Superimposed radio signals in wireless sensor networks

Drahtlose Sensornetzwerke sind Netzwerke, die aus einer Vielzahl von Kleinstrechnern aufgebaut werden. Diese Kleinstrechner sind typischerweise sehr ressourcenarm und leistungsschwach. Sie tragen eine Funkkommunikationseinheit mit der sie zu anderen Kleinstrechnern (sog. Funkknoten) Nachrichten austauschen können. Diese Nachrichten können auch stückweise von Knoten zu Knoten über weite Distanzen weitergeleitet werden. In einem solchen Fall spricht man von Multi-hop Kommunikation. Funkknoten können durch bestimmte Mechanismen Nachrichten automatisch weiterleiten und Nachrichtenwege selbständig im Netzwerk etablieren. Ein Systemaufbau von vielen leistungsschwachen Knoten legt es nahe, auf möglichst vielen Ebenen der Systemarchitektur kooperative Mechanismen zu nutzen. Überlagerte Funksignale sind ein solcher Kooperationsmechanismus. Sie treten immer dann auf, wenn mehrere Quellen zugleich auf der gleichen Frequenz Signale aussenden. Die vorliegende Arbeit stellt das Konzept der überlagerten Funksignale dar und zeigt eine Reihe von Nutzungsmöglichkeiten in drahtlosen Sensornetzen. Die Randbedingungen sind hier stets eine sehr leistungsschwache Hardware. Unter diesen Voraussetzungen werden mit Hilfe der neuen Modelle grundsätzliche Probleme in drahtlosen Sensornetzwerken wie Zeitsynchronisation, Zuverlässigkeit, Kanalnutzung und Datenfusion, gelöst. Die Basis bildet das neue Modulationsverfahren (ESK, energy shift keying), welches überlagerte Funksignale für Gruppen von Funkknoten ermöglicht. Dieses Übertragungsverfahren ist speziell für sehr einfach aufgebaute Hardware geeignet und basiert auf reiner Energiedetektion. In vielen Implementierungen und Studien wird der praktische Nutzen von überlagerten Funksignalen gezeigt. Die Anwendungen reichen von Ultraschall-Lokationssystemen über Warenerkennung im Supermarkt bis hin zu Echtzeit-Zugriffsmechansimen für verteilte Funksysteme.Wireless sensor networks consist of a number of embedded computers. These embedded computers are typically very weak in energy and computing power but carry a wireless communication unit to exchange packet messages with other embedded computer (called nodes). The messages can be transported from one to another node building multi-hop communication. Nodes are capable of automatically forwarding messages and establishing routes for messages through the network. Such systems of a number of weak nodes can greatly benefit of cooperative mechanisms. Superimposed radio signals are such a cooperative mechanisms. They occur whenever two or more nodes emit radio signals at the same time and in the same frequency band. This work presents a new concept for superimposed radio signals and shows various use-cases in wireless sensor network. The constraints are the weak hardware with limited computing and energy resources. New models are derived and presented that can solve principal problem in wireless sensor networks such as time synchronization, channel usage, reliability and data fusion. Basis for all contributions is the new modulation scheme for superimposed radio signals call ESK (energy shift keying). ESK is a multi-stage modulation based on energy detection in the receiver, enabling superimposed radio signals for a group of sensor nodes. Various Implementations and studies are presented that illustrate the practical use of superimposed radio signals. The applications range from ultrasound location systems over item handing in a retail store to real-time access protocols in wireless distributed systems

Beitrag zur Verhaltensanalyse und Synchronisation von steuerungstechnischen Prozessen durch verteilte echtzeitfähige Kommunikationssysteme

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten

Mobilfunkbasiertes Steuerungskonzept für das Flottenmanagement in Tagebauen und Minen

Die zentrale Zielstellung dieser Arbeit ist der Entwurf eines Steuerungskonzeptes für das Flottenmanagement der mobilen Technik in Tagebauen und Minen. Dies umfasst sowohl die Analyse bestehender Systeme als auch die Formulierung von allgemeinen Systemanforderungen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wird in der Arbeit ein Ideenkatalog skizziert, der auf den folgenden abstrakten Ansatzpunkten beruht - Mobilität, Verteilung und Kooperation der mobilen Objekte. Als integraler Bestandteil des Systems wird darauf aufbauend ein angepasstes Kommunikationskonzept entworfen. Unter Beachtung der geforderten weltweiten Einsatzfähigkeit und als Basis für eine kostengünstige Entwicklung werden neuartige Ansätze der Kombination von Lösungen aus den Bereichen Lokalisierung, Kooperation, Synchronisation, Datenerfassung und Steuerung mobiler Einheiten dargelegt

