Universiẗat, Diss., 2000--Stuttgart.

The application of Wireless Sensor Networks (WSNs) with a large number of tiny, cost-efficient, battery-powered sensor nodes that are able to communicate directly with each other poses many challenges. Due to the large number of communicating objects and despite a used CSMA/CA MAC protocol, there may be many signal collisions. In addition, WSNs frequently operate under harsh conditions and nodes are often prone to failure, for example, due to a depleted battery or unreliable components. Thus, nodes or even large parts of the network can fail. These aspects lead to reliable data dissemination and data storage being a key issue. Therefore, these issues are addressed herein while keeping latency low, throughput high, and energy consumption reduced. Furthermore, simplicity as well as robustness to changes in conditions are essential here. In order to achieve these aims, a certain amount of redundancy has to be included. This can be realized, for example, by using network coding. Existing approaches, however, often only perform well under certain conditions or for a specific scenario, have to perform a time-consuming initialization, require complex calculations, or do not provide the possibility of early decoding. Therefore, we developed a network coding procedure called Broadcast Growth Codes (BCGC) for reliable data dissemination, which performs well under a broad range of diverse conditions. These can be a high probability of signal collisions, any degree of nodes' mobility, a large number of nodes, or occurring node failures, for example. BCGC do not require complex initialization and only use simple XOR operations for encoding and decoding. Furthermore, decoding can be started as soon as a first packet/codeword has been received. Evaluations by using an in-house implemented network simulator as well as a real-world testbed showed that BCGC enhance reliability and enable to retrieve data dependably despite an unreliable network. In terms of latency, throughput, and energy consumption, depending on the conditions and the procedure being compared, BCGC can achieve the same performance or even outperform existing procedures significantly while being robust to changes in conditions and allowing low complexity of the nodes as well as early decoding. / Der Einsatz von drahtlosen Sensornetzen (Wireless Sensor Networks, WSNs) mit einer Vielzahl hochintegrierter, kostengünstiger und batteriebetriebener Sensorknoten, die direkt miteinander kommunizieren können, birgt viele Herausforderungen. Aufgrund der großen Anzahl von kommunizierenden Objekten kann es trotz eines verwendeten CSMA/CA MAC Protokolls zu vielen Signalkollisionen kommen. Darüber hinaus arbeiten WSNs häufig unter rauen Bedingungen und die Knoten sind oft anfällig für Ausfälle, z.B. aufgrund aufgebrauchter Energiekapazität oder defekter Komponenten. Infolgedessen können einzelne Knoten oder auch große Teile des Netzes ausfallen. Diese Aspekte führen dazu, dass zuverlässige Datenverteilung und Datenhaltung von entscheidender Bedeutung sind und folglich im Rahmen dieser Arbeit adressiert werden. Gleichzeitig soll die Latenz niedrig, der Durchsatz hoch und der Energieverbrauch möglichst gering gehalten werden. Des Weiteren sind eine geringe Komplexität sowie Robustheit gegenüber veränderten Bedingungen wesentlich. Um diese Ziele zu erreichen, ist ein gewisses Maß an Redundanz nötig. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Netzwerkkodierung realisiert werden. Bestehende Ansätze liefern jedoch oft nur unter bestimmten Bedingungen oder für ein spezifisches Szenario gute Performanz-Ergebnisse, müssen aufwändig initialisiert werden, benötigen komplexe Berechnungen oder bieten keine Möglichkeit für frühzeitige Dekodierung. Daher haben wir ein als Broadcast Growth Codes (BCGC) bezeichnetes Netzwerkkodierungsverfahren für zuverlässige Datenverteilung entwickelt, welches unter einem breiten Spektrum unterschiedlicher Bedingungen gute Ergebnisse erzielt. Zu diesen Bedingungen gehören zum Beispiel eine hohe Wahrscheinlichkeit von Signalkollisionen, ein beliebiger Grad an Knotenmobilität, eine große Knotenanzahl oder das Auftreten von Knotenausfällen. BCGC benötigen keine komplexe Initialisierung und verwenden nur einfache XOR-Operationen für Kodierung und Dekodierung. Darüber hinaus kann mit der Dekodierung bereits begonnen werden, sobald ein erstes Paket/Codewort empfangen wurde. Evaluationen mit einem eigens implementierten Netzwerksimulator sowie einem realen Testbed haben gezeigt, dass BCGC ermöglichen, Daten trotz eines unzuverlässigen Netzwerks zuverlässig zu erhalten. In Bezug auf Latenz, Durchsatz und Energieverbrauch können BCGC, je nach Bedingungen und verglichenem Verfahren, vergleichbare Ergebnisse wie bestehende Verfahren erzielen oder diese sogar deutlich übertreffen, während sie gleichzeitig robust gegenüber veränderten Bedingungen sind, eine geringe Komplexität der Knoten erlauben sowie eine frühzeitige Dekodierung ermöglichen.

