Medienzugriffsverfahren und Übertragungstechniken für breitbandige energieeffiziente Sensorfunknetze

Sensor- und Datenfunknetze, die im Folgenden vereinfachend Sensorfunknetze genannt werden, zeichnen sich durch einfache Einzelkomponenten mit begrenzten Möglichkeiten aus. Sensorfunknetze bestehen aus einer großen Menge identischer Knoten, die in der Anschaffung günstig und in ihrer Größe stark begrenzt sind. Dadurch sind Ausfälle einzelner Knoten wirtschaftlich undramatisch und werden durch benachbarte Knoten ausgeglichen. So entsteht der Nutzen des Netzwerks nicht durch die Messung eines einzelnen Knotens, sondern mit der Fusion vieler Messungen innerhalb eines gesamten Netzwerks. Sensornetze werden zur verteilten Überwachung von physikalischen Messwerten und in der Automation eingesetzt. Bei diesen Anwendungen stehen Robustheit, Langlebigkeit und Wartungsarmut im Vordergrund. Auf höchste Datenraten und geringste Latenzen wird zu Gunsten eines effizienten Haushaltens mit Energie verzichtet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Übertragungstechniken und Medienzugriffsprotokollen für Sensornetzwerke. In beiden Bereichen steht der effiziente Umgang mit einer begrenzten Energiemenge im Vordergrund. Daher werden die diskutierten Übertragungsverfahren und die Methoden zum Zugriff auf den Kanal im Bezug auf ihre Leistungsaufnahme beziehungsweise ihren Stromverbrauch hin untersucht. Als Kandidaten für ein Übertragungsverfahren werden eine DSSS-Technik, wie sie in WPANs vorkommen und die OFDM-Übertragungstechnik miteinander verglichen. Das OFDM-Übertragungsverfahren ist aus zahlreichen Mobilfunk- und Rundfunkanwendungen bekannt, wurde aber bisher nicht als physikalisches BitÜbertragungsverfahren für energieeffiziente Netzwerke in Betracht gezogen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass OFDM-Übertragungssysteme mit dem gleichen Aufwand an Energie eine höhere Datenrate erzielen können, denn das Versenden eines Datenpakets benötigt zwar mehr Energie, es enthält aber auch wesentlich mehr Nutzdaten als bei einem DSSS-basierten Verfahren. Bei Sensorfunknetzen, deren Anwendung einen erhöhten Datendurchsatz verlangt, ist die OFDM-Übertragungstechnik eine lohnenswerte Alternative. Das Zusammenspiel des Übertragungsverfahrens mit den Protokollen für die Steuerung des Zugriffs auf das Übertragungsmedium ist entscheidend. Lange Laufzeiten von batteriebetriebenen Netzwerken lassen sich nur erreichen, wenn alle Komponenten des Knotens für die überwiegende Zeit abgeschaltet werden können. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Protokoll für den Medienzugriff namens ERA zeigt eine gute Skalierbarkeit bei unterschiedlichem Aufkommen von Informationspaketen pro Zeit. Das Protokoll kann somit effizient auf sich ändernde Situationen im Sensornetz reagieren. Da ein Rahmen erst abgehört wird, bevor eine Position in diesem Rahmen belegt wird, kann ein TDMA-ähnliches Verhalten realisiert werden, ohne auf eine zentrale Kontrollinstanz angewiesen zu sein. Der Aufwand für den Versand von regelmäßigen Lebend- Paketen ermöglicht eine Reservierung zukünftiger Zeitschlitze ohne dass eine Zuweisungstabelle von Zeitschlitzen ausgetauscht werden muss. Die Erprobung von Übertragungsverfahren und -protokollen ist durch programmierbare Logikbausteine (FPGAs) in Echtzeit möglich geworden. Die zu erwartende Leistungsaufnahme kann mit Hilfe detaillierter Simulationen des implementierten Designs abgeschätzt werden. Somit kann in dieser Arbeit die Implementierung von Algorithmen zur digitalen Signalverarbeitung sowohl im Hinblick auf den Ressourcenverbrauch als auch auf die zu erwartende Leistungsaufnahme hin optimiert werden. Neben der dedizierten Logik für die digitale Signalverarbeitung der OFDM-basierten physikalischen Schicht können weiterhin durch eine Verhaltensbeschreibung erzeugte Prozessoren im selben FPGA untergebracht werden, um die Aufgaben eines Mikroprozessors zu übernehmen. Diese Aufgaben beinhalten beispielsweise den Medienzugriff und die Ansteuerung von Sensoren. Der verwendete Prozessor bietet genügend Reserven, um neben dem Transport von Datenpaketen auch vielfältige andere Aufgaben zu übernehmen, denn selbst in dem für Sensornetze untypischen Fall, dass ein Knoten ständig sendet und empfängt, ist der verwendete 32bit RISC Prozessor kaum belastet.