Algorithmen für Sensornetzwerke (Seminar WS09/10)

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1 Algorithmen für Sensornetzwerke (Seminar WS09/10) Bastian Katz Dennis Schieferdecker Markus Völker GRK 1194: Self-organizing Sensor-Actuator-Networks 1 KIT B. Universität Katz, D. desschieferdecker, Landes Baden-Württemberg M. Völker: und nationales Algorithmen Grossforschungszentrum für Sensornetzwerke in der Helmholtz-Gemeinschaft (Seminar WS09/10)

2 Algorithmen für Sensornetzwerke Seminar WS09/10 heutiger Ablauf Organisatorisches Einführung Vorstellung der Seminarthemen Themenvergabe 2 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

3 Organisatorisches Allgemeines Homepage Termine Papers Zusatzmaterial Kontakt Bastian Katz Gebäude 50.34, Raum 318 Dennis Schieferdecker Gebäude 50.34, Raum 220 Markus Völker Gebäude 50.34, Raum B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

4 Organisatorisches Seminarablauf gefordert Kurzvortrag (5min) Vortrag (30min) Ausarbeitung (LaTeX, 10 Seiten) wichtige Termine [ ] Themenvergabe [ ] Kurzvorträge verschoben auf [ ] Erste Fassung der Vorträge zeigen [ ]- Vorträge verschoben auf [ ] Abgabe der Ausarbeitungen 4 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

5 Organisatorisches Seminarablauf Kurzvorträge 5min Vortrag + 5min Diskussion Überblick über das Thema geben 1 Woche vorher Kurzvortrag zeigen (max. am Freitag vorher!) Vorträge 30min Vortrag + 15min Diskussion erste Fassung vor Weihnachten zeigen Endfassung 1 Woche vor Vortragstermin zeigen Ausarbeitung 10 Seiten Abgabe bis zum Ende der Vorlesungszeit 5 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

6 Einführung Motivation Computer lassen sich immer kleiner herstellen Moore s Law in die andere Richtung: kleiner bei gleicher Leistung Kommunikation von Bluetooth bis ZigBee Phänomene lassen sich beobachten, indem man sie mit Sensorknoten durchsetzt Idealvorstellung: billige Knoten (< 5 Euro) Knoten werden ausgestreut sie organisieren sich selbst führen Messungen durch beantworten Anfragen kollektiv detektieren und melden Ereignisse 6 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

7 Einführung verschiedene Sensorknoten Prof. Henkel Prof. Wörn Prof. Müller-Glaser 7 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

8 Einführung Aufbau Kompletter Rechner Microcontroller lokalen Speicher Kommunikation Energieversorgung Sensorik, Aktorik Entwurfsziele klein günstig langlebig 8 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

9 Einführung Ressourcen begrenzte lokale Ressourcen leistungsschwache Prozessoren begrenzter Arbeits- und Festspeicher erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit einzelner Knoten Masse statt Klasse oft keine zentrale Infrastruktur vorhanden ankerfreie Lokalisierung verteilte Berechnungen nötig 9 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

10 Einführung Kommunikation Knoten kommunizieren per Funk Reichweite ca. 10m - 500m Oft multi-hop Kommunikation nötig Routing-Algorithmen gemeinsames Medium gegenseitige Störung der Botschaften mehrere Kanäle Scheduling, Interferenzkontrolle geringe Bandbreite Vorverarbeitung der Daten im Netz 10 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

11 Einführung Energieversorgung kabellose Energieversorgung Energieerzeugung (Solarzellen, Piezoelemente,...) Batterien/Akkus alle Aktionen kosten Energie Kommunikation Berechnungen Empfangsbereitschaft aktive Sensoren Knoten sollen jahrelang arbeiten Schlafzyklen geschickte Auswahl der Infrastruktur 11 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

12 Einführung Sensorik, Aktorik Sensorik Temperatur, Feuchtigkeit, Helligkeit, Druck Lage, Beschleunigung chemische Sensoren Aktorik Signalgeber (LEDs, Summer) Magnetventile, Pumpen Impulsgeber Motoren (Fortbewegung) problemspezifische Lösungen 12 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

13 Einführung Anwendungen Überwachung Deiche, Brücken, Gletscher, Meere (Struktur, Bewegung) Grenzen (intrusion detection), Tiere (habitat monitoring) Gewässer (Schadstoffe) Waldgebiete (Brände) Erkundung unzugänglicher Gebiete unterseeisch, extraterrestrisch (militärische) Aufklärung Intelligente Umgebungen automatisierte Logistik Smart-Home Anwendungen Health-Care Anwendungen V2X-Kommunikation 13 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

