Diss. no. 15880 sc. SFIT Zurich, 2004. / Im Buchh.: Aachen : Shaker. Literaturverz.

Stuttgart, Univ., Diplomarb., 2001.

Workshop "Netz- und Service-Infrastrukturen" Einführung von berührungsloser Identifikation für den Zugang

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2008

Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Techn. University, Diss.--Dresden, 2006.

Workshop "Netz- und Service-Infrastrukturen" Einführung von berührungsloser Identifikation für den Zugang

Wireless communication networks already comprise an integral part of both the private and industrial sectors and are successfully replacing existing wired networks. They enable the development of novel applications and offer greater flexibility and efficiency. Although some efforts are already underway in the aerospace sector to deploy wireless communication networks on board spacecraft, none of these projects have yet succeeded in replacing the hard-wired state-of-the-art architecture for intra-spacecraft communication. The advantages are evident as the reduction of the wiring harness saves time, mass, and costs, and makes the whole integration process more flexible. It also allows for easier scaling when interconnecting different systems. This dissertation deals with the design and implementation of a wireless network architecture to enhance intra-spacecraft communications by breaking with the state-of-the-art standards that have existed in the space industry for decades. The potential and benefits of this novel wireless network architecture are evaluated, an innovative design using ultra-wideband technology is presented. It is combined with a Medium Access Control (MAC) layer tailored for low-latency and deterministic networks supporting even mission-critical applications. As demonstrated by the Wireless Compose experiment on the International Space Station (ISS), this technology is not limited to communications but also enables novel positioning applications. To adress the technological challenges, extensive studies have been carried out on electromagnetic compatibility, space radiation, and data robustness. The architecture was evaluated from various perspectives and successfully demonstrated in space. Overall, this research highlights how a wireless network can improve and potentially replace existing state-of-the-art communication systems on board spacecraft in future missions. And it will help to adapt and ultimately accelerate the implementation of wireless networks in space systems. / Drahtlose Kommunikationsnetzwerke sind sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich bereits ein fester Bestandteil und ersetzen erfolgreich bestehende drahtgebundene Netzwerke. Sie ermöglichen die Entwicklung neuer Anwendungen und bieten mehr Flexibilität und Effizienz. Obwohl in der Raumfahrt bereits einige Anstrengungen unternommen wurden, um drahtlose Kommunikationsnetzwerke an Bord von Raumfahrzeugen einzusetzen, ist es bisher noch keinem dieser Projekte gelungen, die moderne drahtgebundene Architektur für die Kommunikation innerhalb von Raumfahrzeugen zu ersetzen. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Reduzierung des Kabelbaums spart Zeit, Masse und Kosten und macht den gesamten Integrationsprozess flexibler. Außerdem ist eine einfachere Skalierung möglich, wenn verschiedene Systeme miteinander verbunden werden. Diese Dissertation befasst sich mit dem Entwurf und der Implementierung einer drahtlosen Netzwerkarchitektur zur Verbesserung der Kommunikation innerhalb von Raumfahrzeugen, indem mit den seit Jahrzehnten in der Raumfahrtindustrie bestehenden Standards gebrochen wird. Das Potential und die Vorteile dieser neuartigen drahtlosen Netzwerkarchitektur werden bewertet und ein innovatives Design mit Ultrabreitbandtechnologie wird vorgestellt. Es wird mit einer Medium Access Control (MAC) Schicht kombiniert, die für Netzwerke mit niedriger Latenz und Determinismus ausgelegt ist und sogar missionskritische Anwendungen unterstützt. Wie das Wireless Compose-Experiment auf der Internationalen Raumstation ISS gezeigt hat, ist diese Technologie nicht auf Kommunikation beschränkt, sondern ermöglicht auch neuartige Positionierungsanwendung. Um die technologischen Herausforderungen zu meistern, wurden umfangreiche Studien zur elektromagnetischen Verträglichkeit, Weltraumstrahlung und Robustheit der Daten durchgeführt. Die Architektur wurde aus verschiedenen Blickwinkeln bewertet und erfolgreich im Weltraum demonstriert. Insgesamt zeigt diese Forschung, wie ein drahtloses Netzwerk die bestehenden hochmodernen Kommunikationssysteme an Bord von Raumfahrzeugen bei zukünftigen Missionen verbessern und möglicherweise ersetzen kann. Darüber hinaus wird sie dazu beitragen, die Implementierung von drahtlosen Netzwerken in Raumfahrtsystemen an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen und damit letztlich die Integration dieser Systeme zu beschleunigen.

With the advent of Internet of Things (IoT), an increasing number of devices start exchanging information. This puts emphasis on wireless sensor networks (WSNs) to facilitate the interaction with the environment in varied application scenarios such as, for example, building and home automation among others. In this context, a reliable communication is usually required, i.e., it is necessary to guarantee that packets arrive within a specified maximum delay or deadline. In addition, since nodes are usually battery-powered and deployed in large numbers, they must be cost-effective and economize on energy, which requires nodes to have a low complexity. In this context, unidirectional communication, i.e., where nodes either send or receive data, seems to be an interesting solution. Since no elaborate feedback mechanisms such as carrier sensing, acknowledgments and retransmissions schemes are possible, complexity, costs, energy consumption and communication overhead are reduced in a considerable manner. On the other hand, however, packet loss becomes more likely making such networks strongly unreliable. To overcome this predicament, two MAC (Medium Access Control) protocols are proposed, namely DEEP and RARE. These consist in nodes transmitting their data as sequences of redundant packets with carefully selected inter-packet separations leading to robust transmission patterns that enable reliable communication. In the case of DEEP, full (100%) reliability can be guaranteed, i.e., there is no data loss, which is particularly useful for safety critical applications. RARE, on the other hand, is designed for applications that tolerate some amount of data loss and can be configured to a reliability <100%, i.e., to a certain probability on successful data delivery. This allows improving other aspects of the network, such as energy consumption, communication delays, etc. In contrast to solutions from the literature, the proposed protocols do not pursue a best-effort approach, but rather provide an analytical framework to assess the performance (i.e., reliability, energy consumption, etc.) of the network. In addition, the proposed protocols are based on more general models that allow describing arbitrary node types with different deadlines and packet lengths leading to a provable higher performance. These and other benefits are illustrated by the means of extensive numerical experiments and simulations based on the OMNeT++ framework.