Energy conservation is a major concern in todays data centers, which are the 21st century data processing factories, and where large and complex software systems such as distributed data management stores run and serve billions of users. The two main drivers of this major concern are the pollution impact data centers have on the environment due to their waste heat, and the expensive cost data centers incur due to their enormous energy demand. Among the many subsystems of data centers, the storage system is one of the main sources of energy consumption. Among the many types of storage systems, key/value stores happen to be the widely used in the data centers. In this work, I investigate energy saving techniques that enable a consistent hash based key/value store save energy during low activity times, and whenever there is an opportunity to reuse the waste heat of data centers.

Im Beitrag wird zunächst die konventionelle auf Signalflüssen basierte Modellbildung mit modernen leistungsflussbasierten Methoden, die auf dem Prinzip von Aktion und Reaktion aufbauen, verglichen. BG (Bond Graph), POG (Power Oriented Graph) und EMR (Energetic Macroscopic representation) sind solche modernen Methoden die den Leistungsaustausch zwischen Teilsystemen als Grundlage für den Modellbildungsansatz nutzen. Diese Werkzeuge erhalten die physikalische Struktur, erlauben es in das dynamische System hineinzuschauen und unterstützen das Verständnis des Leistungsflusses. Unterschiede werden anhand verschiedener Eigenschaften in einer Tabelle angegeben. Nach Erläuterung der Grundlagen zu POG und BG erfolgt die Vorstellung einer Freeware Zusatzbibliothek zur Simulation von Bondgraphen. Spezielle Eigenschaften werden kurz umrissen. Diese Blockbibliothek läuft unter Simulink, besteht aus nur 9 mittels Menü konfigurierbaren Blöcken und realisiert bidirektionale Verbindungen. Die Beispiele Gleichstrommotor, Pulssteller und elastische Welle demonstrieren die Vorteile der leistungsflussorientierten Modellbildung. Zustandsregelung, Energieeffizienz und Simulink LTI Analysewerkzeuge führen in die Anwendung der vorgestellten Simulink Zusatzbibliothek für Bondgraphen ein.:Modellbildung dynamischer Systeme mittels Leistungsfluß 1. Leistungsfluß versus Signalfluß 2. Konjugierte Leistungsvariablen und Kausalität 3. Grundlagen Leistungsfluß orientierter Modellierung 3.1 Definitionen zum POG (Power Oriented Graph) 3.2 Definitionen zu Grundelementen für Bondgraphen (BG) 4. Freeware Bibliothek zur Simulation von Bondgraphen 4.1 Übersicht und Nutzerfreundlichkeit 4.2 Besonderheiten 5. Beispiele 5.1 Gleichstrommotor mit starrer Welle 5.2 Elastische Welle 5.3 Eingangsfilter und Pulssteller 5.4 Vereinfachter Antriebsstrang 6. Anwendung der Simulink Bondgraph Blockbibliothek 6.1 Beispiel elastische Welle 6.2 Zustandsregelung 6.3 Energieeffizienz 6.4 Simulink Analysewerkzeuge 7. Vorteile im Überblick / The paper starts with a comparison of the conventional modelling method based on signal flow and modern power flow oriented modelling methods based on the principle of action and reaction. BG (Bond Graph), POG (Power Oriented Graph) and EMR (Energetic Macroscopic representation) are such modern methods based on the power exchange between partial systems as a key element for the basic modelling approach. These tools preserve the physical structure, enable a view inside dynamical systems and support understanding the power flow. Relationships between these graphical representations will be given. After the explanation of basics for POG and BG an overview and