Forschung in der AG Rechnernetze

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit der Beherrschbarkeit von drahtlos vernetzen und mobilen Systemen. Hierbei arbeiten wir algorithmisch auf Basis einer Graphensichtweise solcher Systeme, analytisch und simulativ auf Basis von Kanalmodellen und Modellen der Vernetzung von drahtlosen Systemen, sowie empirisch auf Basis von Prototypenimplementierung auf realer Hardware (WSN- und AUV-Plattformen, sowie Einplatinen-PCs), Feldversuch und Laborexperiment.

Aus den genannten Forschungsfeldern in diesem Kontext leiten sich die folgenden gegenwärtig bearbeiteten Forschungsthemen und -projekte ab:

Zusammenhang, Perkolation und inhärente lokale Struktureigenschaften in drahtlos vernetzten Systemen beliebiger Größe

Wir betrachten beliebig große Systeme (formal mit unendlich vielen Knoten und aus praktischer Sicht tausende von Knoten), welche anhand technischer Kanalmodelle zur Mobilkommunikation verbunden sind. Die daraus sich ergebenden Graphen sind zufällig. Eine naheliegende Frage zu solchen Graphen ist der Zusammenhang (schwache Zusammenhangskomponente). In beliebig großen Systemen ist solcher Zusammenhang jedoch eine zu strikte konservative Anforderung, da immer mal ein Netzknoten isoliert sein kann. Hier ist hingegen Perkolation als eine abgeschwächte Form des Zusammenhangs eine geeignet Systemgröße. In unendlichen Graphen bedeutet dies eine unendliche große Zusammenhangskomponente zu finden; in endlichen Graphen vergleichbar mit einer sehr großen Zusammenhangskomponente, welche fast alle Netzknoten beinhaltet.

Wir entwickeln und untersuchen Verfahren zur Strukturierung solcher zufälligen Graphen, welche Perkolationserhaltend sind und bestimmte lokale Struktureigenschaften des resultierenden Graphen fördern. Hierbei betrachten wir keine deterministischen Garantien, sondern untersuchen inwieweit man solche Eigenschaften mit einem hohen Rate erzeugen kann. Die Eigenschaften selbst sind Gegenstand weiterer Untersuchungen bezüglich lokaler Kommunikation und Topologiekontrollverfahren.

Das Forschungsvorhaben wird im Kontext des DFG-Projektes „Reaktive Konstruktion von und reaktives Routing in Euklidischen und Topologischen Netzspannern über drahtlosen Ad-hoc- und Sensornetzen" gefördert.

Lokale Topologiekontrolle unter Graphstrukturannahmen in mobilen vernetzten Systemen und deren Computer-gestützte Verifikation

Ausgangspunkt unserer Forschung in diesem Abschnitt sind Graphen mit angenommen lokalen Struktureigenschaften, wie diese in drahtlos vernetzen Systemen mit hoher Rate zu beobachten bzw. erzeugt werden können. Wir entwerfen unter diesen Voraussetzungen lokale Verfahren, d.h. Verfahren in denen ein netzweites Ziel nur anhand lokaler Entscheidungen der Netzknoten aufgrund ihrer Nachbarschafsinformation erreicht wird. Beliebige Netze, welche diesen Strukturannahmen folgen, werden damit strukturiert. Hierbei sind Graph-Zusammenhang, Spanner-Eigenschaft, Gradbeschränkung und Planarität mögliche Beispiele solcher zu erzeugender Eigenschaften.

Ein weiteres Zeil ist, die resultierenden Graphen solcher lokaler Verfahren anhand logischer Regeln zu formalisieren. Anhand solcher Regeln beschreiben wir die Ergebnisse der Algorithmen als sogenannte axiomatisch definierte Graph-Klassen. Viele Fragen, ob unsere Algorithmen Graphen mit bestimmten Eigenschaften erzeugen, lassen sich auf Enthaltensein-Relationen von Graph-Klassen zurückführen. Anhand von Software-Tools aus der formalen Verifikation wollen wir durch solche logisch beschriebenen Graph-Klassen und in solchen Systemen formulierte bzw. programmierte Fragen zu Enthaltensein-Relation Aussagen Garantieen zu bestimmten Graph-Eigenschaften automatisch herleiten.

