Dynamische und selbstorganisierte Kanalbelegung und Sendestärkenregelung von Sensornetzen in hoher räumlicher Konzentration

Einleitung

IIm Rahmen von Hausautomatisierung und verteilter Energiemessung kommen zahlreiche unterschiedliche Sensoren und Aktoren auf relativ engem Raum (bspw. innerhalb einer Wohnung) zum Einsatz. Diese Komponenten werden in der Regel drahtlos über ein Funknetzwerk miteinander und gegebenenfalls über eine oder mehrere Datensenken vernetzt.

Bei der Installation von zahlreichen drahtlosen Sensorknoten auf engem Raum sind häufige und intensive Interferenzen auf dem Funkkanal die Regel. Das führt unter anderem zu Paketverlust, erhöhtem Energiebedarf und durch wiederholte Übermittlung von Paketen auch zu Verzögerungen.

Unterschiedliche Sensorknoten können dabei trotz enger räumlicher Nähe zueinander zu (physikalisch und logisch) unterschiedlichen Netzen gehören, bspw. wenn in einem Mehrfamilienhaus mehrere Parteien auf die gleiche Technik zur drahtlosen Vernetzung setzen. Außerdem kann es in bestimmten Szenarien sinnvoll sein, wenige kritische Komponenten auf einem physikalischen Kanal und viele unkritische Komponenten auf einem anderen physikalischen Kanal zu vernetzen.

Meistens wird ein solches Netz nicht statisch aufgebaut und bleibt dann unverändert bestehen. Vielmehr ist es die Regel, dass nach und nach weitere und andere drahtlose Sensoren und Aktoren hinzukommen, sich also die Beschaffenheit und Ausprägung des Netzes über die Zeit ändert. Da sich eine solche Dynamik nicht nur auf das „eigene“ Netz beschränkt, sondern auch in eventuell lokal benachbarten Netzen stattfindet, welche dann wiederum Einfluss auf die Eigenschaften des eigenen Netzes haben, kann es sinnvoll sein, die Kanalbeschaffenheit kontinuierlich (und nicht nur im Fall einer selbstinitiierten Änderung) zu überwachen, um dann die Kanalbelegung und Sendeleistung gegebenenfalls für (Teil-)Netze anzupassen, bzw. zu verändern.

Eine Verringerung der Sendeleistung kann dabei sowohl zur Verringerung der Interferenz mit benachbarten Netzen sinnvoll, als auch zur Wahrung der Privatsphäre nützlich sein: Selbst wenn die Datenübertragung (nach aktuell als sicher geltenden Verfahren) verschlüsselt stattfindet, kann alleine das Vorhandensein von Datenverkehr auf bestimmten Frequenzen Rückschlüsse auf eine eventuelle Aktivität innerhalb der Wohnung erlauben. Wenn die Sensorknoten einer Wohnung außerhalb dieser Wohnung jedoch nur mit sehr verringerter Leistung oder gar nicht mehr empfangen werden können, kann das durchaus als eine Verbesserung der Privatsphäre gewertet werden.

Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit ist es, ein System zur dynamischen und selbstorganisierten Kanalbelegung und Sendestärkewahl von Sensornetzen zu konzipieren, zu implementieren und zu evaluieren. Bei der Implementierung und Evaluation sollen dabei vor allem reale Sensorknoten, bzw. ein sogenanntes Testbed zum Einsatz kommen, da die Kanaleigenschaften mit dem vorhandenen Cooja-Simulator nicht adäquat nachgebildet werden können.

Das Problem der Zuordnung unterschiedlicher Knoten zu verschiedenen Netzen kann für diese Arbeit als statisch angenommen werden, d.h. eine initiale Konfiguration beispielsweise über die PAN-ID der jeweiligen Knoten kann die unterschiedlichen Netze voneinander trennen.

Den Hauptteil der Arbeit stellt die automatische Kanalwahl dar. Am Anfang sollte hier eine Literaturrecherche stehen, die gängige Verfahren auch aus anderen Bereichen (bspw. IEEE 802.11h) in Betracht zieht. Ausgehend von der oben beschriebenen Gegebenheit sich dynamisch ändernder Netze, sollen zunächst entsprechende Metriken gefunden und gegebenenfalls definiert werden. Dabei können z.B. Eigenschaften des Funkkanals (SNR/LQI/RSSI/Paketverlustrate) von Interesse sein, wobei zu unterscheiden ist, ob diese (bspw. summiert) für das gesamte Netz oder jeweils zwischen zwei Knoten bestimmt werden. Auch die absolute Tiefe eines Erreichbarkeitsgraphen kann ein geeigneter Wert zur Bewertung der „Qualität“ der aktuellen Kanalauswahl darstellen.

Bei einer anschließenden Kanalauswahl kann es durchaus konkurrierende Ziele geben – je nachdem welche Metriken als wichtig erachtet und welchen Zweck das spätere Netz erfüllen soll. So kann es bei bestimmten zeitlichen Anforderungen wichtig sein, möglichst wenig Hops auf dem Weg zwischen Quelle und Senke zu haben, während als konkurrierendes Ziel bspw. eine minimale Energieaufnahme (oder die oben angesprochene „gesteigerte Privatsphäre“) einzelner Knoten durch eine stark verringerte Sendeleistung gesehen werden kann, was in manchen Szenarien zu einer Erhöhung der Hop-Anzahl führt.

Als weitere Dimension kommt also hier die Regelung der Sendeleistung ins Spiel. Eine Regelung der Sendeleistung wurde schon in vorhergehenden Arbeiten am Institut umgesetzt – auf diese Implementierung und die entsprechende Evaluation kann – sofern sinnvoll und machbar – gerne zurückgegriffen werden.

Dass in dieser Arbeit keine allgemeingültige Lösung gefunden werden kann, ist selbstredend. Vielmehr sollen unterschiedliche Fälle betrachtet und evaluiert werden, wobei viele Aspekte wohl nur in der „realen Welt“ sinnvoll zu analysieren sind, d.h. die Nutzung eine größeren Testbeds sehr sinnvoll sein kann. Dazu ist u.a. auch ein entsprechendes Szenario mit mehreren benachbarten (und sich gegenseitig beeinflussenden) Netzen zu entwerfen. Es ist zu zeigen, dass das betrachtete Netz sinnvoll (im Rahmen selbst zu definierender Metriken) auf (von innen oder außen) eingebrachte Veränderungen reagiert, also bspw. auf einen Kanal wechselt, der zu einem geringeren Paketverlust führt.