitere Anwendungen lassen

sich dem Bereich des Marketings und der Werbung zuordnen. Denn durch das

Konzept der stationären FleetNet-Gateways am Straßenrand, bietet FleetNet die

Möglichkeit des Marketings entlang der Straße. Firmen können stationäre

FleetNet Gateways installieren um Marketinginformationen an potentielle Kunden

zu senden, die mit Ihren Fahrzeugen das Gateway passieren. Einkaufszentren oder

Schnellrestaurants können ihre Kunden bei der Einfahrt auf das Gelände über ihre

aktuellen Angebote informieren oder sogar direkt Bestellungen aufnehmen

[Rosen].

Durch den Zugang zum Internet können Passagiere

Marketinginformationen erhalten, während sie über das Gateway online sind.

[FleetNet]

Abbildung 5: FleetNet Kommunikationsszenario [Fleetnet]

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6 Anwendungsgebiete

6.1 Katastrophenschutz

Mit Hilfe der Sensortechnik können seismische Aktivitäten in einem

Erdbebengefährdeten Gebiet von Sensoren aufgezeichnet werden die zuvor über

diesem Gebiet abgeworfen wurden. Die gemessenen Daten werden dann durch die

Netzstruktur des Sensornetzes über eine Basisstation zur Auswertung an Institut

weitergeleitet.

Dieses Einsatzprinzip ist auch in verschiedensten anderen Bereichen wie der

Waldbrandbekämpfung oder dem Flutkatastrophenschutz denkbar.

6.2 Militäreinsätze und Krisengebiete

Bei einer so unbekannten und nicht vorhersehbaren Situation auf fremdem Terrain

oder zerstörtem Gelände müssen eine Kommunikation und ein Datenaustausch

zwischen den im hohen Grad mobilen Nutzern (Helfer oder Soldaten)

gewährleistet sein.

So könnte zum Beispiel jeder Nutzer mit einem Ad-Hoc fähigem Gerät

ausgestattet sein, und hat somit die Möglichkeit, mit allen anderen zu

kommunizieren oder Daten aus Sensoren zu empfangen, die vorher über dem

Terrain abgeworfen wurden.

Das US Projekt Smart Dust setzt auf diese Methode der Aufklärung. So werden

große Mengen von Dust Motes, das sind kleine autonome Sensoren, über dem

aufzuklärenden Gebiet abgeworfen. Diese leiten dann die entsprechenden

Messdaten an die installierten Basisstationen wieter [Völkel&Kutschke]. Das

Erstellen einer festen Netzinfrastruktur ist meist in solchen Gebieten nicht zu

realisieren und es kann nicht von vorhandener Infrastruktur ausgegangen werden.

Dadurch ist der Nutzer immer auf dem aktuellsten Informationsstand und steht im

ständigen Kontakt mit seinen Kollegen oder dem Basislager. So ist er in

lebensgefährlichen Situationen bestens über sein Umfeld informiert.

Als weiteres Beispiel steht auch ,,ActComm" (ActiveCommunikations), ein

Projekt mehrerer amerikanische Universitäten die dieses seit 1997 in Kooperation

für AirForce durchführen.

- 12 -

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7 Zukunft

Der Einsatz von mobilen Ad-Hoc Netzen bringt trotz seiner optimalen

Lösungsansätze noch einige zu lösende Aufgaben mit sich. So sollte die Hardware

Energiesparender, leichter bedienbar und ergonomisch sein. Des Weiteren dürfen

im Bereich der benötigten Software, Aspekte der Sicherheit, der Wahrung des

Datenschutzes und der Verschlüsselungsmechanismen nicht außer Acht gelassen

werden.

Die Frage nach einheitlichen standardisierten Schnittstellen und weiteren

Dienstangeboten ist noch nicht geklärt und so gibt es immer eine Vielzahl

verschiedener Ansätze der Protokollierung und der Datenaustauschmechanismen.

Es darf kein Unterschied machen, von welcher Marke das Auto vor dem eigenen

ist , wenn es um die Übermittlung von Gefahrenmeldungen oder Bremsdaten oder

ähnliches geht.

[Völkel&Kutschke]

8 Fazit

Diese Seminararbeit hat einen Überblick über die Ad-Hoc Kommunikation und

ihre verschiedenen Einsatzmöglichkeiten gegeben.

Grundlegend ist zu sagen, dass der Einsatz mobiler Netzwerktechnologien wie

den Ad-Hoc Netzen eine erhebliche Verbesserung der Kommunikation und

Informationsbeschaffung sein wird. Denn die Ad-Hoc Netzwerktechnologie ist

eine gute Lösung, da die Infrastrukturunabhängigkeit und die Mobilität in

unserem Zeitalter eine immer größer werdende Rolle spielt.

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9 Literatur

[802.11 b]

IEEE Std 802.11b-1999 (Supplement to ANSI/IEEE Std 802.11, 1999

Edition) Part 11:

Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and
Physica Layer (PHY) specifications: Higher-Speed Physical Layer
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[Briesem.]

Briesemeister, L., Hommel, G.,

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but Sparsely Connected Ad-Hoc Networks,

Proc. MobiHOC 2000,

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[HiperLAN]

ETSI-BRAN,

High Performance Radio Access Local Area Network-
Type 2 (System Overview)

, ETSI, DTR/BRAN-00230002, Sophia

Antipolis, 1999

[TS25.221]

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Physical channels and mapping of transport channels
onto physical channels (TDD)

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[FleetNet]

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[Völkel&Kutschke]

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[Korsch] Timo

Korsch,

Den Horizont der Fahrassistenz erweitern:

Vorrausschauende Systeme durch Ad-Hoc Vernetzung

,

BMW Group
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(www.ftm.mw.tum.de/zubehoer/pdf/Tagung_AS/18_kosch.pdf)

[C-2-C-Komm]

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(www.funkschau-handel.de/heftarchiv/pdf/2002/fs0402/fs0204016.pdf)

- Definiens White Papers 25

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(www.pdos.lcs.mit.edu/~decouto/my-papers/carnet.ps)

- Hannes Hartenstein, Martin Mauve, FleetNet ­ Internet on the road

(www.ibr.cs.tu-bs.de/events/SummerSchool2002/kss-mauve.pdf)

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(www.bmw.de)

- FleetNet-Hoempage

(www.fleetnet.de)

[Storz] Oliver

Dirk

Storz,

Entwurf und Implementierung eines optimierten

Service-Discovery-Protokolls für fahrzeugbasierte Netze, 30.09.2002
Universität Karlsruhe

(www.et2.tu-harburg.de/fleetnet/pdf/DRIVE_TU-BS.pdf)

[Schweg] Christian

Schwegmann

, TAG ­ ein Aggregations-Dienst in ad-Hoc

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[Tiebler] Daniel

Tiebler,

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[Fahrass]

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Lehrstuhl für
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(www.ftm.mw.tum.de/deutsch/download/tagung_as.htm)

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