ETH Zurich :
Computer Science :
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Distributed Systems :
Education :
WSN SS2006
Drahtlose Sensornetze
Dr. Marc Langheinrich und
Dr. Kay Römer
Vorlesung SS 2006 (251-0380-00)
Zeit und Ort:
Mittwochs, 9:15 bis 12:00 Uhr, IFW A32.1
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.
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 |
5.4.2006 |
0-intro.pdf |
Einführung: Themen, Organisatorisches, Praktikum, Zeitplan |
Kay Römer |
1 |
5.4.2006 |
1-appl.pdf |
Applikationen: Beispiele, Herausforderungen |
Kay Römer |
2 |
12.4.2006 |
2-hw.pdf |
Hardware: Prozessoren, Kommunikation, Sensoren, Energie,
Miniaturisierung |
Kay Römer |
3 |
19.4.2006 |
3-os.pdf |
Betriebssysteme: Nebenläufigkeit, Speicherverwaltung, TinyOS,
Events vs. Threads |
Kay Römer |
4 |
19.4.2006 |
t0-intro.pdf |
BTnodes - Eine Kurzübersicht |
Marc Langheinrich |
5 |
26.4.2006 |
t1-btnut.pdf |
Einführung in das BTnut OS |
Marc Langheinrich |
6 |
3.5.2006 |
4-netarch.pdf |
Vernetzung von Sensoren: Netzstrukturen, Knotenrollen, Senken,
Sensor-Aktor-Netze, Sensor Internet, Eigenschaften von Sensornetzen |
Kay Römer |
7 |
3.5.2006 |
5-phys.pdf |
Bitübertragung und Sicherung: Frequenzbereiche, Modulation,
Verzerrung, Signalstärke, Fehlerkorrektur, Framing, Link Management
| Kay Römer |
8 |
3.5.2006
10.5.2006 |
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 |
10.5.2006
24.5.2006 |
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 |
10 |
17.5.2006 |
t2-netw.pdf |
Networking in BTnut OS |
Marc Langheinrich |
11 |
24.5.2006
31.5.2006 |
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 |
12 |
31.5.2006 |
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 |
13 |
7.6.2006 |
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 |
14 |
14.6.2006 |
t3-sens.pdf |
Sensoren in BTnut |
Marc Langheinrich |
15 |
21.6.2006 |
11-privacy.pdf |
Privatsphähre und Datenschutz in Sensornetzen: Definitionen, Facetten, Motivationen, Gründe, Privacy Borders (natürliche, soziale, zeitlich/räumliche, vergängliche), Ubicomp und Privatsphähre, Sensornetze und Privatsphähre, Gesetze USA, Gesetze Europa, EU Data Protection Directive, OECD Fair Information Practices, Privacy Enhancing Technology (PETs), Transparenz, P3P, PawS-Infrastruktur |
Marc Langheinrich |
16 |
28.6.2006 |
12-security.pdf |
Sicherheit in Sensornetzen: Sicherheitsziele; Herausforderungen in WSN; DoS-Angriffe auf Physical Layer, Link Layer, Network Layer und Transport Layer; Sinkhole- und Wormhole-Angriffe; HELLO Floods; Vertrautheit und Integrität in WSN; SPINS Security Protokolle, SNEP und muTESLA, authentisierter Broadcast; TinySec; Hardware-Krypto; Asymmetrische Kryptographie auf Basis von Elliptischen Kurven, Sizzle (Small SSL); Sicherheit von Sensorwerten |
Marc Langheinrich |
17 |
5.7.2006 |
13-ausblick.pdf |
Fazit und Ausblick: Weitere Herausforderungen, Programmierabstraktionen,
Ausbringung
| Kay Römer |
Übung
Alle Informationen zur Übung finden sich hier.
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
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