Sensornetz

Ein Sensornetz (engl. sensor network) ist ein Rechnernetz aus Kleinst-Computern, sog. Sensorknoten oder auch nur Knoten, die mit Sensoren ausgestattet sind und durch Zusammenarbeit eine gemeinsame Aufgabe bewältigen.

Sensornetze sind ein aktuelles Forschungsgebiet an verschiedenen Universitäten (s.a. Weblinks); die Idee ist, eine große Anzahl von Sensorknoten in einem Gebiet auszubringen, das diese dann solange überwachen bis ihre Energiereserven aufgebraucht sind. Das Forschungsziel ist daher die Entwicklung von sehr kleinen und vor allem sehr billigen autonomen Knoten, die sich selbständig zu einem Rechnernetz organisieren um bestimmte Umgebungsdaten zu sammeln und an eine zentrale Station weiterzuleiten oder abrufbar zu machen. Die Attribute "klein", "billig" und "in großer Zahl verfügbar" haben die Idee unter dem Namen smart dust (engl. "intelligenter Staub") bekannt gemacht.

DIESER ARTIKEL IST NOCH IN ARBEIT. Es werden ausführlichere Beschreibungen und auch Grafiken folgen; bis dahin wird für weiterführende Informationen auf die Weblinks verwiesen.

Inhaltsverzeichnis

1 Anwendungsgebiete 2 Aufbau und Ausstattung eines Sensorknoten 3 Spezielle Probleme 4 Kommunikation 4.1 S-MAC 4.2 T-MAC 4.3 SMACS 4.4 AMRIS 5 Lokalisation 6 Synchronisation 7 Aggregation 8 Weblinks

Anwendungsgebiete

Sensornetze sind in vielen Anwendungsbereichen denkbar. Sie könnten beispielsweise als preiswerte Alternative zu klassischen Sensoranordnungen dienen, wie sie etwa bei Testfahrten der Fahrzeugindustrie eingesetzt werden. Außerdem wären Sensornetze besonders gut für die Überwachung großer Flächen geeignet:

• Umweltschutz durch Messung von Schadstoffkonzentrationen in Gewässern
• frühzeitige Detektion von Waldbränden durch großflächige Temperaturmessung
• Tierbeobachtung mit Hilfe von Bewegungssensoren
• Gebäude- oder Geländesicherung durch Detektion von Geräuschen

Aufbau und Ausstattung eines Sensorknoten

Das Kernstück eines Sensorknoten ist sein Prozessor mit dem zugehörigem Speicher - meist ein Flash-Speicher - die über eine Batterie mit Energie versorgt werden. Dazu kommt einerseits die sensorische Ausstattung, also ein oder mehrere Sensoren, und andererseits die kommunikative Ausstattung, in der Regel eine Funkeinheit.

Da Sensorknoten im Allgemeinen nach dem Ausbringen nicht mehr gewartet werden können, liegt besonderes Augenmerk darauf, ihre Lebensdauer solange wie möglich zu gestalten. Die Leistungsaufnahme eines Knotens muss also so gering wie möglich gehalten werden.

• Sensoren. Ein Sensorknoten ist mit mindestens einem Sensor ausgestattet, kann jedoch durchaus auch über mehrere verschiedene Sensoren verfügen. Verfügen alle Sensorknoten über dieselbe sensorische Ausstattung spricht man von einem homogenen Sensornetz, ansonsten von einem heterogenen Sensornetz. Abhängig von Medium und Kommunikationseinheit kann ein Sensor über CSMA (Carrier Senses Multiple Access) verfügen, d.h. er kann ausfindig machen, ob das Medium gerade belegt ist oder nicht.
• Kommunikation. Knoten kommunizieren über ein bestimmtes (Kommunikations)Medium, das über eine Kommunikationseinheit angesprochen wird, die entweder sendebereit oder empfangsbereit sein kann und für das Umschalten zwischen diesen Zuständen meist eine (kurze) Zeitspanne benötigt.
• Energieversorgung. Sensorknoten sind i.A. mit einer Batterie ausgestattet, eine Ausrüstung mit Einheiten zum Wiederaufladen dieser - z.B. durch Photovoltaik - ist möglich. Die Stromversorgung über Kabel ist möglich, für praktische Einsetzbarkeit aber meist nicht erwünscht.
• Tagesablauf. Ein Sensorknoten hat zwei Grundzustände: er kann wach sein oder schlafen, das Wechseln zwischen diesen Zuständen wird als aufwachen und schlafen gehen bezeichnet. Wechseln diese beiden Zustände in regelmäßigen Abständen, so spricht man von einem Tagesablauf.