special features of a freeware add-on library for simulation of BGs will be outlined. The block library runs under Simulink, consists of nine menu-driven customised blocks only and realises bidirectional connections. Examples DC motor, chopper and elastic shaft demonstrate the advantages of power flow oriented modelling. State space control, energy efficiency and Simulink LTI analysis tools exemplify the application of the presented Simulink add-on BG library.:Modellbildung dynamischer Systeme mittels Leistungsfluß 1. Leistungsfluß versus Signalfluß 2. Konjugierte Leistungsvariablen und Kausalität 3. Grundlagen Leistungsfluß orientierter Modellierung 3.1 Definitionen zum POG (Power Oriented Graph) 3.2 Definitionen zu Grundelementen für Bondgraphen (BG) 4. Freeware Bibliothek zur Simulation von Bondgraphen 4.1 Übersicht und Nutzerfreundlichkeit 4.2 Besonderheiten 5. Beispiele 5.1 Gleichstrommotor mit starrer Welle 5.2 Elastische Welle 5.3 Eingangsfilter und Pulssteller 5.4 Vereinfachter Antriebsstrang 6. Anwendung der Simulink Bondgraph Blockbibliothek 6.1 Beispiel elastische Welle 6.2 Zustandsregelung 6.3 Energieeffizienz 6.4 Simulink Analysewerkzeuge 7. Vorteile im Überblick

Rund 70 % der Energieaufnahme von elektrischen Antriebssystemen wird von quasistationären Antrieben in Transportanlagen hervorgerufen. Eine gesteigerte Energieeffizienz führt neben reduzierten Energiekosten zu weiteren Nutzeffekten, wie z.B. einem verringerten Kühlaufwand, einem kleinerem Bauraum und einer höheren Lebensdauer der Komponenten. Zur Steigerung der Energieeffizienz dieser Transportanlagen werden in dieser Arbeit Methoden zur Auslegung der zugehörigen Antriebssysteme unter besonderer Berücksichtigung des Förderprozesses erarbeitet. Als repräsentative Transportanwendungen werden Pumpen- und Förderbandanlagen untersucht. Dabei wird das gesamte elektromechanische System analysiert, um das volle Energiesparpotenzial zu erfassen – beginnend mit dem Lastprofil des transportierten Förderguts bis hin zur elektrischen Energieversorgung. Hierzu werden alle Systemkomponenten modelliert, um die Verluste in verschiedenen Betriebspunkten im Volllast- und Teillastbereich abzuschätzen. Darauf aufbauend erfolgt die Erarbeitung praktikabler Projektierungshinweise und prozessspezifischer Auswahldiagramme, welche eine schnelle Vorauswahl der energieeffizientesten Antriebstopologie ermöglichen. Da die Verlustmodelle auf frei zugänglichen Datenblattangaben basieren, können die vorgestellten Methoden und Auswahlkriterien bereits in einem frühen Projektierungsstadium zur Auslegung einer energieeffizienten Transportanlage angewandt werden.

Bioimpedance spectroscopy is very useful in biomedical field as a safe and non-invasive technique. A stable and safe excitation current below than 0.5 mA for load impedances changing from 100 Ω to 10 kΩ in the full β-dispersion range from kHz up to 1 MHz is a big challenge for the design of the current source addressed by this thesis. For a good stability and high accuracy, the source should have a high output impedance. Different current source types in “current-mode approach” and “voltage-mode approach” were investigated and compared for usability in bioimpedance measurement systems. The “voltage-mode approach” with grounded load was proven to be more suitable and stable for biomedical measurements. Thereby the Tietze and the Howland circuit in dual configuration with negative feedback have shown the lowest error of the output current and the highest output impedance, where the improved Howland circuit