Modellierung von Kommunikationssystemen zum Zweck der Systemanalyse und des Systementwurfs

Einen wesentlichen Beitrag zu Innovationen und Weiterentwicklungen in der Automobilindustrie leisten elektronische Komponenten. Der funktionale Wachstum in den Bereichen Sicherheit, Komfort und Fahrerassistenz führt zu einer Erhöhung der Komplexität. Neben der Anzahl der Komponenten steigert sich auch der Bedarf an Kooperation und Datenaustausch. Insbesondere by-wire- und Assistenzsysteme (Hochautomatisiertes Fahren) zeichnen sich durch hohe Anforderungen in den Bereichen Zuverlässigkeit, Datenkonsistenz, Fehlertoleranz und Ausfallsicherheit aus. Die Zusammenarbeit einzelner Steuergeräte fordert von der Kommunikationsstruktur neben hohen Datenraten auch Determinismus und Echtzeitverhalten. Die Entwicklung dieser komplexen verteilten Systeme profitiert durch modellbasierte Entwurfsprozesse. Der Nachweis von grundlegenden Systemeigenschaften mit dem Schwerpunkt Kommunikation soll bereits in frühen Entwurfsphasen mit Hilfe von ausführbaren Spezifikationen modell- und simulationsbasiert erfolgen. In dieser Arbeit wird ein Modellierungsansatz entworfen, welcher die typischen ereignis- und zeitgesteuerten Protokolle in der Domäne Automotive adressiert. Der Fokus liegt auf den Buszugriffsverfahren. Modelle auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen werden am Beispiel von Controller Area Network (CAN) und FlexRay definiert und realisiert. Neben der reinen Kommunikation werden die angrenzenden Themenfelder Gateway (heterogene Kopplung) und Betriebssystem berücksichtigt. Detaillierte Modelle eignen sich zur Analyse spezifischer Protokolleigenschaften sowie zur Weiterentwicklung von Protokollfunktionen auf Modellebene. Mit abstrakteren Modellen lassen sich Leistungs- und Eigenschaftsanalysen von großen heterogenen Systemen durchführen. Echtzeitkommunikation, vernetzte Systeme und Anwendungsfelder für modellbasierte Entwurfsprozesse finden sich auch außerhalb des Automobilbereiches. Die Anwendung wird am Beispiel der Entwicklung und Optimierung eines komplexen verteilten Systems zur Steuerung einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine demonstriert. Innerhalb des Entwicklungsprozesses werden Entwurf, Realisierung und Leistungsbewertung bezüglich der Architektur des Gesamtsystems, der Verteilung von Funktionen und der Realisierung einzelner Komponenten sowie applikationsspezifische Kommunikationsprotokolle betrachtet.Major innovations and improvements in the automotive industry base on the electronic components. The growing number of functionality in the areas safety, comfort and driver assistance lead to an increase of the complexity. Not only the number of components increase. Especially to realize complex assistance systems the cooperation and data exchange gets more important. In particular, by-wire and assistance systems (highly-automated driving) have high requirements on reliability, data consistency and safety. The cooperation of single control units to realize these complex functions require not only high data rates but also determinism and real-time behavior of the communication architecture. The development of these complex distributed systems benefits from model-based design processes. The verification and validation of system properties with a focus on communication should be possible in early design phases using model and simulation-based approaches based on executable specifications. In this thesis, a modeling approach is developed addressing the typical event-driven and time-triggered protocols in the automotive domain. Models on different abstraction levels are defined and implemented. The Controller Area Network (CAN) and FlexRay are used as examples. Beside the communication protocols some related topics: gateway-functionality (heterogeneous communication) and operating system. The developed detailed models are adequate for the analysis of specific protocol properties as well as the improvement of protocol functions on model level. More abstract models can be used to analyze the performance, real-time behavior and characteristics of large heterogeneous systems. Real-time communication, distributed embedded systems and model-based design processes are not limited to the automotive sector. Therefore the utilization of the modeling approach is demonstrated within the development and optimization of a distributed embedded system: a signal- and dataprocessing unit of a nanopositioning- and nanomeasuringmachine. The example covers most parts of the development process. Selected topics are the design of the system architecture, the distributed allocation of functionality, the realization of single components and the development of application specific communication protocols