14 Themenvorstellung Thema 1: Randerkennung I Boundary Recognition in Sensor Networks by Topological Methods (Yue Wang, Jie Gao, Joseph S.B. Mitchell) Identifizierung des Randes von Sensornetzwerken nur mit Verbindungsinformationen Problemreduzierung auf 1 Loch Kürzeste-Wege-Suche Beschreibung des Algorithmus Beschreibung alternativer Ansätze Korrektheitsbeweis 14 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

15 Themenvorstellung Thema 2: Randerkennung II Fine-Grained Boundary Recognition in Wireless Ad-Hoc and Sensor Networks By Topological Methods (Dezun Dong, Yunhao Liu, Xiangke Liao) Fein-granulare Randerkennung in Sensornetzwerken Erkennt Löcher beliebiger Größe Mathematische Definition von Loch Verteilter Algorithmus basierend auf topologischen Methoden Funktioniert mit niedrigem Knotengrad B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

16 Themenvorstellung Thema 3: Lokalisierung Connectivity-based Localization of Large Scale Sensor Networks with Complex Shape (Sol Lederer, Yue Wang, Jie Gao) Lokalisierung von Knoten nur mit Verbindungsinformationen benötigt Randerkennung (Lokalisierung I) Ausnutzung von Geometrieeigenschaften (Voronoi-Diagramme, Delaunay-Komplex) Beschreibung des Algorithmus Beweise aus dem Bereich Computational Geometry 16 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

17 Themenvorstellung Thema 4: Intrusion Detection Approximating Barrier Resilience in Wireless Sensor Networks (Sergey Bereg, David Kirkpatrick) Wie viele überwachte Bereiche muss man kreuzen, um von s nach t zu kommen? Wie viele Knoten müssen ausfallen, bevor man unbemerkt von s nach t kommt? Approximationsalgorithmus Computational Geometry s t 17 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

18 Themenvorstellung Thema 5: Topologiekontrolle A Robust Interference Model for Wireless Ad-Hoc Networks (P. von Rickenbach, S. Schmid, R. Wattenhofer, A. Zollinger) Interferenzminimierung in Sensornetzen Bestimmung einer zusammenhängenden Topologie Graphenbasiertes Interferenzmodell Theoretische Schranken Approximationsalgorithmen B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

19 Themenvorstellung Thema 6: Scheduling Capacity of Arbitrary Wireless Networks (O. Goussevskaia, R. Wattenhofer, M. M. Halldorsson, E. Welzl) Parallele Übertragungen unter Berücksichtigung von Interferenz Physikalisches Interferenzmodell NP-Vollständigkeitsbeweis Approximationsalgorithmen One-Shot-Scheduling: O(1)-Approx. Scheduling: O(log n)-approx. 19 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

20 Themenvorstellung Thema 7: Routing I Landmark-Based Information Storage and Retrieval in Sensor Networks (Qing Fang, Jie Gao, Leonidas J. Guibas) zweistufiges Routing-Verfahren GLIDER Landmarken, Voronoi-Gebiete virtuelle Koordinaten, Gradientenabstieg Datenspeicherung und -bereitstellung verteilte Hash-Tabelle double-ruling Schema Beschreibung beider Verfahren 20 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

21 Themenvorstellung Thema 8: Routing II Distance-Sensitive Routing and Information Brokerage in Sensor Networks (Stefan Funke, Leonidas J. Guibas, An Nguyen, Yusu Wang) effizientes Routing Verfahren hierarchische Unterteilung des Graphen benötigt keine Koordinaten garantiert fast optimaler Pfade Information-Brokerage Verfahren Zugriffszeit proportional zur Distanz zwischen Erzeuger und Verbraucher O(log n) Replikationen Beschreibung beider Verfahren Beweise über Leistungsgarantien 21 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

22 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

23 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

24 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

25 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

26 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

27 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

28 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

29 Themenvergabe im Losverfahren Überblick über alle Themen und Termine Randerkennung I [Dennis] Randerkennung II [Bastian] Lokalisierung [Bastian] Intrusion Detection [Markus] Topologiekontrolle [Markus] Scheduling [Markus] Routing I [Dennis] Routing II [Dennis] 22 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

30 Themenvergabe Ergebnis Voraussichtliche Termine Randerkennung [Thomas Betreuer: Dennis] Lokalisierung [Moritz Betreuer: Markus] Scheduling [Christof Betreuer: Markus] Topologiekontrolle [Markus] Routing [Hannes Betreuer: Dennis] Intrusion Detection [Dennis] 23 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

31 Das war alles für heute Gibt es noch Fragen? 24 B. Katz, D. Schieferdecker, M. Völker:

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