in dual configuration with negative feedback is preferred because it has a simple structure, high accuracy and good stability. We suggest to improve the stability of the Howland circuit in dual configuration with negative feedback by introducing compensated operational amplifiers and to reduce stray capacitances at higher frequencies by adding gain compensation capacitor. We reach thereby an accuracy of 0.5% at low frequency and 0.9% at 1 MHz. With the realized accuracy of the designed voltage controlled current source, one decisive prerequisite for portable bioimpedance measurement system is achieved. In order to select the appropriate excitation signals for short measurement time, a comparative study of signals and their parameters was carried out. It leads to the selection of binary chirp signal as a suitable excitation signal due to its short measurement time about 100 μs, low crest factor lower than 2.8 and an energy efficiency higher than 54% in a very noisy signal. Simulation results show that the designed enhanced Howland current source excited by the binary chirp signal has low error and flatness in the whole range. / Die Bioimpedanzspektroskopie gewinnt aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften als nicht-invasive, schonende Messmethode zunehmend an Bedeutung im biomedizinischen Bereich. Dabei ergeben sich besondere erausforderungen für den Entwurf der Stromquelle zur Realisierung eines stabilen und sicheren Anregungsstroms. Gefordert ist eine hohe Genauigkeit bis zu einem Maximalstrom von 0.5 mA in einem Frequenzbereich, der der β-Dispersion entspricht, von wenigen kHz bis hin zu 1 MHz. Die Stabilität muss bei variablen Lastimpedanzen im Bereich von 100 Ω bis 10 kΩ gewährleistet sein. Dafür muss die Stromquelle eine hohe Ausgangsimpedanz aufweisen. Diese Arbeit fokussiert auf den Entwurf von spannungsgesteuerten Stromquellen. Verschiedene Arten von Stromquellen wurden untersucht und verglichen. Der "Voltage-Modus-Ansatz" mit Masse-referenzierter Last hat sich als besser geeignet und stabiler für biomedizinische Messungen erwiesen. Die Tietze-Schaltung und diese Howland-Schaltung zeigen dabei die niedrigsten Fehler des Ausgangsstroms und die höchste Ausgangsimpedanz. Im direkten Vergleich besitzt die verbesserte Howland-Schaltung doch eine einfachere Struktur, höhere Genauigkeit und bessere Stabilität und wird daher gegenüber der Tietze-Schaltung bevorzugt. Um weitere Stabilitätsverbesserungen bei der Howland-Schaltung zu erreichen, werden zwei Maβnahmen vorgeschlagen. Zum einen werden kompensierte Operationsverstärker eingeführt und zum anderen wird der Einfluss von Streukapazitäten bei hohen Frequenzen minimiert indem die Verstärkung mit Kondensatoren kompensiert wird. Durch diese Maβnahmen wird eine Genauigkeit von 0.5% bei niedrigen Frequenzen und 0.9% bei 1 MHz ermöglicht. Mit dem neuen Entwurf der spannungsgesteuerten Stromquelle ist ein entscheidender Meilenstein für die Realisierung tragbarer Messsysteme der Bioimpedanz erreicht. Um eine kurze Messzeit zu realisieren wurde eine vergleichende Studie von Anregungssignalen und deren Signalparameter durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass binäre Chirp-Signale aufgrund der reduzierten Messzeit, des niedrigen Crest-Faktors unter 2.8 und hohe Energieeffizienz von mehr als 54% bei hohem Rauschlevel besonders geeignet sind. Simulationsergebnisse zeigen, dass die entwickelte Howland-Stromquelle zusammen mit einem binären Mehrfrequenzsignal den geringsten Amplitudenfehler im gesamten Frequenzbereich realisiert.

