Title (eng): Management of selforganising wireless sensor networks

Author: Kos, A. (Andreas)

Description (deu): St. Pölten, FH-Stg. Computersimulation, Dipl.-Arb., 2006

Description (deu): Wireless Sensor Networks (WSNs) sind besondere drahtlose Netzwerke, bestehend auskleinen, billigen und robusten Geräten, den so genannten Sensorknoten. Die wichtigsten Fähigkeiten eines Sensorknotens sind das Aufnehmen von Sensordaten und dieKommunikation mit Nachbarknoten. Eine Vielzahl kommunizierender Sensorknoten ergibt ein Ad Hoc Netzwerk. Die Vielfalt der Anwendungen für WSNs reicht vom wissenschaftlichen, medizinischen, wirtschaftlichen bis zum militärischen Bereich. Sensorknoten unterliegen verschiedenen Einschränkungen, die durch ihre Architektur gegebensind, wie beispielsweise geringe Energieressourcen aufgrund einer Batterieversorgung. Trotzdem muss ein Knoten seine Aufgaben erfüllen und auch mit Fehler im Netzwerk zurecht kommen. Viele Anwendungen von WSNs befinden sich in freier Natur, wo die Sensor Einheiten der Witterung ausgesetzt sind und Knoten leicht ausfallen können. Fehlertoleranz ist somit eine der wichtigsten Eigenschaften, die WSNs aufweisen müssen. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein geeignetes Routing Protokoll für WSNs zu finden oder gegebenenfalls auch zu entwickeln. Routing Protokolle für konventionelle drahtlose Netzwerke gibt es mehrere. Bekannte Vertreter solcher Ad Hoc On Demand Protokolle sind Associativity-Based Routing, Adhoc On-Demand Distance Vector Routing, Dynamic Source Routing, Temporally-Ordered Routing Algorithm und Signal Stability Routing. Ein Vergleich der genannten Protokolle ergab, dass keines für den Einsatz mit WSNs geeignet ist. Die Hauptprobleme sind der hohe Energiebedarf aufgrund des Kommunikationsverhaltens, sowie der funktionelle Protokoll Overhead. Für WSNs werden schlanke und zuverlässige Protokolle, die nur die notwendigsten Funktionen bereitstellen und sehr Energie schonend arbeiten, benötigt. Das Protokoll Pheromone-based Routing Strategy (PRS) stellt ein Konzept für ein WSN Routing Protokoll dar. Es basiert auf jener Eigenschaft von Ameisen, vor Weggabelungen immer den Weg des höchsten Pheromonspiegels zu gehen. Der Vorteil von PRS gegenüber konventionellen Protokollen ist die Berücksichtigung des Energiezustandes, des Puffer Füllstandes und der empfangenen Signalstärke des jeweiligen Sensorknotens in seiner Routing Metrik. Des weiteren beinhaltet PRS eine Strategie für die Synchronisation.
Da alle Sensorknoten nur während einem gemeinsamen Kommunikationszeitraum ihre Sender und Empfänger aktivieren, muss dieser Zeitraum von allen Knoten
synchron wahrgenommen werden, andernfalls ist keine Datenübertragung möglich. Die Entwicklung von PRS erfolgte mit Hilfe von Simulationen mit einer mutli-agenten Programmiersprache und Modellierungsumgebung. Weitere Ergebnisse der Simulation sind Vorschläge für die Einstellung nicht Routing spezifischer Parameter (wie das Intervall zum Aufnehmen der Sensordaten, der Puffergröße, etc.), um ein optimales Setup der Sensorknoten zu erreichen.

Description (eng): Wireless Sensor Networks (WSNs) are special forms of wireless networks built by small, cheap and robust devices, so called sensor nodes. A collection of such devices, which combine sensing, computation and communication abilities, forms a new class of ad hoc networks. The range of applications for this kind of network runs from the scientific, medical, commercial to the military domain. Typical sensor nodes have several restricitons because of their architecture. One single node is a small battery supplied device which must be capable of detecting faults in the net, as well. Many applications for WSNs are outdoor, where the devices are exposed to hostile environments and errors are likely to occur. Thus, fault tolerance is an important characteristic of WSNs. The request to find a routing protocol suitable for WSNs is the impetus of this thesis. For conventional wireless networks many routing protocols exist. Well known examples for such ad hoc on demand protocols are Associativity-Based Routing, Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing, Dynamic Source Routing, Temporally-Ordered Routing Algorithm and Signal Stability Routing. A comparison of the mentioned protocols showed that none of these is suitable for WSNs. The main problems are the non energy aware communication behavior and the protocol function overhead. WSNs need a slim protocol, only capable of one task: forwarding all collected data from sensor nodes to the so called data sinks. Meshed communication bewteen sensor nodes is not necessary, but reliable links from each sensor node to the sink are. This task has to be carried out in a robust and energy saving way. The Pheromone-based Routing Strategy (PRS) provides a concept for a WSN routing protocol. It is based on the characteristic of ants for always choosing the way of the higher pheromone level. The advantage of PRS over the conventional protocols is the consideration of the sensor nodes' energy status, as well as the received signal strength and current buffer fill level in its routing costs. PRS includes a strategy for synchronisation as well. It is necessary for a node to synchronise its communication timeslot with all other member nodes of the network. Only in the common communication timeslot a data transmission is possible, the rest of the time the sensor nodes are in a low power mode, with their transceiver device disabled. PRS was developed by simulation with a multi-agent programming language and modeling environment. Further results of the simulation are suggestions for various non routing specific parameter settings (like the data collection interval, buffer size, etc) to achieve an optimal setup of the sensor nodes.

Object languages: German

Date: 2006

Rights: © All rights reserved

Classification: Selbstorganisation; Sensortechnik; Drahtloses Sensorsystem

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