Drahtlose Sensornetze bestehen aus vielen kleinen, separaten Computern, den so genannten Sensorknoten. Sie sind in der Regel kleiner als eine Zigarettenschachtel und verfügen über weniger Prozessorkapazität als beispielsweise ein aktueller Game Boy. Dafür besitzen sie eine lange Lebensdauer und kommen mit der Leistung von zwei Mignon Batterien häufig bis zu einem Jahr aus. Kommunizieren können diese kleinen Maschinen über eine Funkschnittstelle miteinander. Das alles macht Sensorknoten sehr billig und flexibel in der Anwendung. Durch ihre beschränkten Ressourcen müssen die für sie entwickelten Anwendungen allerdings stark spezialisiert und auf Effizienz optimiert werden. Daher werden Sensornetze meist für eine einziges Szenario entwickelt. Dies geht auf Kosten der Flexibilität und führt zudem zu einer starken Kostensteigerung. Dennoch stellen viele Anwendungsgebiete für Sensornetzwerke einen hohen Anspruch gerade an die Flexibilität. Überwachung ist z.B. eine der Killerapplikationen für Sensornetze (vgl. [36]): Es können die unterschiedlichsten Daten, über lange Zeiträume z.B. in den unzugänglichsten Gebieten, überwacht werden. Während der Laufzeit kann auf neue Entwicklungen reagiert werden oder es können die Überwachungsparameter geändert werden, wenn andere Sensorwerte interessant werden. Dies ist mit Sensornetzen, die für ein Szenario entworfen worden sind, nicht möglich. Eine Lösung für dieses (Flexibilitäts-)Problem sind Mehrzweck-Sensornetze, die auf Kosten von etwas leistungsfähigerer Hardware, die benötigte Flexibilität wieder bereitstellen und durch das Einführen einer zusätzlichen Abstraktionsschicht die Entwicklung von Anwendungen vereinfachen.
Einen Teil dieser Flexibilität stellt das gezielte Ansprechen einer Gruppe von Knoten dar. Dies kann mit Hilfe von Scopes sogar während der Laufzeit erreicht werden. Über frei definierbare Eigenschaften können auf dieseWeise Knoten zu Gruppen (sog. Scopes) zusammengefasst werden. Das Festlegen der Eigenschaften eines Scopes geschieht auf dem sogenannten Wurzelknoten, von dem die Erstellung des Scopes dann auch ausgeht. Die Scopes ermöglichen es auf aktuelle Ereignisse oder geänderte Überwachungsparameter im Sensornetz flexibel zu reagieren.
Da Sensornetze in vielen Fällen an nur schwer zugänglichen Orten angebracht sind, sind die angesprochenen Laufzeiten ein wichtiges Kriterium. Genauso wichtig ist auch das Erweitern oder Umprogrammieren des Sensornetzes im laufenden Betrieb.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziele
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen und Existierende Ansätze
2.1 Einleitung
2.2 Drahtlose Sensornetze
2.2.1 Hardware der Sensorknoten
2.2.2 Beispiele und Szenarien für drahtlose Sensornetze
2.3 Routingverfahren
2.3.1 Multicast
2.3.2 Directed Diffusion
2.3.2.1 Interests und Gradienten
2.3.2.2 Datenübertragung
2.3.2.3 Reinforcements zum Anlegen und Unterbrechen von Pfaden
2.3.3 Gradient-Based Routing
2.4 Verfahren zur Gruppierung von Sensorknoten
2.4.1 Lokale Cluster
2.4.2 Rollen
2.4.3 Region Streams
2.4.4 Multicast
2.5 Zusammenfassung
3 Architektur für drahtlose Mehrzweck-Sensornetze
3.1 Einführung
3.2 Scopes
3.2.1 Spezifizierung von Scopes
3.2.2 Ausbreitung und Wartung von Scopes
3.2.3 Scopes in Beispielen
3.3 Das SOS Betriebssystem
3.3.1 Module
3.3.2 Scheduling
3.3.3 Speicherverwaltung
3.4 Zusammenfassung
4 Realisierung
4.1 Entwicklungsumgebung
4.2 Basisimplementierung
4.2.1 Aufbau
4.2.2 Probleme
4.3 Erweiterte Implementierung
4.3.1 Aufbau
4.3.1.1 Multihop-Routing
4.3.1.2 Die Scope Module
4.3.2 Verbesserungen
5 Simulation eines Drahtlosen Sensornetzes
5.1 Einführung
5.2 Simulationsumgebung
5.2.1 SOS-native
5.2.2 Avrora
5.3 Simulationen
5.4 Auswertung der gesammelten Daten
5.4.1 Simulation auf Nachrichtenebene
5.4.2 Simulation auf Instruktionsebene
5.4.3 Fazit
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Umgesetzte Anforderungen
6.2 Offene Probleme und Verbesserungsmöglichkeiten
A Material auf der CD
A.1 Inhalt
A.1.1 CD Hauptverzeichnis
A.1.2 tud/modules
A.1.3 tud/contrib
B Einrichten der Arbeitsumgebung
B.1 Einführung
B.2 SOS Betriebssystem
B.3 CVS-Baum dieser Arbeit
C Moduldiagramme und -variablen
C.1 scope_tester-Modul
C.2 scope_member-Modul
C.3 scope-Modul
C.4 multihop_routing-Modul
Zielsetzung & Themen
Die Diplomarbeit untersucht die Implementierung und Einsetzbarkeit von Scopes zur Gruppierung von Sensorknoten in drahtlosen Sensornetzwerken, um eine höhere Flexibilität für Mehrzweck-Anwendungen zu ermöglichen.
- Entwicklung eines Konzepts zur dynamischen Gruppierung von Sensorknoten (Scopes).
