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Forschungsthemen

Mobile Ad-Hoc-Netzwerke


Ein Mobiles Ad-hoc-Netzwerk (MANET) ist ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk, in dem alle Teilnehmer gleich berechtigt die Netzwerkorganisation wahrnehmen. In diesen Netzwerken  gibt es keine bevorrechtigten Funkstationen, die besondere Aufgaben wahrnehmen, wie zum Beispiel ein Funkumsetzer auf einem Sendemast, der alleine zwischen allen Teilnehmern vermittelt . Eine Eigenschaft des mobilen Ad-hoc-Netzwerks ist die Fähigkeit der Selbstorganisation und Selbstkonfiguration.

Das Gegenstück zu mobilen Ad-hoc-Netzwerken sind die traditionell eingesetzten zentral gesteuerten Netzwerke. Für große Verbreitungsgebiete werden mehrere Zentralstationen eingesetzt, die das Einsatzgebiet in Zellen unterteilen. Deswegen wird auch die Bezeichnung „zelluläre Netzwerke“ verwendet. Solche Netzwerke sind einfacher zu steuern und zu planen als ein MANET. Auch kann man Abrechnung, Zugangskontrolle und Sicherheitsmechanismen besser kontrollieren. Sie werden weltweit  eingesetzt und ihre Abkürzungen GSM, UMTS, Bluetooth etc. sind jedem ein Begriff. Wozu benötigt man dann mobile Ad-hoc-Netzwerke?

Der Hauptvorteil dieser MANETs liegt in der Einsparung des Energieverbrauchs. Jeder Mobiltelefonbenutzer kennt aus eigener Erfahrung die Unterschiede im Energieverbrauch je nach dem, ob viele Gespräche geführt worden sind oder ob nur wenige. Es macht auch einen großen Unterschied, wie weit man von der Sende-/Empfangsanlage des Mobilfunkbetreibers entfernt ist. Die notwendige Sendeleistung steigt quadratisch im Abstand, d.h. mit der Verdoppelung des Abstands wird eine Vervierfachung der Sendeenergie notwendig. Drastisch formuliert, wer doppelt so weit vom Sendemast wohnt, kann sein Gerät viermal so oft aufladen.

Dabei erscheint es widersinnig, warum zur Übermittlung einer SMS zum Nebenmann diese Nachricht zu einem weit entfernten Sendemast gelangen muss und von dort wieder  zurückgesendet wird. Schließlich verfügen beide Geräte über Sende- und Empfangseinheiten und es gibt keinen logischen Grund, warum diese Geräte nicht direkt kommunizieren können.

Natürlich wird die Netzverfügbarkeit auch deutlich erhöht werden. Ein weiterer interessanter Vorteil von Ad-hoc-Netzwerken  ist ihre Skalierbarkeit. Darunter versteht man die Fähigkeit eines Netzwerks seine Ressourcen an die Zunahme der Teilnehmerzahl anzupassen. Je mehr Teilnehmer sich anmelden, desto mehr Zwischenstationen stehen zur Verfügung und desto robuster und stabiler wird das Netzwerk. Das heißt zwar nicht, dass so ein Netzwerk nicht zusammenbrechen kann, aber es wird deutlich später passieren als in einem zellulären Netzwerk, wo die Kapazität durch die Platzierung und Ausstattung der Zentralstation vorgegeben ist.

Drahtlose Sensor-Netzwerke

Drahtlose Sensornetzwerke (Wireless Sensor Networks ⎯ WSN) führen moderne Sensor-technologie und innovative Netzwerkalgorithem zusammen und stellen daher ein hochaktuel-les Forschungsgebiet dar. Die Fortentwicklung der Hardware-Komponenten ermöglicht den Einsatz von leistungsfähigen spontan vernetzten mobilen Systemen. Im Unterschied zu mobi-le Ad-hoc-Netzwerken, welche die volle Netzwerk-Funktionalität erlaaubne, senden in Sen-sornetzwerken die Sensorknoten ihre Information nur zu einer Zentralstation. Mittlerweile werden aber auch hybride Konzepte eingesetzt, zum Beispiel Sensornetzwerk, die auch In-formation zu den Sensornetzwerken senden, zum Beispiel zum Ansteuern von Aktuaktoren.