Im Internet der Zukunft werden Menschen nicht nur mit Menschen, sondern auch mit „Dingen“, und sogar „Dinge“ mit „Dingen“ kommunizieren. Zusätzlich wird das Bedürfnis steigen, immer und überall Zugang zum Internet zu haben. Folglich gewinnen drahtlose Sensornetze (WSNs) und drahtlose Mesh-Netze (WMNs) an Bedeutung, da sie Daten über die Umwelt ins Internet liefern, beziehungsweise einfache Internet-Zugangsmöglichkeiten schaffen. In den vier Teilen dieser Arbeit werden unterschiedliche Modellierungs- und Optimierungsmethoden für WSNs und WMNs vorgestellt. Der Energieverbrauch ist die wichtigste Metrik, wenn es darum geht die Kommunikation in einem WSN zu optimieren. Da sich in der Literatur sehr viele unterschiedliche Energiemodelle finden, untersucht der erste Teil der Arbeit welchen Einfluss unterschiedliche Energiemodelle auf die Optimierung von WSNs haben. Aufbauend auf diesen Überlegungen beschäftigt sich der zweite Teil der Arbeit mit drei Problemen, die überwunden werden müssen um eine standardisierte energieeffiziente Kommunikations-Lösung für WSNs basierend auf IEEE 802.15.4 und ZigBee zu realisieren. Für WMNs sind beide Probleme von geringem Interesse, die Leistung des Netzes jedoch umso mehr. Der dritte Teil der Arbeit führt daher Algorithmen für die Berechnung des Max-Min fairen (MMF) Netzwerk-Durchsatzes in WMNs mit mehreren Linkraten und Internet-Gateways ein. Der letzte Teil der Arbeit untersucht die Auswirkungen des LRA-Konzeptes. Dessen grundlegende Idee ist die folgende. Falls für einen Link eine niedrigere Datenrate als theoretisch möglich verwendet wird, sinkt zwar der Link-Durchsatz, jedoch ist unter Umständen eine größere Anzahl von gleichzeitigen Übertragungen möglich und der Gesamt-Durchsatz des Netzes kann sich erhöhen. Mithilfe einer analytischen LRA Formulierung und einer systematischen Studie kann gezeigt werden, dass eine netzwerkweite Zuordnung robusterer Datenraten als nötig zu einer Erhöhung des MMF Netzwerk-Durchsatzes führt. Desweitern kann gezeigt werden, dass sich LRA positiv auf die Leistungsfähigkeit eines IEEE 802.11 WMNs auswirkt und für die Optimierung des Netzes genutzt werden kann. / In the future Internet, the people-centric communication paradigm will be complemented by a ubiquitous communication among people and devices, or even a communication between devices. This comes along with the need for a more flexible, cheap, widely available Internet access. Two types of wireless networks are considered most appropriate for attaining those goals. While wireless sensor networks (WSNs) enhance the Internet’s reach by providing data about the properties of the environment, wireless mesh networks (WMNs) extend the Internet access possibilities beyond the wired backbone. This monograph contains four chapters which present modeling and optimization methods for WSNs and WMNs. Minimizing energy consumptions is the most important goal of WSN optimization and the literature consequently provides countless energy consumption models. The first part of the monograph studies to what extent the used energy consumption model influences the outcome of analytical WSN optimizations. These considerations enable the second contribution, namely overcoming the problems on the way to a standardized energy-efficient WSN communication stack based on IEEE 802.15.4 and ZigBee. For WMNs both problems are of minor interest whereas the network performance has a higher weight. The third part of the work, therefore, presents algorithms for calculating the max-min fair network throughput in WMNs with multiple link rates and Internet gateway. The last contribution of the monograph investigates the impact of the LRA concept which proposes to systematically assign more robust link rates than actually necessary, thereby allowing to exploit the trade-off between spatial reuse and per-link throughput. A systematical study shows that a network-wide slightly more conservative LRA than necessary increases the throughput of a WMN where max-min fairness is guaranteed. It moreover turns out that LRA is suitable for increasing the performance of a contention-based WMN and is a valuable optimization tool.

Das Ziel der Arbeit bestand in der Funktionalisierung eines etablierten Werkstoffsystems, um diesem neben den gewünschten Eigenschaften neue Eigenschaften und damit neue Funktionen und Einsatzmöglichkeiten zu erschließen. Als Basis wurden langfaserverstärkte Gläser gewählt, zu deren Funktionalisierung Grundlagenuntersuchungen in zwei verschiedenen Richtungen unternommen wurden. Auf der einen Seite wurden die elektrischen Eigenschaften der ursprünglich nur zur Verstärkung der Glasmatrix eingesetzten Siliciumcarbidfasern ausgenutzt, um mit deren Hilfe eine Schadensvorhersage des gesamten Verbundwerkstoffs aufgrund einer mechanischen Beanspruchung oder einer thermischen Belastung zu bekommen. Auf der anderen Seite wurde durch eine gezielte Änderung des Verstärkungsmaterials versucht, ein lichtdurchlässiges faserverstärktes Glas zu erhalten. Im Hinblick auf eine Faserverstärkung bei gleichzeitiger Erhaltung der Transluzenz des Matrixglases wurden unterschiedliche Quarzglasfasertypen und Faserbeschichtungen erprobt.

Im Rahmen der Arbeiten wurde ein Algorithmus zur initialen Bestimmung und Verfolgung der Position von mobilen Netzwerkknoten erarbeitet und implementiert. Das Verfahren basiert auf Entfernungsinformationen zwischen mobilen und ortsfesten Knoten. Es wird ein zweistufiger Ansatz verfolgt. In einem ersten Schritt wird die Position des zu lokalisierendenKnotens durch mindestens drei (2D) bzw. vier (3D) Entfernungswerte zu Knotenmit bekannter Position, sogenannten Anker-Knoten, bestimmt. Auf Basis dieser Position erfolgt im zweiten Schritt die Verfolgung des mobilen Knotens mittels Kalmanfilter. Der Algorithmus wurdemit Hilfe eines Netzwerksimulators in einem realen Kommunikationsszenario verifiziert.

Thesis--Universität Duisburg-Essen, 2007. / Includes bibliographical references.

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2006

Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2005

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2005