- Implementierung eines an die Scopes angepassten Routing-Algorithmus.
- Untersuchung der Realisierbarkeit unter den Ressourcenbeschränkungen heutiger Sensorknoten.
- Evaluation des Verfahrens mittels Simulation unter Verwendung von SOS und Avrora.
- Vergleich des Scope-basierten Ansatzes mit Flooding hinsichtlich Effizienz und Energieverbrauch.
Auszug aus dem Buch
1.1 Motivation
Drahtlose Sensornetze bestehen aus vielen kleinen, separaten Computern, den sogenannten Sensorknoten. Sie sind in der Regel kleiner als eine Zigarettenschachtel und verfügen über weniger Prozessorkapazität als beispielsweise ein aktueller Game Boy. Dafür besitzen sie eine lange Lebensdauer und kommen mit der Leistung von zwei Mignon Batterien häufig bis zu einem Jahr aus. Kommunizieren können diese kleinen Maschinen über eine Funkschnittstelle miteinander. Das alles macht Sensorknoten sehr billig und flexibel in der Anwendung. Durch ihre beschränkten Ressourcen müssen die für sie entwickelten Anwendungen allerdings stark spezialisiert und auf Effizienz optimiert werden. Daher werden Sensornetze meist für ein einziges Szenario entwickelt. Dies geht auf Kosten der Flexibilität und führt zudem zu einer starken Kostensteigerung. Dennoch stellen viele Anwendungsgebiete für Sensornetze einen hohen Anspruch gerade an die Flexibilität. Es können die unterschiedlichsten Daten, über lange Zeiträume z.B. in den unzugänglichsten Gebieten, überwacht werden. Während der Laufzeit kann auf neue Entwicklungen reagiert werden oder es können die Überwachungsparameter geändert werden, wenn andere Sensorwerte interessant werden. Dies ist mit Sensornetzen, die für ein Szenario entworfen worden sind, nicht möglich. Eine Lösung für dieses (Flexibilitäts-)Problem sind Mehrzweck-Sensornetze, die auf Kosten von etwas leistungsfähigerer Hardware, die benötigte Flexibilität wieder bereitstellen und durch das Einführen einer zusätzlichen Abstraktionsschicht die Entwicklung von Anwendungen vereinfachen.
Einen Teil dieser Flexibilität stellt das gezielte Ansprechen einer Gruppe von Knoten dar. Dies kann mit Hilfe von Scopes sogar während der Laufzeit erreicht werden. Über frei definierbare Eigenschaften können auf diese Weise Knoten zu Gruppen (sog. Scopes) zusammengefasst werden. Das Festlegen der Eigenschaften eines Scopes geschieht auf dem sogenannten Wurzelknoten, von dem die Erstellung des Scopes dann ausgeht.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Motivation für die Arbeit und Definition der Zielsetzung sowie des Aufbaus der Arbeit.
2 Grundlagen und Existierende Ansätze: Übersicht über Sensornetze, Hardware, existierende Routingverfahren (insbes. Directed Diffusion) und existierende Ansätze zur Gruppierung.
3 Architektur für drahtlose Mehrzweck-Sensornetze: Vorstellung des Scope-Konzepts sowie des zugrundeliegenden Betriebssystems SOS.
4 Realisierung: Detaillierte Beschreibung der Basisimplementierung und der erweiterten, modularen Implementierung inklusive Multihop-Routing.
5 Simulation eines Drahtlosen Sensornetzes: Beschreibung der Simulationsumgebung (SOS, Avrora) und Auswertung der Leistungsdaten (Nachrichtenaufkommen, Rechenzeit, Energieverbrauch).
6 Zusammenfassung und Ausblick: Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse und Diskussion offener Probleme.
Schlüsselwörter
Sensornetzwerke, Scopes, Routing, Multihop, SOS Betriebssystem, Directed Diffusion, Mehrzweck-Sensornetze, Flooding, Simulation, Avrora, Energieeffizienz, Gruppierung, Sensorknoten, Datenübertragung, Modulare Softwarearchitektur
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung von "Scopes" in drahtlosen Sensornetzwerken, um eine dynamische Gruppierung von Knoten während der Laufzeit zu ermöglichen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Themen umfassen Sensornetzwerk-Architekturen, Routingprotokolle, Betriebssysteme für Sensorknoten (SOS), Ressourcenmanagement und die Evaluation durch Simulation.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist es, die Realisierbarkeit und Einsetzbarkeit von Scopes auf realen Sensorknoten zu demonstrieren und die dafür notwendigen Routing-Algorithmen zu entwickeln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert einen entwurfsorientierten Ansatz zur Implementierung der Scopes mit einer empirischen Evaluation durch Simulationen in den Umgebungen SOS und Avrora.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, den Entwurf der Scope-Architektur, die schrittweise Implementierung (Basis und Erweiterung) sowie die umfangreiche Simulation und Datenanalyse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Sensornetzwerke, Scopes, Multihop-Routing, SOS Betriebssystem, Energieeffizienz und Simulationsbasierte Evaluation.
Was unterscheidet Scopes von herkömmlichen Methoden?
Im Gegensatz zu statischen Konfigurationen erlauben Scopes eine flexible, dynamische Gruppierung von Knoten basierend auf Eigenschaften, die sich zur Laufzeit ändern können.
Warum wurde das SOS Betriebssystem für die Implementierung gewählt?
SOS unterstützt von Haus aus modulare, zur Laufzeit nachladbare Softwarekomponenten, was die Implementierung der dynamischen Scope-Logik stark erleichtert.
- Quote paper
- Daniel Jacobi (Author), 2006, Scopes in drahtlosen Sensornetzwerken, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/61267