Eigen ist den Sensor-Netzwerken die Fähigkeit Daten über einen Sensor aufzunehmen, die anstehenden Informationen intern weiter zu verarbeiten und diese über eine geeignete Schnitt-stelle d.h. Funkmodel anderen Teilnehmern im Verbund zur Verfügung zu stellen.
Die Anwendungsbereiche der Sensor-Knoten und deren Verbund als Sensor-Netwerk bestimmen die Wahl der Prozessoren hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, der Sende- und Empfangsbaugruppen hinsichtlich der Übertragungsreichweite und Empfindlichkeit der Sende- und Empfangsbaugruppen. Beide Komponenten müssen ferner vorgegebene Restriktionen bezüglicher der Energieaufnahme, Gewicht und Größe und letztlich der Stückkosten genügen. Im Einklang mit diesen Hardware-Komponenten muss eine geeignete Wahl von Netzwerkalgorithmen gefunden werden. Diese gewährleisten erst die energie-effiziente Ansteuerung der Hardware-Komponenten.
Die Netzwerkalgorithmen müssen hier besonders strikten Anforderungen genügen. Bei einge-schränkten Speicher muss das Netzwerk eine große Anzahl von Knoten integrieren. Neben dieser Eigenschaft der Skalierbarkeit müssen Latenzzeiten minimiert werden, Frequenzen angesteuert werden, Latenzzeiten minimiert werden, eine geeignete Wahl von Netzwerk-schichten umgesetzwerden, und die Richcharakteristik von Antennen berücksichtigt werden. Daneben müssen Medium-Zugriffsprotokolle realisiert werden, als auch Knotenlokalisierung und Routing verwirklicht werden.

Peer-to-Peer-Netzwerke

Ein Peer-to-Peer-Netzwerk (P2P-Netzwerk) ist ein Kommunikationsnetzwerk, in dem die Teilnehmer sowohl Client als auch Server-Aufgaben wahrnehmen. Hierfür stehen den Teilnehmer nur bidirektionale Internet-Verbindungen zur Verfügung, wobei zentrale Strukturen absichtlich vermieden werden. Bekannt und beliebt sind solche Kommunikationsnetzwerke durch die Dateitauschbörsen im Internet geworden wie (seiner Zeit)  Napster und Gnutella.

Peer-to-Peer-Netzwerke entwickeln sich momentan zu einem  Standardwerkzeug der Informatik um robust, schnell und effizient Dienste und Daten auf weltweit verteilen System zu verteilen.

Explorations-Strategien für Roboter-Teams

In this project we aim at laying the algorithmic foundations for a scenario where an exploration team of robots - we call it a smart team -  has to organize itself in order to fulfill tasks like exploring an unknown terrain  and  executing work in this terrain. This research is funded as a sub-project in SPP 1183 (Organic Computing).

The tasks of such a smart team are similar to the fundamental challenges of all social life forms: Explore, (self-)organize, communicate, and jointly act.  Examples for robotic applications are rescue expeditions in dangerous areas or expeditions in the oceans or on planets. The work of such a smart team has to be guided by strategies for exploration, for finding important objects, and for assigning to such an object a subgroup of robots that jointly have the capabilities necessary to process the object.

We use state-of-the-art algorithmic techniques to tackle these problems. The challenge is that all these tasks have to be executed by local, distributed strategies that act on the mobile network of the moving robots, and have to result in a robust, effective self-organization of the team. None of these robots will ever have more than very restricted, local knowledge about the global state of the system. Their decisions are solely based on their own observations and findings, from which a globally good behavior of the whole team has to emerge.

Effizientes Routing von Nachrichten

For position-based routing nodes are identified by their unique geographical positions. The task is to deliver a message from a source node to a target node identified by its position in an unknown wireless ad hoc network.  We try to optimize the number of messages and the time to perform this task in a worst case setting. One obstacle for efficient position based routing is the lack of knowledge about the network structure available at the beginning. In particular, reactive routing protocols that do not know any network structure in advance fail to solve this problem efficiently.

As complexity measures we consider time and traffic for delivering the message from source to target cell. Time is the number of rounds until the message reaches the destination if the node is accessible. Traffic is the total number of messages sent between cells. We investigate the time and traffic under a competitive measure. This research nicely extends to robot motion planning if we restrict ourselves to a single message.

Storage-Area-Netzwerke

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Mobilität in Netzwerken

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