Spezielle Probleme

Für Sensornetze stellen sich hauptsächlich die folgenden spezifischen Probleme:

• Energie. Da Sensorknoten mit heute verfügbaren Batterien nur eine sehr begrenzte Lebensdauer haben, müssen alle Vorgänge darauf abzielen, Energiereserven sparsam zu haushalten.
• Kommunikation. Geeignete Kommunikationsmittel wie Funk, Schall oder Licht müssen auf Verwendbarkeit untersucht und bezüglich Größe, Preis und Energieverbrauch optimiert werden.
• Rechenleistung. Um den Energieverbrauch zu minimieren werden schwache Prozessoreinheiten in Verbindung mit kleiner Speicherkapazität eingesetzt. Dies kann zu Engpässen führen und muss stes beachtet werden.
• Größe. Heutige Prototypen sind etwa so groß wie ein Handteller, wünschenswert wäre eine Größe, die mindestens im Bereich eines Fingernagels liegt. Das Ziel tatsächlich nur staubkorngroße Sensorknoten herzustellen, dürfte auf absehbare Zeit nicht im Bereich des Möglichen zu liegen.
• Preis. Heutige Prototypen sind durch hohe Entwicklungskosten und geringe Produktionsmengen mit einem Preis von über 100 € deutlich zu teuer um sinnvoll einsetzbar zu sein; die technische Ausstattung rechtfertigt den hohen Preis allerdings nicht. Für sinnvollen und großflächigen Einsatz wünschenswert wäre ein Preis von ca. 2 €.
• Ökologisch abbaubar. Sensorknoten, die in einer natürlichen Umgebung ausgebracht werden, sollten nach Ablauf ihrer Lebensdauer vollständig biologisch abbaubar sein. Dazu ist die Erfindung und langwierige Entwicklung neuer Werkstoffe vonnöten, was diese Problematik bei der aktuellen Forschungsarbeit in den Hintergrund verdrängt.

Kommunikation

Es wurden bisher vier grundlegene Kommunikationsprobleme bei Sensornetzen identifiziert, die alle zu einer sinnlosen Verschwendung der Energiereserven führen und deren Auftreten daher zu minimieren ist:

• Idle Listening (engl. "untätiges Zuhören"). Ein Sensorknoten hört das Kommunikationsmedium ab, ohne dass ein Signal zu erwarten ist.
• Collisions (engl. "Zusammenstöße"). Zwei oder mehr Nachrichten werden gleichzeitig über dasselbe Kommunikationsmedium versendet und werden dadurch verfälscht und unbrauchbar. Im Zusammenhang mit Kollisionen sind insbes. die folgenden beiden Phänomene problematisch:
  • Hidden Station (engl. "versteckte (Sende)Station"). Ein Knoten stört durch eigenes Senden Nachrichten, bemerkt dies aber nicht und stellt daher das Senden auch nicht ein.
  • Exposed Terminal (engl. etwa "entblößter Ausgangspunkt"). Ein Knoten sendet nicht, da er denkt dies würde zu Kollisionen führen, was aber in Wirklichkeit nicht der Fall ist.
• Overhearing (engl. "zufälliges Mitanhören"). Ein Sensorknoten hört eine Kommunikation mit an, die nicht für ihn gedacht ist und aus der er keinen Nutzen ziehen kann.
• Overemitting (engl. etwa "überflüssige Signalabgabe"). Ein Sensorknoten sendet Daten, obwohl der Adressierte nicht mehr zuhört.

Auf Basis dieser Probleme wurden für Sensornetze bereits eine Anzahl spezieller energieeffizienter Netzwerkprotokolle entwickelt und untersucht:

S-MAC

1. Aufbau. Alle Knoten hören eine zufällige Zeitspanne lang das Medium ab. Wird kein Sync-Signal gehört, ernennt sich der ungeduldigste Knoten zum Synchronizer und sendet ein solches aus. Dieses beinhaltet die Nachricht "Ich gehe in x Zeiteinheiten schlafen". Wer ein Sync-Signal empfängt, betrachtet sich selbst als Follower und sendet die Nachricht mit dem um die eigene Bearbeitungszeit t angepassten Inhalt "Ich gehe in x-t Zeiteinheiten schlafen" weiter. Dadurch bilden sich Gruppen, sog. Cluster, die dem gleichen Tagesablauf folgen. In einem Netz können sich mehrere Cluster bilden, da durch die zufällige Wartezeit mehrere Knoten gleichzeitig Sync-Signale initiieren können.
2. thumb|400px|Das RTS/CTS Schema als Grundlage von S-MAC. Wartung. Das Protokoll S-MAC (Sensor - Medium Access Control, engl. etwa "Mediumzugriffskontrolle für Sensornetze) verwendet zur Kommunikation das RTS/CTS-Schema:
   1. RTS. Knoten A möchte an Knoten B senden und sendet daher ein RTS (Request to Send, engl. etwa "Sendeantrag") an B.
   2. CTS. Falls Knoten B bereit ist eine Nachricht zu empfangen antwortet er A mit einem CTS (Clear to Send, engl. etwa "Sendefreigabe").
   3. Daten. A sendet seine Daten an B.
   4. ACK. Sind die Daten korrekt bei B angekommen, sendet dieser ein ACK (Acknowledgement, engl. etwa "Empfangsbestätigung") an A.

Nachteile:

• Durch die Clusterbildung gibt es fast immer eine Menge von Randknoten zwischen zwei Clustern, die als Vermittler zwischen zwei verschiedenen Tagesabläufen besonders wichtig sind, aber durch häufige und evtl. doppelte Wachzeiten ihre Energiereserven schnell aufbrauchen.
• Entwickelt ein dritter Knoten C während der laufenden Kommunikation einen Sendewunsch an einen vierten Knoten D, so kann es passieren, dass D schlafen geht bevor C diesen Sendewunsch äußern kann.

T-MAC

thumb|400px|Das RTS/CTS Schema mit FRTS als Grundlage von T-MAC.

Das Protokoll T-MAC erweitert das bekannte S-MAC Protokoll um das sog. FTRS (Future Request to Send, engl. etwa "zukünftiger Sendeantrag"):

1. RTS. Knoten A möchte an Knoten B senden und sendet daher ein RTS an B. Die Nachricht enthält die Menge L der zu erwartenden Daten.
2. CTS. Falls Knoten B bereit ist die Nachricht zu empfangen antwortet er A mit einem CTS. Diese Nachricht bestätigt die Menge L der zu erwartenden Daten.
3. FRTS. Knoten C möchte an Knoten D senden, hat bisher aber abgewartet um die Kommunikation zwischen A und B nicht zu stören; nun sendet er jedoch ein FRTS an D. Da C durch Mithören der RTS/CTS Kommunikation die Länge L der Nachricht erfahren hat, leitet er diese Information an D weiter. Direkt nach dem Versenden geht C für eine optimierte Zeitspanne schlafen. D empfängt das FRTS und geht für eine mit Hilfe von L optimierbare Zeit schlafen.
4. Leersignal. Zeitgleich zum FRTS beginnt A ein Leersignal zu senden, das keinerlei Information enthält und nur dem Zweck dient, B wachzuhalten.
5. Daten. A sendet seine Daten an B.
6. ACK. Sind die Daten korrekt bei B angekommen, sendet dieser ein ACK an A.

SMACS

Anders als S-MAC und T-MAC verwendet SMACS zur Kollisionsvermeidung einen Zeitrahmen, der in verschiedene Zeitkanäle (vgl.: Zeitmultiplexing) unterteilt wird. Jeder Knoten vereinbart mit jedem anderen Knoten innerhalb seiner Sendereichweite einen Zeitkanal, auf dem er ihm seine Sendewünsche mitteilt.

AMRIS

Lokalisation

Sensornetze müssen als Ad-hoc Netz ihre Topologie selbständig und möglichst umfassend selbst ausfindig machen. Bekannte Verfahren müssen hierzu in Einklang mit sparsamer Kommunikation gebracht werden.

Synchronisation

Messdaten sind auf absolute Uhrzeiten angewiesen, einige Kommunikationsprotokolle benötigen eine möglichst genaue Synchronisation der Sensorknoten untereinander. Angedachte Verfahren sind:

• SNTP
• ...

Aggregation

Um Nadelöhren zu vermeiden müssen hier völlig neue Wege der Zusammenfassung von Daten beschritten werden:

• TAG
• Empirische gegenseitige Codierung

Weblinks

• Vorlesung Sensornetze Inhaltsangabe einer Vorlesung an der Universität Mannheim

See also: Sensornetz, Autonom, Batterie, Computer, Englische Sprache, Flash-Speicher, Funktechnik, Multiplexverfahren, Photovoltaik