Shawn: Simulation von Interferenz und MAC-Layer

Diese Arbeit wird in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Stefan Fischer und Dr. Dennis Pfisterer vom ITM der Universität Lübeck betreut.

Themengebiet

Sensornetze bestehen aus Einzelsystemen, die über Sensoren, einen Prozessor und Speicher sowie ein Funkinterface verfügen und mit Hilfe von Batterien mit Energie versorgt werden. Das Sensornetzwerk soll als Gesamtheit der Einzelsysteme komplexere Problemstellungen wie z.B. die Analyse von Bewegungen von Feuerfronten bei Waldbränden bewältigen können, obwohl die Einzelsysteme nur einfache Aufgaben wie beispielsweise Temperaturmessungen durchführen können. In den Projekten SwarmNet und SWARMS wurden Algorithmen, Protokolle und Middlewarekonzepte für Vernetzung, Betrieb und Programmierung von Sensornetzen untersucht. In diesem Kontext ist der Simulator Shawn entstanden, der nun kontinuierlich um neue Funktionen erweitert wird.

In der aktuellen Forschung auf dem Gebiet der Sensornetzwerke gibt es eine relativ grosse Zahl von Wissenschaftlern, die sich um die Entwicklung von Medium-Access-Control (MAC) Protokollen kümmert. Diese Protokolle haben einen entscheidenden Einfluss auf einzelne Sensorknoten sowie auf die Funktionsweise von anderen Protokollen und Anwendungen, die auf diesen MAC Protkollen aufbauen. Parameter wie Energiebedarf, Übertragungssicherheit, Erkennen von Kollisionen sowie vielfältig weitere müssen dabei betrachtet werden.

Die Arbeit im Detail

(I) Im Rahmen dieser Arbeit soll erarbeitet werden, welche Datenstrukturen und Algorithmen geeignet sind, schnelle MAC-Layer-Implementierungen zu ermöglichen. Dazu muss ein Funkkanal simuliert werden. Das entscheidende Modell dabei ist die SINR-Ungleichung: Wenn k Sender/Empfänger-Paare (s₁,t₁),...,(s_k,t_k) gleichzeitig kommunizieren, wobei Sender s_i mit Sendestärke P_si arbeitet, ist die i-te Übertragung genau dann erfolgreich, wenn

gilt. Das Ziel ist es hier, geometrische Datenstrukturen wie beispielsweise kd-Bäume einzusetzen, um diese Ungleichung möglichst schnell zu evaluieren.

(II)Im zweiten Teil der Arbeit soll evaluiert werden, inwieweit die Effekte von üblichen MAC-Layer-Protokollen vorhergesagt werden können, ohne das gesamte Protokoll zu simulieren. Aus Applikationssicht kann ein MAC-Layer-Protokoll als Black Box modelliert werden, der eine Nachricht übergeben wird und die nach einer gewissen Wartezeit entweder die Nachricht dem Empfänger übergibt, oder sie verwirft. In einer Simulation ist es daher effizienter, diese Black Box als stochastischen Prozess zu modellieren und mittels vereinfachten Modellen eine Wartezeit und das Erfolgsergebnis zu berechnen.

(III) Die in (I) und (II) entwickelten Verfahren sollen im Simulator Shawn umgesetzt und experimentell validiert werden.

Voraussetzungen für die Arbeit

Folgende Kenntnisse sind zum erfolgreichen Abschluss der Arbeit erforderlich. Es ist wünschenswert, wenn zumindest grundlegende Kenntnisse vorhanden sind. Zumindest jedoch sollte die Fähigkeit und der Wunsch vorhanden sein, dieses Wissen autodidaktisch zu erlangen.

• Objektorientiertes Design
• C++ (inkl. STL und Templates)
• Erfahrung mit Linux und Windows
• Umgang mit Versionskontrolle (Subversion)

Nach Einarbeitung und Umsetzung ist die geleistete Arbeit in der eigentlichen Schrift sorgfältig zu dokumentieren. Der implementierte Code ist selbstverständlich vollständig zu kommentieren (unter Verwendung von Doxygen) und unter das Lizenzmodell von Shawn (BSD) zu stellen. Es sind die Regeln zur Erstellung von wissenschaftlichen Arbeiten des Instituts zu beachten.