Kooperative verteilte Regelung und Topologiekontrolle für drahtlos vernetzen mobile autonome verteile Miniaturrobotersysteme

In diesem Projekt betrachten wir kooperative Regelung von mobilen Knoten (Regelung von Teams von AUVs oder UAVs bzw. Fahrzeugflotten, im Folgenden unter dem Begriff Agenten zusammengefasst), die über ein drahtloses Netzwerk interagieren. Das Netzwerk wird von den Knoten selber aufgebaut, d.h. es wird keine externe Kommunikationsinfrastruktur angenommen. Aufgrund von Hardwareeinschränkungen können in vielen Fällen nur verteilte Ansätze implementiert werden. Bei solchen verteilten kooperativen Regelungsschemata, bei denen jeder Agent mit einer lokalen Steuereinheit ausgestattet ist, wird die Gesamtsystemleistung durch Informationsaustausch über ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk erreicht. Aufgrund der Broadcast-Eigenschaft des drahtlosen Netzwerks können Agenten Daten ihrer lokalen Sensoren in einer Übertragung an ihre unmittelbaren Nachbarn senden. Die Teilmenge der Nachbarn, die die empfangenen Samples in ihrer lokalen Regelung weiterverarbeiten, wird durch eine Interaktionstopologie beschrieben. Diese ist ein Subgraph über dem Graphen aller möglichen drahtlosen Kommunikationskanäle. Es ist offensichtlich, dass eine Änderung der Topologie sowie fehlerbehaftete Kommunikation die Leistung und Robustheit des miteinander verbundenen Systems beeinträchtigen.

Kooperative Regelung von Multiagentensystemen sowie die Topologiekontrolle in drahtlosen Kommunikationsnetzen wurden in der Literatur ausführlich, jedoch bisher getrennt untersucht. In Ergebnissen zur kooperativen Regelung von Multiagentensystemen wird normalerweise von einer gegebenen Interaktionstopologie ausgegangen. Forschung zur Topologiekontrolle zielt normalerweise darauf ab, das Netzwerk im Sinne der Kommunikationseigenschaften zu verbessern. Da die Interaktionstopologie in einem Netzwerk mobiler Agenten einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare kooperative Regelungsleistung hat, kombinieren wir in diesem Projekt Regelungsschema zur dynamischen Steuerung der Bewegung der Agenten mit der Anpassung der Interaktionstopologie an die zeitlich variierenden Bedingungen des Kommunikationsnetzwerks. Sowohl simulativ als auch Analytisch weisen wir nach, dass durch solche kombinierten Verfahren die erreichbare Regelungsleistung (beispielsweise konkret im Sinne von Konvergenzraten) deutlich verbessern.

Die Arbeiten in diesem Projekt werden im Rahmen des DFG-Projektes „Kooperative Regelung und Topologiekontrolle in drahtlos vernetzten mobilen Systemen (AUVs und UAVs)“ im Schwerpunktprogramm SPP1914 „Cyber-physical Networking“ gefördert. Das Projekt wird in Kooperation mit dem Institut für Regelungstechnik, TU-Hamburg-Harburg, dem Center for Research in Electric Autonomous Transport (CREAT), Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Central Florida, und dem Complex Systems Control Lab, School of Electrical and Computer Engineering, College of Engineering, University of Georgia bearbeitet.