Die steigende Verknappung der Ressourcen bei stetigem Bevölkerungswachstum und der sich vollziehende Klimawandel erfordern Nachhaltigkeit in allen Ebenen der landwirtschaftlichen Produktion. Ziel dieser Arbeit war es eine allgemein anwendbare Methode zur Energiebilanzierung in der Tierhaltung am Beispiel der Milchviehhaltung zu entwickeln und darauf aufbauend Indikatoren zur Bewertung der Nachhaltigkeit des Energieeinsatzes im Milchproduktionsverfahren zu ermitteln. Anhand eines theoretischen Standardverfahrens der Milchproduktion wird eine Energieintensität von 3,54 MJ zur Herstellung von einem kg Milch bei einer definierten Einzeltierleistung von 8.000 kg Milch Kuh-1 Jahr-1 berechnet. Hierbei wird der kumulierte Energieaufwand (KEA) komplett dem Zielprodukt Milch zugeordnet. Stark beeinflussbar ist die Energieintensität durch die Fütterungsgestaltung, wobei beispielsweise ein steigender Kraftfutteranteil in der Ration die Energieintensität erhöht. Die Analyse der Daten von zwei Praxisbetrieben bestätigen die Ergebnisse. Aufgrund der Kuppelproduktentstehung in der Milchviehhaltung werden unterschiedliche Allokationsmethoden des KEA der Milchproduktion auf die einzelnen Produkte entwickelt und diskutiert. Die ermittelte Vorzugsmethode empfiehlt folgende Allokation des KEA auf die vier Kuppelprodukte: 59 % des KEA wird dem Zielprodukt Milch zugeordnet, 18 % der Schlachtkuh, 2 % dem Kalb und 21% den Exkrementen. Die Durchführung einer Fehlerfolgeabschätzung zeigt, dass Einzelunsicherheiten aufgrund der Vielzahl der einfließenden Parameter in der Energiebilanzierung der Milchproduktion nur geringen Einfluss auf den KEA haben. Der Einfluss von Verfahrensänderungen durch betriebs- und managementbedingte Entscheidungen auf den KEA ist bedeutend höher. Als geeigneter Indikator zur Bewertung der Nachhaltigkeit des Energieeinsatzes in der Tierhaltung wurde die Energieintensität ermittelt. Diskussionswertebereiche für die Energieintensität wurden definiert. / The scarcity of resources, the progressive growth of population and the climate change require sustainability in all levels of the agricultural production. The purpose of this research is to contribute to the development of a method for a generally accepted way of balancing energy in livestock husbandry at the example of dairy farming. Afterwards sustainability indicators were determined for the assessment of the sustainable use of energy in dairy farming. For a defined standard procedure which includes an animal performance of 8.000 kg milk cow-1 year-1, an energy intensity of 3.54 MJ per kg milk is calculated.The investigations show that the CED in dairy farming is strongly affected by the composition of the diet. Increasing pasture in the diet decreases the CED while concentrate in the diet has a reverse effect. Data analyses concerning the energy intensity at two farms confirm the results of the calculations. Dairy farming is a multi-output process. For that reason the allocation of the cumulative energy demand on the different products is done within the scope of a life cycle inventory analysis. The preferable solution of the allocation divides the cumulative energy demand on the four co-products as follows: 59 % for the milk production, 18% for producing beef from the dairy cow, 2% for the calf and 21% for the excrements. An uncertainty analysis is done to verify the influence of single uncertainties on the results of the calculations. As result an uncertainty of ± 6 % of the CED of the standard procedure was calculated. This uncertainty of the calculation has a lower influence on the CED than management related decisions on the cultural practices e.g. diet compositions and service life of the cows. Energy intensity in livestock husbandry has been determined as a useful indicator and therefore a reasonable part of an indicator system for the examination of the sustainability of agricultural production procedures.

Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Ionenströmen auf die Aktionspotentialgenerierung. Kapitel 1 zeigt den Einfluss der Chloridpermeabilität auf die Response und die Volumenregulation bei äußerer Erregung. In Kapitel 2 zeigen wir, dass passiven Leckströmen, für deren Kompensation neuronale Zellen einen enormen Energieaufwand betreiben, das Membranpotential gegen Fluktuationen in anderen funktionalen Ionenströmen stabilisieren und damit ein gesichertes Verarbeiten und Weiterleiten von Informationen in Form von Aktionspotentialen erst ermöglichen. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Energiemetabolismus neuronaler Zellen. In Kapitel 3 bestimmen wir den Sauerstoffverbrauch in Hirnschnitten bei verschiedenen Aktivitätszuständen und zeigen, dass das Auftreten einer hämodynamische Response für hohe Aktivitätsformen notwendig ist. Wir schließen daraus, dass das vaskuläre System nur so weit angelegt ist, als es zur Vorsorgung bei hoher energetischer Belastung erforderlich ist. In Kapitel 4 verwenden wir ein von uns entwickeltes Modell des neuronalen Energiestoffwechsels um zu untersuchen, wie die Charakteristiken von NAD(P)H-Fluoreszenzkurven, auf die zelluläre glykolytische und respiratorische Aktivität zurückzuführen sind. Außerdem zeigen wir, wie die Fähigkeit neuronaler Zellen, Lactat alternativ zur Glukose als energielieferndes Substrat zu benutzen, von ihrer glykolytischen und oxidativen Kapazität abhängt. Da in viele neurodegenerativen Erkrankungen eine reduzierte Aktivität des Enzymkomplexes α-ketogluteratedehydrogenase (KGDHC) auftritt, haben wir in Kapitel 5 den Einfluss einer gestörten KGDHC Aktivität auf den neuronalen Energiestoffwechsel untersucht. Wir zeigen, wie eine reduzierte KGDHC Aktivität neuronale Leistungsfähigkeit kompromittiert. Außerdem identifizieren wir mögliche Bildungsstellen für reaktive Sauerstoffspezies (ROS) der Atmungskette und zeigen, dass eine Reduktion der KGDHC Aktivität die Bilddung von ROS vermindert. / The first part of this work deals with the influence of ion currents on the generation of action potentials (APs). Chapter 1 shows the influence of chloride on the fidelity of APs and cellular volume regulation. In chapter 2 we show that sufficiently large leak currents function as important stabilizers of the membrane potential and thus are required to allow robust AP firing. The second part deals with the energy metabolism of neuronal cells. In chapter 3 we determine the relative oxygen consumption rate of hippocampal brain slices under different activity states. We show that a hemodynamic response is necessary for sufficient oxygen supply during highly active states. We conclude that the effort spent on the structure of the vascular system is economized to just match the neuronal energy demand. In chapter 4 we use a model of the neuronal energy metabolism developed by us to show how the characteristics of NAD(P)H fluorescence curves relies on the cellular glycolytic and respirational activity. In addition we show how the ability of neuronal cells to use lactate instead of glucose as energy delivering substrate depends on their respective glycolytic and respiratory activity. Since a reduced activity of brain α-ketoglutarate dehydrogenase complex (KGDHC) occurs in a number of neurodegenerative diseases, we examined the influence of a reduced KGDHC activity on the neuronal energy metabolism and show how it leads to a compromised neuronal functionality. In addition we developed a detailed kinetic model of the respiratory chain (RC) and identified the possible sites for production of reactive oxygen species (ROS) by the RC. We show that a reduced KGDHC activity should decrease ROS production by the RC.

Die elektrische Energieform gewinnt im Kraftfahrzeug wegen ihrer Nutzungsvielfalt und sehr guten Steuerbarkeit für die Realisierung neuartiger Funktionen zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung für ihren Einsatz ist eine zuverlässige und effiziente Bereitstellung durch das Kfz-Energiebordnetz. Dafür ist ein intelligentes Energiemanagement erforderlich, welches mit geeigneten Strategien die Leistungsflüsse im Energiesystem koordiniert. In dieser Arbeit werden die beiden Entwurfsziele der Zuverlässigkeit und der Effizienz bei der Entwicklung von elektrischen Energiemanagement-Strategien systematisch betrachtet. Es erfolgt eine Beschreibung und Zuordnung der einzelnen Ziele und Maßnahmen anhand der Energieflüsse und Wirkungsketten. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Beherrschung von Lastwechseln im Bordnetz. Für Aussagen hinsichtlich einer effizienten Erzeugung elektrischer Energie erfolgt eine Untersuchung der Energiewandlungskette anhand analytischer Methoden und mit Hilfe einer simulationsgestützten Optimierung. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt in der Betrachtung zur Anwendung ökonomischer Modelle für eine Energiekoordination. Es werden die theoretischen Grundlagen der Mikroökonomie zusammengestellt und mögliche Funktionsstrukturen eines einseitigen und zweiseitigen Allokationsmechanismus verglichen und bewertet. Abschließend zeigen experimentelle Untersuchungen an einem Bordnetzprüfstand zum Lastwechselverhalten und die Integration eines Energiemanagement-Systems den praktischen Bezug zum realen System.

