REAP: Robuste, energieeffiziente drahtlose Sensornetze für realistische Außeneinsatzszenarien durch Adaption von Betriebs-Parametern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Felix Büsching
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme ; Bild- und Sprachverarbeitung, Computergraphik und Visualisierung, Human Computer Interaction, Ubiquitous und Wearable Computing ; Rechnerarchitektur, eingebettete und massiv parallele Systeme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317849339

Die Einsatzmöglichkeiten von drahtlosen Sensornetzen sind ebenso vielfältig wie herausfordernd. So dienen z.B. in der Landwirtschaft verteilte Sensoren zur Überwachung des Pflanzenwachstums oder zur Bodenanalyse. Hier ist die Robustheit - sowohl der einzelnen Sensorknoten als auch des gesamten Sensornetzes - essentiell für eine erfolgreiche Projektdurchführung bzw. für diverse "Smart Farming"-Ansätze. Dabei haben nahezu alle Umwelteinflüsse auch einen direkten oder indirekten Einfluss auf die Lebensdauer der Knoten bzw. des Netzes; zusätzlich treten in Outdoor-Szenarien starke Schwankungen dieser Umgebungsbedingungen auf. So werden bspw. bedingt durch Sonneneinstrahlung auf einzelnen Sensorknoten Temperaturunterschiede von bis zu 56 °C innerhalb eines Tages erreicht, wobei sich außerdem eine starke Heterogenität der Temperaturen zwischen den einzelnen Knoten eines Netzes zeigt. Um einen längerfristigen Einsatz zu ermöglichen, sollte ein Sensornetz, das solchen Umweltbedingungen unterliegt, besonders robust gegenüber diesen sein und insbesondere die Energieversorgung der einzelnen Knoten gewährleisten. Robustheit wird dabei unter anderem durch eine weitestmögliche Verringerung des Energiebedarfs bzw. Anpassung des Bedarfs an die Erzeugung (oder umgekehrt) erreicht. Des Weiteren können auch einzelne Funktionen (bspw. Aufnehmen, Speichern und Verarbeiten von Daten) - zum einen auf einzelnen Knoten und zum anderen innerhalb des Netzes - zeitlich und örtlich an die jeweiligen Umwelt- und damit Energiebedingungen angepasst und einzelne Aufgaben verschoben werden. Insbesondere in Outdoor-Szenarien ergibt sich dadurch die Situation dass a) manche Knoten aufgrund ihrer aktuellen Temperatur und ihrer individuellen Eigenschaften energieeffizienter als andere Knoten arbeiten können (Heterogenität im Netz) und b) sich ändernde Umgebungsbedingungen (bspw. Sonne/Schatten oder Tag/ Nacht) zu einer dynamischen Veränderung der Energieeffizienz einzelner Knoten oder des gesamten Netzes führen. Auch die Möglichkeiten des Energy-Harvestings unterliegen einer Dynamik. Durch die kontinuierliche Beobachtung der Umwelt lässt sich Nutzen aus dieser Dynamik ziehen. Realistische Energie- und Zuverlässigkeitsmodelle (hier abgeleitet aus Messwerten) können zusammen mit Informationen über die im Netz befindlichen Knoten auch für Entscheidungen bei der Wegewahl, Aufgabenverteilung und Bearbeitung innerhalb des Netzes genutzt werden. Durch Prädiktion der Umgebungsvariablen lassen sich zusätzlich geeignete Zeitpunkte für rechenintensive Operationen oder für Datenweiterleitung in verzögerungstoleranten Netzen bestimmen. Dafür werden spezifische Scheduler und Routing-Protokolle entwickelt, welche den robusten Betrieb des dynamischen Einflüssen ausgesetzten Sensornetzes ermöglichen. Eine kontinuierliche Evaluation erfolgt in einer realen Umgebung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Lars Christian Wolf