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Drahtlose Sensornetze

Dr. Kay Römer und Dr. Marc Langheinrich
Vorlesung SS 2007 (251-0380-00)

Zeit und Ort:

Donnerstags, 13:15 bis 16:00 Uhr, RZ F21

Inhalt:

Unter dem Begriff "Drahtlose Sensornetze" versteht man die Ansammlung hunderter oder tausender "Sensorknoten", welche die weiträumige Beobachtung von Phänomenen der realen Welt erlauben, ohne dabei die physischen Prozesse wesentlich zu beeinflussen. Ein Sensorknoten ist dabei ein mit Sensoren, Prozessoren und drahtlosen Kommunikationseinheiten ausgestatteter Miniaturcomputer, der per Batterie gespeist über längere Zeiträume Sensordaten erfassen, verarbeiten und zu anderen Knoten bzw. zu einer Basisstation übertragen kann. Aufgrund der anvisierten geringen Grösse auch als "Smart Dust" bezeichnet, sollen Sensorknoten in nicht all zu ferner Zukunft in den verschiedensten Szenarien einfach und in grossen Stückzahlen ausgebracht werden, um Gefahren frühzeitig zu erkennen, Umweltveränderungen detailliert zu überwachen und Menschen effektiv zu schützen. Diese Bandbreite an möglichen Einsatzgebieten, vor allem auch im Hinblick auf die Ausbringung der Sensorknoten in der realen Welt (zu Wasser, zu Lande und in der Luft; in- und ausserhalb von Gebäuden), sowie die durch die geringe Grösse resultierenden knappen Energie- und Hardware-Ressourcen ergeben eine Vielzahl von Herausforderungen an Hard- und Software.

In der Vorlesung "Drahtlose Sensornetze" werden die grundlegenden Aspekte und einige weiterführende Themen dieser Sensornetze vorgestellt. Ausgehend von typischen Anwendungen werden Basisanforderungen abgeleitet und deren Auswirkungen auf den Entwurf von Hardware, Betriebssystemen, und Kommunikationsprotokollen beschrieben. Es werden grundlegende Dienste wie Zeitsynchronisation, Lokalisierung und Sensorkalibrierung betrachtet, welche die Grundlage für die Sammlung, Verarbeitung und Interpretation von Sensordaten bilden. Die Vorlesung behandelt ebenfalls die zur praktischen Nutzung nötige Programmierung und Ausbringung, indem sie zeigt, welche Probleme hier auftreten und welche Konzepte und Werkzeuge zu deren Lösung entwickelt wurden. Darüber hinaus werden weiterführende Aspekte wie Sicherheit und Datenschutz in solchen Sensornetzen betrachtet.

Parallel zur Vorlesung wird als Übung ein Praktikum angeboten, in dem die Teilnehmer die in der Vorlesung gezeigten Konzepte im Rahmen verschiedener Problemstellungen auf einer realen Sensorknotenplattform in die Praxis umsetzen.

Übung

Alle Informationen zur Übung finden sich hier.

Folien:

Folien werden hier einige Tage nach der jeweiligen Vorlesungsstunde zum Download bereitgestellt.
Für die Prüfung ist der gesamte Inhalt der Vorlesung (nicht nur der Text der Folien) relevant.