Drahtlose Sensornetze können Zustände physikalischer Größen messen und an eine Basisstation (Datensenke) melden. Durch die geographische Verteilung der Sensorknoten und die Bedingungen bei der Mehrwegeausbreitung kann die Situation auftreten, dass nicht alle Sensorknoten direkten Kontakt zur Basisstation aufbauen können. Sie müssen andere Sensorknoten als Vermittlungsstation in Anspruch nehmen, um die Nachrichten an die Basisstation zu befördern. Um den Energieverbrauch zu verringern, werden Nachrichten zum einen ereignisbasiert generiert und zum anderen zeitbasiert vermittelt. Dabei beschreibt der Arbeitszyklus den Anteil der Vermittlungsaktivität am Gesamtzyklus. Derzeit verfügbare Methoden berücksichtigen allerdings nicht die Verknüpfung zwischen dem von der Anwendung generierten Verkehr und der Vermittlungshäufigkeit. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem der Arbeitszyklus zur Laufzeit automatisch eingestellt werden kann. Dafür wird in der Vermittlungsstation die Verkehrscharakteristik gemessen und für die Einstellung des Arbeitszyklus benutzt. Die Leistungsfähigkeit der Anpassung des Arbeitszyklus wird mit Simulationen untersucht. Sie zeigen, wie sich der Ansatz bei verschiedener Parametrierung in statischen und dynamischen Szenarien verhält. Um dem späteren Anwender der Anpassung eine Abschätzung des Verhaltens zu ermöglichen, werden zusätzlich analytische Modelle für die Analyse des statischen und dynamischen Verhaltens entwickelt. Ferner wird gezeigt, dass der entwickelte Ansatz für etablierte Standardtechniken (z. B. IEEE 802.15.4) eingesetzt werden kann. / Wireless Sensor Networks support flexible measuring of physical values. Due to the geographical distribution and multipath scattering the base station in such a network might not be reached by all sensors. Hence, other sensor nodes have to work as relay stations. At the same time, each sensor node is forced to consume as low energy as possible. In order to save energy the messages are generated event based in each sensor node and forwarded with a time triggered approach. Thereby, the duty cycle describes the portion of the relay activities in relation to the overall cycle. Currently available approaches do not properly adapt these two paradigms, event and time triggered, to each other. In this work a method to adapt the duty cycle according to the traffic is proposed. Therefore, the traffic is monitored and evaluated for traffic adaptation. Furthermore, the performance of the duty cycle adaptation is assessed using simulations. They show the behavior of the adaptation algorithm in static and dynamic scenarios with different parametrizations. The supplemental analytical models enable to easily estimate the behavior of the adaptation, in static as well as in dynamic scenarios. Also, it is shown how the duty cycle adaptation can be deployed for standard technologies like IEEE 802.15.4.

