Online Topology Optimization for dependable Wireless Sensor Networks

Motivation

Wireless Sensor Networks (WSN) bestehen aus einer Reihe von batteriebetriebenen Sensorknoten die drahtlos miteinander kommunizieren. Die Einsatzgebiete reichen von Umweltbeobachtungen bis zur Steuerung und Überwachung von Industrieanlagen. Den Anwendungen gemein sind jedoch die begrenzten Energiereserven, weshalb der Energiebedarf minimiert werden muss.

Das Projekt GINSENG entwickelt ein neuartiges drahtloses Sensornetzwerk, das Anwendungen Garantien über die Mindestperformanz des Netzwerkes geben kann. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Latenz sowie die Zuverlässigkeit gelegt. GINSENG ermöglicht es in Zukunft, Anwendungen auf Basis von WSNs zu realisieren, die mit klassischen Best-Effort Netzwerken nicht umsetzbar sind.

Um derartige Garantien geben zu können, verwendet GINSENG ein TDMA Medienzugriffsverfahren, das das Netzwerk in einer Baumstruktur organisiert. Die zugrunde liegende Baumstruktur wird momentan bei der Ausbringung des Netzes festgelegt und kann später nicht mehr geändert werden.

Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit ist es, dass die vormals statisch auf Basis von vor der Ausbringung gemessenen Daten berechnete Topologie sowie der TDMA-Zeitplan dynamisch an langfristige Veränderungen der Umgebung angepasst werden können. Es sollen daher Verfahren entworfen, implementiert und getestet werden, die die folgenden Aufgaben und Anforderungen erfüllen:

1. Knoten sollen während der Netzwerkoperation mittels dedizierter Zeitschlitze Informationen über die Qualität von drahtlosen Links zu potentiellen oder realen Nachbar- bzw. Vaterknoten sammeln. Diese Informationen sollen mit bereits existierenden Verfahren zur Senke des Sensornetzwerkes transportiert werden. Die entsprechenden Messverfahren sind auf Energieeffizienz auszulegen, wobei der eigentlich Messzweck im Vordergrund steht. Sollte ein Knoten feststellen, dass die momentane Sendeleistung zum Erreichen des Vaterknotens nicht ausreicht, so kann ggfs. temporär die Sendeleistung erhöht werden um einen reibungslosen Betrieb des Netzwerkes sicherzustellen.
2. Auf der Senke sollen Daten über die Qualität von Links gesammelt werden, die einerseits vor der Ausbringung des Netzwerkes gemessen und andererseits kontinuierlich mit den Daten der Knoten aktualisiert werden sollen. Dies erfordert eine geeignete Datenstruktur sowie die entsprechenden Schnittstellen, um die Daten aus dem drahtlosen Sensornetzwerk automatisch einzupflegen sowie um einem bestehenden Programm zur Ableitung einer Topologie Zugriff zu gewähren.
3. Auf der Senke soll nun algorithmisch entschieden werden, wann die erneute Berechnung der Topologie angestoßen werden soll. Zu diesem Zweck sind verschiedene Algorithmen zu vergleichen und ein geeigneter auszuwählen. Nach der Berechnung einer neuen Topologie soll algorithmisch entschieden werden, ob die erreichte Verbesserung der Netzwerkoperation die Kosten durch den Austausch des TDMA-Zeitplans überwiegen.
4. Ziel dieses abschließenden Schrittes ist es, die Topologie- und TDMA-Zeitplaninformationen in den bereits installierten drahtlosen Sensorknoten über die Luftschnittstelle zu aktualisieren. Bei diesem Vorgang ist insbesondere darauf zu achten, dass alle Knoten den neuen Zeitplan zum gleichen Zeitpunkt verwenden, um eine Fragmentierung des Netzwerkes zu verhindern.

Die im Rahmen dieser Diplomarbeit entworfenen und implementierten Komponenten sind umfangreich zu dokumentieren sowie geeignet zu evaluieren. Die neuen Komponenten sollen in das GINSENG Framework integriert und in diesem auch evaluiert werden.

In dieser Arbeit sind aus Komplexitätsgründen die Betrachtung von mobilen Knoten sowie die Berechnung einer optimalen Topologie explizit ausgeklammert.

Links

• Projekt: GINSENG
• Hinweise zur Durchführung von studentischen Arbeiten am IBR