fsp selbstorganisierende mobile sensor- und ... - SomSed

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2 WISSENSCHAFTLICHE AUSRICHTUNG Der Forschungsschwerpunkt (FSP) Selbstorganisierende mobile Sensor- und Datenfunknetze (SOMSED) erforscht Grundlagen und Techniken zum Entwurf und Betrieb von Sensornetzen. Es geht dabei um die Organisation und den Betrieb räumlich verteilter Sensoren, die unterschiedliche physikalische Messprinzipien realisieren und die per Datenfunk zum Zwecke des Nachrichtenaustausches miteinander verbunden sind. Beispielsweise werden eine kontinuierliche und flächendeckende messtechnische Erfassung physikalischer und biologischer Messgrößen und die zugehörige Technik zur Signalauswertung mittels drahtloser Sensornetzwerke in diesem FSP betrachtet. Es werden also Netzwerke betrachtet, die aus ortsfesten oder mobilen Sensorknoten aufgebaut sind und in denen Messtechnik, Aktuatoren, eine Datenverarbeitungseinheit und eine Energieversorgung integriert sind. Die Sensorknoten messen an unzugänglichen Stellen physikalische Umgebungswerte und führen Berechnungen sowie Messdatenanalysen durch. Jeder Sensorknoten kann Berechnungen durchführen, Analysen erstellen und die Ergebnisse mit benachbarten Knoten per Funktechnik austauschen. Für diesen Zweck ist auf kleinstem Raum eine drahtlose Funkschnittstelle in den Sensorknoten integriert. Dies erlaubt die Erfassung einer Vielzahl von Phänomenen mit einer deutlich höheren Ortsauflösung als bisher. Potentielle Einsatzgebiete dieser Sensornetze liegen beispielsweise in der Überwachung der Umwelt, in medizinischen und maritimen Systemen, in der Logistik und in der Robotik. Der Einsatz solcher Netze wird insbesondere dort eine wirtschaftliche Bedeutung haben, wo Sensorik in einer messtechnisch komplizierten und unfreundlichen Umgebung eingesetzt wird oder wo eine Verkabelung zwischen Sensoren sehr aufwändig oder gar unmöglich ist. Da die potentiellen Einsatzgebiete und die Größe der Netze eine manuelle Überwachung und Steuerung weitgehend ausschließen, müssen die betrachteten Netzwerke über die inhärente Fähigkeit verfügen, ihre Funktion ohne externe Eingriffe auch bei partiellen Fehlern zu gewährleisten. Die theoretische Grundlage hierzu bildet das Konzept der Selbstorganisation, d. h., die struktur- und verhaltensgebenden Einflüsse gehen von den Elementen des sich organisierenden Systems selbst aus. Dies impliziert, dass auf eine zentrale Steuerungsinstanz verzichtet wird. Der FSP SOMSED verfolgt die Vision sehr großer, sich selbst organisierender Netze, bestehend aus tausenden von Knoten, ausgestattet mit der entsprechenden Sensorik, die autark über lange Zeiträume Dienste erbringen. Dieses Ziel soll durch die Zusammenarbeit von Instituten mit Kompetenzen auf den Gebieten Sensorentwicklung, drahtloser Kommunikation und Systementwicklung erreicht werden. Insbesondere wird den Doktoranden der beteiligten Institute durch die Einbettung ihrer eigenen Arbeiten in einen größeren Kontext die Möglichkeit eröffnet, aus isolierten Fakten und Methoden Wissen innerhalb dieses Kontextes zu generieren. Die Förderung interdisziplinärer Forschungsansätze erfolgt durch die Institutionalisierung regelmäßiger Doktorandentreffen mit wechselnden thematischen Schwerpunkten. Die anerkannt hohe wissenschaftliche Leistung der beteiligten Institute und die zu erwartenden Synergieeffekte führen zu einer Forschung auf höchstem Niveau. 4
3 BERICHT ÜBER DIE ERSTE PHASE DES FORSCHUNGSSCHWERPUNKTES 3.1 FORSCHUNG Die Bedeutung von Sensornetzen für ganz unterschiedliche Beobachtungs- und Überwachungsaufgaben wird in den nächsten Jahren erheblich zunehmen. Zur Überwachung und Beobachtung großer Gebiete müssen Sensorknoten mit einer im Allgemeinen sehr begrenzten Reichweite systematisch oder zufällig ausgebracht werden. Die Sensorknoten können stationär oder mobil sein und über sehr lange Zeiträume vollkommen autonom arbeiten. Der FSP SOMSED widmet sich der Fragestellung, wie lokale Ereignisse durch geeignete Sensoren unmittelbar detektiert und die Messergebnisse in möglichst verzögerungsfreier Form durch das Sensornetz an eine Zentrale geleitet werden können. Die Güte eines solchen Sensorknotens wird am Energieverbrauch, an der Messempfindlichkeit und der resultierenden Falschalarmrate sowie an der Reichweite gemessen. Angestrebt werden kurze Latenz- und lange Laufzeiten. Bei klassischen Lösungen werden mit hohem Energieaufwand kontinuierliche Beobachtungen oder periodisch lokale Messungen in festen zeitlichen Abständen durchgeführt, wobei bei der zweiten Variante die Entdeckungswahrscheinlichkeit eingeschränkt ist. Im Gegensatz dazu weisen Sensornetze einen extrem niedrigen Energieverbrauch auf und können durch eine integrierte Energiegewinnung (Energy Harvesting) eine theoretisch unendliche Lebensdauer erreichen. Durch eine ereignisgesteuerte Aktivierung des Sensornetzes werden zudem geringe Latenzzeiten erzielt. Diese Aufgabenstellung erfordert vielfach neuartige Netzwerkarchitekturen sowohl auf der Hardwareebene (niedriger Leistungsverbrauch, quasi leistungslose Schlaf- und Weckzustände, lokale Energiegewinnung), insbesondere aber auch auf der Softwareebene (dezentrale Regelung des Mehrfachzugriffs auf den Kommunikationskanal, des Datentransports, der Schlafperioden und der Datenaggregation). Ausgehend von den vor Gründung des FSPs SOMSED in den beteiligten Instituten des Dekanates Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Hamburg-Harburg laufenden Forschungsaktivitäten war es zunächst Ziel, das bereits vorhandene, bisher kaum vernetzte Fachwissen zusammenzuführen. Durch die Einrichtung des Forschungsschwerpunktes wurden institutsübergreifende Forschungsvorhaben initiiert. Die zahlreichen interdisziplinären Diskussionen haben neue Zielstellungen und Lösungsansätze für den Aufbau selbstorganisierender Systeme und drahtloser Sensornetze eröffnet. Dies bewirkte eine vertiefte Zusammenarbeit der teilnehmenden Institute und erzeugte insbesondere Synergien zwischen den Disziplinen Elektrotechnik und Informatik. Wegen der Breite und Tiefe der verschiedenen Fachgebiete wurde der Forschungsschwerpunkt in drei Hauptbereiche gegliedert, in denen jeweils die Themen Sensorik, Sensor- und Datennetze sowie selbstorganisierende Netze bearbeitet wurden. Ergänzt wurden diese Themenfelder durch anwendungsorientierte Arbeiten. Selbstorganisierende mobile Sensor- und Datenfunknetze Sensorik Sensor- und Datennetze Selbstorganisierende Netze Applikationen 5
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