The work in hand considers energy efficiency of data transmission in wireless networks with low data rate (=sensor networks). Often the network nodes are battery operated thus calling for node lifetimes of months or even years. Thus, energy efficiency becomes an important optimisation criteria when designing hardware as well as for the physical transmission, protocol design etc. In order to meet the tight energy constraints, it is necessary to optimise the system as a whole, not just single parameters. This work first shows a derived analysis model for calculating the energy consumption during data transmission. This model is based on a complex state diagram which is evaluated using Mason rules. Using this model the impact of individual parameters on the energy consumption can be computed. Herein the interference of other nodes is included as well. The individual parameters investigated include detection method, modulation scheme, error correction and channel access. The main conclusion is, that higher transmit power can yield decreased energy consumption if the time, which nodes spend in the energy intense active mode, is reduced. Ultra-Wideband-transmission (UWB) using short pulses (Impulse Radio-IR) is currently developing. The potential of this technology is a very simple power-efficient transmitter. Moreover, due to the short pulses, transmission time is short. These two facts promise an energy efficient operation in transmit mode. Nevertheless, performance of simple receivers is still quite low, especially in multi-path environments. Moreover there is the need of powerful synchronisation algorithms. Sensor networks usually possess multi-hop functionality. However, only in severe (block) fading channels multi-hop is more energy efficient than direct transmission. Supposed the transmit power is the same for all nodes, then the transmit power has to be dimensioned for the weakest link. Then, under certain conditions, cooperative relaying schemes can not capitalize the spatial diversity gain. - (This manuscript is also available - in the form of a book - from Dresden: Vogt (Verlag), ISBN:3-938860-02-2) / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Energieeffizienz der Datenübertragung in Funknetzwerken mit geringer Datenrate (=Sensornetzwerke). Die Netzknoten solcher Netzwerke sind zumeist batteriebetrieben und sollen Betriebsdauern von Monaten bis Jahren erreichen. Daher ist Energieeffizienz ein wichtiges Designmerkmal sowohl beim Hardwareentwurf als auch bei der physikalischen Übertragung, im Protokolldesign usw. Um den energetischen Beschränkungen gerecht zu werden, sollen nicht Einzelparameter optimiert werden, sondern das System insgesamt. In dieser Arbeit wird zunächst ein Analysemodell zur Berechnung des Energieverbrauchs bei der Datenübertragung entwickelt, welches diesen Forderungen gerecht wird. Dieses basiert auf einem komplexen Zustandsdiagramm, welches mit der Mason'schen Regel ausgewertet wird. Dieses Modell nutzend, kann der Einfluss von Einzelparametern auf den Energieverbrauch unter Berücksichtigung der Interferenzen anderer Netzknoten berechnet werden. Als Einzelparameter werden exemplarisch Detektionsverfahren, Modulation, Fehlerschutzkodierung und Kanalzugriff untersucht. Die Grunderkenntnis dieser Betrachtungenen ist, dass höhere Sendeleistungen zu geringerem Energieverbrauch führen, wenn dadurch die Zeit des Netzknotens im energieintensiven Aktiv-Mode verkürzt wird. Ultra-Wideband-Verfahren (UWB) mittels kurzen Pulsen (IR-UWB) befinden sich noch in einer frühen Entwickungsstufe. Das Potential liegt in einem sehr einfachen Senderaufbau, der sehr leistungseffiziente Sender ermöglicht. Aufgrund der kurzen Pulse ist zudem die Übertragungszeit sehr gering. Diese beiden Gegebenheiten lassen auf einen geringen Energieverbrauch hoffen. Allerdings ist die Leistungsfähigkeit von einfachen Empfängern insbesondere in Mehrwegekanälen sehr gering. Desweiteren gibt es noch intensiven Forschungsbedarf für leistungsfähige Synchronisationsalgorithmen. Sensornetzwerke verfügen im Allgemeinen über Multi-Hop-Funktionalität. Energetisch betrachtet, ist deren Einsatz aber nur in starken Blockschwundkanälen sinnvoll. Wird die Sendeleistung aller Netzknoten als konstant angenommen, muss die Sendeleistung auf die schwächste Verbindung dimensioniert werden. Bei kooperativen Vermittlungsverfahren kann dadurch unter bestimmten Bedingungen der räumliche Diversitätsgewinn nicht genutzt werden. - (Die Dissertation ist veröffentlicht im Verlag Vogt, Dresden, ISBN:3-938860-02-2)