Zuverlässige Kommunikation und äußerst geringe Latenz zur Steuerung von autonomen mobilen Roboterplattformen in der urbanen Logistik und der Industrie

In diesem Projekt stehen 5G Mobilkommunikation für urbane Logistik und Werkstofftransport im Fabrikumfeld mittels Automatic Guided Vehicles (AGVs) im Vordergrund. Hierbei ist die Zuverlässigkeit von 5G Mobilkommunikation im Fabrikumfeld ein besonders zu untersuchendes Thema. An einem konkreten Standort werden Verfahren zur 5G Messungen in Hard- und Sofware im realen Betrieb implementiert. Ziel ist unter anderem im Kontext moderner selbstorganisierender Fabrikanlagen Aussagen zu Kommunikationskanälen abzuleiten. Es wird hierbei die Frage untersucht, inwieweit im 5G Standard definierte ultra reliable low latency communication (URLLC) in betrachten Fallbeispielen erreicht werden kann und wo die Grenzen liegen. Hierzu sollen Modelle abgeleitet werden. Solche Modelle sind entscheidend für die Planung von zukünftigen smarten Infrastrukturen wie Smart-City und Smart-Factory.

Des Weiteren werden Fragen der Systemintegration betrachtet, darunter die folgenden: Inwieweit lassen sich Technologien integrieren, die nicht Teil des 5G-Standards sind? Welche Fallback-Mechanismen finden sich für den Fall, dass sich eine drahtlose 5G Verbindung verschlechtert? Inwieweit kann man 5G in infrastrukturlose Kommunikation integrieren oder wieweit lässt sich diese in 5G integrieren?

 Die diesem Projekt handelt es sich um eine Co-Betreuung mit der Hochschule Koblenz im Rahmen eines über Industrie geförderten Doktoranden.

Datenzentrierte Netzwerke im Kontext Fahrzeug-Ad-hoc-Netzwerke

Mit dem Erfolg des Internets hat sich das Kommunikationsverhalten über die Jahre stark verändert: Kommunikationsteilnehmer sind an Inhalten interessiert und weniger daran die physikalische Lokation des Inhalts kennen zu müssen. Ferner hat sich neben dem Kommunikationsverhalten auch die Art des Zugangs zu Netzen verändert: Teilnehmer sind zunehmend mobil (z.B. Smartphones und Laptops, mobile Geräte im Internet der Dinge, vernetzte Fahrzeuge). Dies hat zur Folge, dass Teilnehmer häufig Kommunikationsverbindungen wechseln (Netzwerkwechsel, Wechsel von Kommunikationstechnologien (WLAN, Mobilfunknetz)), welches die Adressierung und das Routen von Informationen von und zu Endpunkten in einem Netzwerk, die Aufrechterhaltung von Ende-zu-Ende Verbindungen, sowie die Identifikation von Teilnehmern zunehmend erschwert.

In den letzten Jahren wurde an Technologien und Konzepten für das „Internet der Zukunft“ gearbeitet, welche weg von einer host-basierten Ende-zu-Ende Kommunikation hin zu einer daten-zentrierten Kommunikation strebt. Das Prinzip: Anstelle von Endknoten werden Daten direkt adressiert. Dies wird unter dem Begriff „Information-Centric Networking“ (ICN) zusammengefasst.

Die stetige Vernetzung von Alltagsgegenständen hält ebenfalls Einzug in die Automobilindustrie. Fahrzeuge werden zunehmend mit Sensoren, Aktuatoren und Kommunikationseinheiten  (Mobilfunk, WLAN, etc.) ausgestattet. Sie bilden ein mobiles Ad-hoc Netz, auch Vehicular Ad-hoc Network (VANet) genannt und sind dadurch in der Lage Informationen gegenseitig oder mit einer Infrastruktur auszutauschen. Jedoch haben Fahrzeuge in diesem Netzwerk einen gemeinsamen Nenner: sie sind hochgradig mobil, wodurch sich der Austausch von Informationen mit Hilfe von klassischen Kommunikationsmodellen erschwert.

Im Rahmen dieser dieses Projektes wird untersucht, in wie weit sich Konzepte aus daten-zentrierten Netzwerken auf die Domäne "Vehicular Ad-hoc Networks" übertragen lassen. Hierbei werden Konzepte wie Adressierung, Caching und Forwarding untersucht, neue Strategien in diesem Kontext entwickelt und mittels Computer-Simulation und Prototypenimplementierung empirisch evaluiert.

Die Forschung erfolgt im Rahmen einer externen Promotion mit dem zentralen Forschungsbereich der Robert Bosch GmbH in Renningen.

