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Education :
WSN SS2007
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
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