SEP'09 Lastenheft
Collaborative transmission in wireless sensor networks

Einleitung

Netze aus drahtlos kommunizierenden Sensorknoten (Wireless Sensor Nets - WSNs) können Messdaten aus einer überwachten Region bereitstellen. Ein Sensorknoten nimmt Daten zu Umgebungsparametern auf und publiziert diese. Die Reichweite der Knoten ist jedoch durch die verwendete Hardware und insbesondere durch durch eingeschränkte Energie-ressourcen stark eingeschränkt. Um die Reichweite eines Sensornetzes trotzdem auszuweiten, können strategien zum kollaborativen Senden zwischen den Knoten in einem Sensornetz implementiert werden. Die sendenden Knoten nutzen dabei die konstruktive Interferenz aller Sendesignale um eine höhere Reichweite zu ermöglichen. Erste Arbeiten hierzu haben gezeigt, dass es möglich ist, einfache Informationen wie die Anzahl der sendenden Knoten auch über ein Vielfaches der üblichen Sendereichweite hinaus zu übertragen. Es ist leicht einsichtig, dass kollaboratives Senden ein Black-Box-Optimierungsproblem ist, welches mit evolutionären Verfahren gelöst werden kann. Bereits ein sehr einfacher evolutionärer Algorithmus, der (1+1)-EA (Populationsgröße und Nachkommenpopulationsgröße jeweils 1) ist geeignet, das Optimierungsproblem auch unter realen Bedingungen (Mehrwegeausbreitung, Pfadverlust, Rauschen) zu lösen.

Zielsetzung

Im Rahmen des SEP im Sommersemester 2009 werden die Studenten die kollabrorative Übertragung zwischen einem Sensornetz und einem entfernten Empfänger umsetzen. Für die Implementierung wird ein am Lehrstuhl vorhandenes software defined radio (Ein über Software ansteuerbarer Sender/Empfänger) mittels gnu radio programmiert.

Die fertige Implementierung soll

• in der Lage sein, identisches Sendesignal von beliebig vorsynchronisierten Sendern zu einem beliebig und nicht bekannt positionierten entfernten Empfänger synchronisieren
• Synchronisierung ausschließlich anhand eines Empfänger-Feedbacks erlauben
• zur Synchronisation keine Kommunikation zwischen den sendenden Knoten erfordern
• Bewegung des Empfängers durch Anpassen der einzelnen Sendesignale ausgleichen

Vorgaben

Zur Bearbeitung der Aufgaben stellt das Institut die folgenden Möglichkeiten zur Verfügung:

• software defined radio hardware (USRP), sodass ein Sensornetzwerk aus vier bis acht sendenden Knoten sowie einem empfangenden Knoten implementiert werden kann
• Rechnerarbeitsplätze am Institut
• Ein SVN wird am Institut eingerichtet
• Ebenso eine Mailingliste für die SEP-Gruppe

Aufgaben im Detail

Umsetzung der Synchronisierung kollaborativer Übertragung als black-box Opitmierungsproblem

• Implementierung eines Optimierungsverfahrens zur Lösung des Problems der kollaborativen Übertragung (z.B. evolutionäre Verfahren)
• Synchronisierung der Sendeknoten auf einen Empfänger an beliebiger Position ohne direkte Kommunikation zwischen den Sendeknoten
• Implementierung von einem Empfänger- und einem Sender-Modul
• Berechnung der Güte des überlagerten Sendesignals am Empfänger und Übermittlung an die sendenden Knoten als Feedback (z.B. SNR)
• Randomisierte Anpassung der Phase (und Frequenz) des Sendesignals einiger Sendender Knoten in Abhängigkeit von dem erhaltenen Feedback
• Möglichkeit, die Steuerung der USRP-Geräte auf mehrere Rechner zu verteilen
• Möglichkeit, eine Simulation im batch-betrieb ohne graphische Oberfläche zu starten

Graphische Oberfläche zur Unterstützung der Konfiguration

• Einstellen der Anzahl der Sende- und Empfangsknoten
• Einstellen der Feedback-Funktion, die verwendet wird (z.B. Signalstärke, binäres Feedback, Integer Wert)
• Einstellen der Sendestärke von sendenden Knoten
• Einstellen der Sendestärke des Empfängers
• Einstellen des verwendeten Basisband-Signals
• Einstellen der Frequenzstabilität der Sendeknoten
• Einstellen der Phasenstabilität der Sendeknoten
• Einstellen des Optimierungsverfahrens (z.B. evolutionär, hill climber, etc.)
• Einstellen des Mutations-Operators (Standardabweichung, Nachbarschaft etc.)
• Einstellen der Mutationswahrscheinlichkeit
• Einstellen eines Bezeichners für Ausgabe-Dateien
• Auswählen von Statistiken, die angewandt werden sollen

Datenübertragung zwischen dem Sensor-Netzwerk und dem Empfänger im Anschluss an die Synchronisierung

• Broadcast einer Sendenachricht zwischen allen sendenden Knoten
• Senden und erfolgreiches Empfangen der Nachricht am Empfänger
• Ermittlung der BER der gesendeten Nachricht

Unterstützung von Empfänger-Mobilität

• Nachjustierung der Synchronisation bei einem beweglichen Empfänger
• Kontinuierliche Datenübertragung zwischen einem Sensornetz und einem beweglichen Empfänger durch wiederholte Neusynchronisierung

Ausgabe von Ergebnissen (Statistiken)

• Optimierungszeit vs. Synchronisationsgüte
• Normalisierte Übertragungsstärke des Empfangssignals
• Frequenzfehler/Abweichungen am Empfänger
• Phasenfehler/Abweichungen am Empfänger
• Bitfehlerrate einer gesendeten Nachricht im Anschluss an die Synchronisierung
• Darstellung des überlagerten Empfangssignals

Simulation und Evaluation

• Optimierungszeit vs. Anzahl kollaborativ sendender Knoten
• Abstand zwischen Sender und Empfänger vs. Anzahl kollaborativ sendender Knoten
• Einfluss von Bewegung (Empfänger und/oder Sender) auf die Optimierungszeit und die Optimierungsgüte