Verteilte, Eingebettete Systeme beeinflussen unser tägliches Leben in unzähligen Bereichen. Getrieben durch technologische Weiterentwicklungen und neue Nutzungsprofile nimmt der Vernetzungsgrad elektronischer Geräte rapide zu. Neben einem ausgeprägten Netzwerkcharakter sind aktuelle und zukünftige Anwendungsszenarien wesentlich durch einen hohen Mobilitätsgrad geprägt. Daraus ergeben sich zunehmend Problemstellungen bzgl. geeigneter Kommunikationskonzepte und der hierfür benötigten Energieressourcen. Dieses Buch befasst sich mit Technologien, Konzepten und Protokollen zur energieeffizienten Kommunikation in verteilten, ressourcenbeschränkten Systemen. Es definiert grundlegende Begrifflichkeiten und vermittelt einen umfassenden Einblick in die verschiedenen Forschungsschwerpunkte. Relevante, technologische Entwicklungen der beiden letzten Dekaden werden vorgestellt, thematisch eingeordnet und kritisch analysiert. Anschließend erfolgt die funktional getrennte Betrachtung von Kommunikationsprozessen auf Netzwerk-, Daten- sowie Energiemanagementebene. Darauf aufbauend widmet sich das Buch der Systemintegration und damit einhergehend dem komplexen Systemkonfigurationsprozess. Unter Berücksichtigung applikationsspezifischer Rahmenbedingungen sowie funktionaler Anforderungen werden gezielt geeignete Optimierungsstrategien ausgewählt und in einer ganzheitlich angepassten Systemarchitektur kombiniert. Erst durch das präzise Zusammenspiel von Kommunikationsparadigma, Kommunikationstechnologien und Kommunikationsprotokollen entsteht ein optimiertes Gesamtsystem, welches die zur Verfügung stehenden Ressourcen effizient nutzt. Zur Bewertung kommt ein neu entwickeltes, erweitertes Quantifizierungsmodell zum Einsatz, welches die kommunikativen Aspekte verteilter Applikationsszenarien vollständig einbezieht. Im Rahmen umfangreicher Fallstudien werden ausgewählte Optimierungsverfahren simulativ sowie auf Basis unterschiedlicher Hardwareplattformen evaluiert. Aus den Ergebnissen resultieren qualitative und quantitative Rückschlüsse auf das mögliche Optimierungspotential unter realen Einsatzbedingungen. Die gewonnenen Erkenntnisse dienen als wichtige Richtgrößen für zukünftige Entwicklungen im Bereich eingebetteter, ressourcenbeschränkter Kommunikationssysteme. / Embedded systems are used in almost every domain of our daily lives. Actual research and development activities focus on wireless connected and mobile system architectures. The resulting network topologies represent embedded, distributed systems, which are able to process complex tasks in a collaborative way. Most of the respective hardware platforms are energy self-sufficient with strongly limited resources for data processing, data storage and communication. With focus on the energy resources, communication tasks have a huge impact on the systems power consumption. In order to optimise the energy efficiency of these communication tasks, one key challenge for engineers is the application-specific integration of adapted communication concepts, radio technologies, and protocol stacks into an all-embracing communication architecture. This book critically discusses energy efficiency in distributed, embedded systems with focus on the communication aspects. The first part introduces basic definitions as well as a novel estimation model for quantifying energy efficiency on both local (system) and global (network) layer. In the second part, this book proposes several optimisation approaches for energy-efficient, resource-limited communication systems. This include hardware approaches as well as software approaches to optimise the runtime environment and the data processing tasks. Each approach operates on different abstraction layers within the system architecture. The last part of the book deals with the evaluation of specific optimisation strategies under real-world conditions. The test cases includes simulation scenarios as well as hardware test benches within a heterogeneous network environment. The respective results and analyses represent important guidelines for future developments in field of distributed, embedded communication platforms.