Zielfunktion zur effizienten und robusten Wegewahl in WSNs

Einleitung

Die Sensoren in einem WSN bilden ein Ad-hoc Netz, also ein Netwerk ohne fester Infrastruktur zwischen den Endgeräten, und sind mit einem oder mehreren Nachbarn verbunden. Die Informationen werden dann von einem zum anderen Sensorknoten übertragen, bis das Ziel erreicht wurde. RPL organisiert die Topologie eines solchen Ad-hoc Netzes mit Hilfe von Directed Acyclic Graphs (DAG), die in ein oder mehrere Destination Oriented DAGs (DODAG) unterteilt werden (ein DODAG pro Wurzel). Dabei wird der Graph so aufgebaut, dass die Routen zu oder von einer Wurzel des Graphen optimiert sind. Die DODAGs werden mit Hilfe einer Objective Funktion (OF) konstruiert, die für jeden Sensorknoten einen Ranking- Wert nach vorgegebenen Metriken und Beschränkungen berechnet. Sie gibt außerdem vor wie die Elternknoten im DODAG ausgewählt werden. Die Objective Function kann dabei je nach Einsatzgebiet beliebig an die Anforderungen angepasst werden. So kann der Rank der einzelnen Sensorknoten zum Beispiel alleine von der Anzahl an Hops zum Ziel abhängen oder aber die Batteriestände der einzelnen Knoten bei der Auswahl der Routen berücksichtigen.

Eines der großen Probleme in WSNs ist die Auslastung des Netzwerks. Das Senden von Daten kostest den Großteil der Energie die einem Sensorknoten zur Verfügung steht. Daher ist es das Ziel Retransmissions zu reduzieren, um Energie zu sparen und das Netzwerk freizuhalten. Es gibt viele Faktoren, die die Zuverlässigkeit und somit die Verlustrate beim Senden von Informationen beeinflussen. So hängt die Sendeleistung unter anderem von der Temperatur des Sensorknotens, der Entfernung zum Ziel und der zur Verfügung stehenden Energie ab. Es ist daher sinnvoll, dass Netzwerk aktiv anzupassen, sodass ineffiziente Knoten, die viele Retransmissions produzieren, möglichst umgangen werden und so die Anzahl an Retransmissions zu reduzieren. Unter der Verwendung des RPL Protokolls kann die Objective Function zum Aufbau der DODAGs so angepasst werden, dass Energielevel der einzelnen Sensorknoten bei der Auswahl der optimalen Route berücksichtigt werden und so die Topologie des Netzwerks dynamisch zu optimieren.

Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit ist eine Objective Function für das RPL Protokoll zu schreiben, die die Netztopologie dynamisch so anpasst, dass möglichst immer die Route über den, zu dem Zeitpunkt, effizientesten Sensorknoten genommen wird. Dafür muss zunächst eine Metrik entwickelt werden, die die Sendefehlerrate (Zuverlässigkeit), die Energieeffizienz und das Energy Budget des Sensorknotens berücksichtigt. Zum Umfang dieser Arbeit gehört dabei nicht die selbstständige Ausarbeitung der Modelle für die Metrik, vielmehr wird dafür auf bereits veröffentlichte Publikationen zurückgegriffen. Die Implementation wird jedoch generisch gehalten, sodass die Modelle gegebenenfalls ausgetauscht werden können. Die Energieeffizienz eines Sensorknotens ist abhängig von der Temperatur des Knotens und beeinflusst dessen Sendeleistung. So verschlechtert sich zum Beispiel die Sendeleistung bei höheren Temperaturen und es sollte dementsprechend ein Knoten mit geringer Temperatur ausgewählt werden, um Daten zuverlässiger zu übertragen. Beim Energy Budget handelt es sich um ein Konzept zum Power Management von WSNs, das an der TU Harburg entwickelt wurde. Das Energy Budget beschreibt dabei einen Wert, der angibt wie viel Energie ein Sensorknoten für einen bestimmten Zeitraum zur Verfügung hat. Bei der Berechnung der Metrik müssen die drei Faktoren so gegeneinander abgewogen werden, dass ein möglichst effizientes und robustes Netzwerk von der Objective Function aufgebaut werden kann. Dabei sollten sich die drei Faktoren gegenseitig ausgleichen können. Wenn zum Beispiel die Batterie voll ist, könnte die Fehlerrate beim Senden gegebenenfalls vernachlässigt werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es die grundlegenden Zusammenhänge zwischen der Senderate, der Energieeffizienz und des Energy Budgets genauer zu untersuchen. Es soll dabei kein neues Protokoll entstehen. Im ersten Teil der Arbeit müssen zunächst verschiedene Modelle für die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit von Sensorknoten gegeneinander abgewogen werden. Aus diesen Modellen müssen dann Metriken für die zu entwickelnde Objective Function abgeleitet werden. Im nächsten Schritt müssen die Zusammenhänge zwischen den drei Metriken, bestehend aus der Senderate, der Energieeffizienz und des Energy Budgets, und deren Einfluss auf das Netzwerk, genauer untersucht werden. Mit Hilfe der erzielten Ergebnisse muss dann eine neue Metrik, aus den drei vorherigen Metriken, abgeleitet werden. Nachdem die Metrik entwickelt wurde, muss diese nun in eine Objective Function implementiert werden. Anschließend muss das Verhalten der Objective Function unter Veränderungen der einzelnen Faktoren untersucht werden und die entstehenden Auswirkungen auf das Netzwerk bewertet werden. Optional kann die Objective Function dann noch in RPL implementiert werden und mit einer naiven Objective Function, wie zum Beispiel der Objective Function Zero, verglichen werden. Hier sollte man dann zum Ergebnis kommen, dass die neu erstellte Objective Function zuverlässiger bzw. energieeffizienter ist.

Links

• PotatoNet
• INGA
• Undervolting in WSNs
• Cooja Simulator
• Hinweise zur Durchführung von studentischen Arbeiten am IBR