  Datum PDF Themen Dozent
0
22.3.2007 0-intro.pdf Einführung: Themen, Organisatorisches, Praktikum, Zeitplan Kay Römer
1
22.3.2007 1-appl.pdf Applikationen: Beispiele, Herausforderungen Kay Römer
2
29.3.2007
12.4.2007
2-hw.pdf Hardware: Prozessoren, Kommunikation, Sensoren, Energie, Miniaturisierung Kay Römer
3
29.3.2007 t0-intro.pdf BTnodes - Eine Kurzübersicht Marc Langheinrich
4
5.4.2007 t1-btnut.pdf Einführung in das BTnut OS Marc Langheinrich
5
12.4.2007 3-os.pdf Betriebssysteme: Nebenläufigkeit, Speicherverwaltung, TinyOS, Events vs. Threads Kay Römer
6
19.4.2007 4-netarch.pdf Vernetzung von Sensoren: Netzstrukturen, Knotenrollen, Senken, Sensor-Aktor-Netze, Sensor Internet, Eigenschaften von Sensornetzen Kay Römer
7
19.4.2007 5-phys.pdf Bitübertragung und Sicherung: Frequenzbereiche, Modulation, Verzerrung, Signalstärke, Fehlerkorrektur, Framing, Link Management Kay Römer
8
19.4.2007
10.5.2007
6-mac.pdf Medienzugriff: Radio-Eigenschaften, Energiesparpotential, Nachrichtenmuster, Tradeoffs, Verdrängung vs. Zuteilung, Kollisionen, Capture-Effekt, Oder-Kanal, CSMA/CA, Sift, S-MAC, T-MAC, Präambeln, WiseMAC, B-MAC, LMAC, Bluetooth, IEEE 802.15.4, Performanz Kay Römer
9
26.4.2007 t2-net.pdf Das Chipcon-Funkmodul in BTnut Marc Langheinrich
10
3.5.2007 7-sec.pdf Sicherheit in Sensornetzen: Sicherheitsziele; Herausforderungen in WSN; SPINS Security Protokolle, SNEP und muTESLA, authentisierter Broadcast Marc Langheinrich
11
24.5.2007 t2-sensors.pdf Sensoren in BTnut Marc Langheinrich
12
31.5.2007 7-routing.pdf Routing: Convergecast, Spannbäume, Link-Qualität, Nachbar-Verwaltung, Link-Metriken, Distance Vector, Lokales Fluten, SPIN, Globales Fluten, Fire Cracker, Geo-Routing, Greedy und Face Routing Kay Römer
13
31.5.2007
7.6.2007
8-time.pdf Zeitsynchronisation: Anwendungen, Anforderungen, Hardware-Uhren und Drift, Kommunikation und Jitter, MAC-Timestamping, Reference Broadcast, Unicast-Synchr., Round-Trip-Synchr., Broadcast-Synchr., Drift-Kompensation, Regression, PLL, Multi-Hop Synchr., Bäume, Cluster, Out-of-Band, RBS, TPSN, FTSP Kay Römer
14
7.6.2007 9-loc.pdf Lokalisierung: Anker und GPS, Abstandsmessung, Laufzeit von Schall, Signalstärke, Konnektivität, Interferometrie, Platzierung, Zentroid, Bounding-Box, Lateration, Multi-Hop Lokalisierung, Summe der Distanzen, Mittlere Hop-Länge, Rekursive Anker, Iterative Verfeinerung Kay Römer
15
14.6.2007 10-data.pdf Datensammlung und -verarbeitung: Sampling und Aliasing, Re-Sampling, Coverage, PEAS, Quantisierung und Quantisierungsfehler, Kalibrierung, Colibration, Cleaning und Filter, FIR, Mittelwert- und Median-Filter, Konvolution, Hochpass-Filter, IIR, EWMA, Kalman, Sensor Fusion, Particle Filter, Vorhersage und Kompression, Adaptive Filter, LMS, Slepian-Wolf, Detektion, Klassifikation und Korrelation, Tracking Kay Römer
17
21.6.2007 11-ausblick.pdf Fazit und Ausblick: Weitere Herausforderungen, Programmierabstraktionen, Ausbringung Kay Römer

Ansprechpartner:

Marc Langheinrich, IFW D 48.3, langhein@inf.ethz.ch
Kay Römer, IFW D 48.1, roemer@inf.ethz.ch

Literatur

  • Protocols and Architecture for Wireless Sensor Networks: H. Karl and A. Willig, Wiley, Chichester, 2005, ISBN 0-470-09510-5
  • Wireless Sensor Networks: An Information Processing Approach: F. Zhao and L. Guibas, Morgan Kaufmann, San Francisco, ISBN 1-55860-914-8
ETH ZurichDistributed Systems Group
Last updated August 23 2010 01:54:44 PM MET ml