Entwicklung adaptiver Kommunikationsprotokolle für zukünftige WSN-Anwendungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Philip Parsch
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436528049

Im Zeitalter des Internet der Dinge (IoT) sind immer mehr Geräte miteinander verbunden und tauschen Informationen aus. Das ermöglicht viele neue interessante Anwendungen, stellt aber auch hohe Anforderungen and die zugrunde liegende Kommunikationsinfrastruktur, insbesondere an drahtlose Sensornetzwerke (WSNs), die IoT Geräte mit der Umgebung verbinden. Diese müssen eine zuverlässige, energieeffiziente und verzögerungsfreie Kommunikation gewährleisten, was aber angesichts steigender Dynamik und Heterogenität solcher Netzwerke immer schwieriger wird. In diesem Zusammenhang bieten sich adaptive Kommunikationsprotokolle an, d. h., Protokolle welche sich selbstständig an Veränderungen anpassen können, um so automatisch vorgegebene Leistungsziele zu erreichen. Bisherige Lösungen haben jedoch gravierende Nachteile, die ihre Leistung und ihren Anwendungsbereich stark einschränken. So unterstützen sie beispielsweise nur individuelle Leistungsziele (z.B. Zuverlässigkeit oder Energie, aber nicht beides) oder berücksichtigen keine heterogenen Netzknoten.Dieses Forschungsprojekt hat das Ziel diese Probleme zu beheben und stellt hierfür ein eigenes adaptives Protokoll vor. Im Gegensatz zu bestehenden Lösungen aus der Literatur basiert dieses auf einem speziellen, intrinsisch adaptiven MAC-Protokoll (Medium Access Control), das um eine ODA-Regelung (Observe, Decide, Act) zur Automatisierung erweitert wird. Damit sollen verschiedene Adaptionstechniken wie kontrolltheoretische Ansätze und maschinelles Lernen (z. B. Q-Learning) untersucht und deren Effektivität und Einfluss auf die Speicher-/Rechenleistung der eingebetteten Knoten bewertet werden. Effektivität bedeutet hier, wie gut die verschiedenen Kontrollmechanismen einen Kompromiss zwischen gegensätzlichen Leistungszielen finden können. So sind beispielsweise Zuverlässigkeit und Energieverbrauch zwei gegensätzliche Ziele, d. h., wird ein Wert erhöht, verschlechtert sich der andere. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, geeignete Kompromisse zu finden. Dies ist jedoch keine leichte Aufgabe, da WSNs verteilte eingebettete Systeme mit heterogenen (d. h. knotenspezifischen) Einschränkungen sind. Zuletzt wird das entwickelte adaptive Kommunikationsprotokoll mit Hilfe von Simulation und auf realer Hardware, z. B., auf T-Mote Sky Sensorknoten, evaluiert. Die gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, die Schwächen heutiger Lösungen zu beseitigen und damit ihre Anwendbarkeit und Leistung zu erhöhen – diese erreichen bereits heute >80% höhere Leistung als klassische, nicht-adaptive Protokolle, können aber noch weiter gesteigert werden. Zusammenfassend trägt dieses Forschungsprojekt somit zum Design und zur Entwicklung verbesserter adaptiver WSNs bei, die die steigende Komplexität, Dynamik und Heterogenität moderner und neuer Anwendungen bewältigen können.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Henry Hoffmann, Ph.D.