Überlagerte Funksignale in drahtlosen Sensornetzwerken

Krohn, Albert

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.

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Krohn, Albert: Überlagerte Funksignale in drahtlosen Sensornetzwerken. 2007.

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