Software Defined Networking zum Management von mobilen vernetzen IoT Systemen

In diesem Projekt betrachten wir Software-Defined Networking (SDN) im Kontext IoT mit dem Ziel Verfahren mit den folgenden Eigenschaften zu entwickeln. (1) Netzwerkmanagement und Skalierbarkeit von drahtlosen Netzen soll so gestaltet sein, dass das gesamte Netzwerk sehr einfach neu programmiert, konfiguriert und verwaltet werden kann. (2) Mobilität von drahtlosen Sensornetzwerken: Wenn sich Knoten bewegen, ändert sich die Netzwerktopologie. Folglich wird Zeit benötigt, um neue Pfade zu berechnen (sog. Routing-Konvergenz). Ein weiteres Ziel dieses Projekts ist es zu zeigen, wie die Verwendung des SDN-Konzepts die oben erwähnte Routing-Konvergenz und Pfadqualität verbessern wird. (3) Begrenzte Kommunikationsbandbreite, begrenzte Verarbeitungs- / Speicherkapazitäten und begrenzte verfügbare Energie (von batteriebetriebenen Knoten): Der SDN-Ansatz wird so konzipiert, dass nur eine geringe Anzahl von Kontrollnachrichten erforderlich ist und Lösungen mit begrenzten Compute-Ressourcen umgehen können und unterschiedlichen Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen erfüllen (z. B. Latenz und Durchsatz). Darüber hinaus wird die SDN-Organisation im Fall von batteriebetriebenen Knoten sehr energieeffizient ausgelegt.

Konkrete Herausforderungen im Projekt sind: Wie kann jeder Knoten mit seiner IP-Adresse erreicht werden? Wie implementiert man OpenFlow-Tabellen in Knoten, während der Bedarf an OpenFlow-Kontrollnachrichten so weit wie möglich reduziert wird? Wie behandelt man Mobilität und sich ändernde Netzwerktopologie, um eine weitgehend transparente Mobilität / dynamische Netzwerkänderung zu erreichen? Wie kann die erforderliche Anzahl von Kontrollmeldungen so klein wie möglich gehalten werden, um so den Durchsatz und die Latenz zu verbessern, den Energieverbrauch zu verbessern und die Batterielebensdauer zu verlängern?

Untersuchung von drahtloser Vernetzung von und durch Flugroboter anhand empirischer Feldversuchs- und Laborstudien

Ein weiteres in unserer Arbeitsgruppe bearbeitetes Forschungsfeld sind empirisch untersuchte Forschungsfragen anhand von Prototypen kooperierender Flugroboter. Auf einem Prototyp mehrerer fliegender Quadro-Koptern mit Embedded Linux Board können komplexere Algorithmen empirisch untersucht werden. Des Weiteren steht im Labor ein kleinerer Schwarm mit ca. 30 Mikro-UAV (CrazyFlies inklusive Erweiterungen) zur Verfügung.

Aktuell befassen wir uns mit Fragen der koordinierten Platzierung von Robotern, sodass mit den eingenommenen Positionen eine möglichst gute Netzstruktur für das Roboterteam bei maximal möglicher abgedeckter Fläche entsteht. Hierbei befassen wir uns mit dem Entwurf von Algorithmen auf Basis von Masse-Feder-Systemen und Grid-basierten Strukturen und deren Evaluation in realen Versuchsaufbauten. Als Stellgröße der Masse-Federsysteme und Grid-Strukturen kommen Signalstärekmessungen (RSSI-Werte) zum Einsatz.

Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit dem selbstorganisierten Aufbau von Supportnetzen. Dies beinhaltet zum einen die Bereitstellung einer drahtlosen Netz-Infrastruktur durch geeignete Positionierung der fliegenden Roboter selber, als auch den Abwurf von Relay-Knoten auf geeignete Positionen. Für letzteres stehen prototypisch in Hardware realisiert Kleinstknoten zur verfügung. Auf diesen Knoten sind geeignete Netzformierungsprotokolle für sehr leistungsschwache Mikrocontroller zu realisieren.