Übersicht der Qualifikationsarbeiten

Ausgeschriebene Themen

Laufende und abgeschlossene Arbeiten

 


Investigating Mobility in Dynamic Wireless Sensor Software Defined Networks

In a Software Defined Network (SDN) the network intelligence is moved into a centralized controller. The main difference between SDN and traditional networks is that SDN separates the control plane from the data plane. The data plane consists of only forwarding devices (called switches) instead of the traditional devices (routers, switches, firewall, … etc.). The network intelligent is represented by applications in the controller that can be built upon the network operation requirements.

We are considering a software defined network of wireless sensors. The Sensors are sensing and monitoring their environment’s conditions (temperature, pressure… etc.) and they deliver the collected data to a certain point through a route that’s been decided by the SDN controller. These sensors can operate in a dynamic environment in which the topology of the network will be changed frequently, that means more control massages in the network are needed to keep the controller up to date. The task in this thesis is to investigate on how the control massages can be reduced in such dynamic wireless sensor software defined network.


 

Entwurf und Implementierung eines drahtlosen Sensornetzes zur Erfassung von Umweltparametern im geplanten „Long Term Ecological Research (LTER)“ Versuchsfeld auf der Ökosystemforschung Anlage Eußerthal

Die geplante Arbeit umfasst den Entwurf und die Implementierung eines drahtlosen Sensornetzes für eine interdisziplinäre Forschungskooperation zwischen dem Institut für Umweltwissenschaften und dem Institut für Informatik. Im Rahmen der Zusammenarbeit soll ein drahtloses Sensornetz für das geplante „Long Term Ecological Research (LTER)“ Versuchsfeld Eußerthal realisiert werden. Eines der langfristigen Ziele ist die Umsetzung einer Sensortechnologie, mit welcher Umweltparameter über einen Zeithorizont vieler Jahrzehnte erfasst werden können. Dies stellt eine große Herausforderung an die Hardware, an die Software, sowie an die Repräsentation und Datenhaltung der Messwerte dar.

Mit der ausgeschriebenen Qualifikationsarbeit soll als Pilotversuch ein Sensornetz für das Versuchsfeld prototypisch realisiert werden.

Hierbei sind zunächst mit dem Kooperationspartner die Anforderungen zu erforderlichen oder schon eingesetzten Sensoren, wie beispielsweise Pegelstandmessung, pH-Wert-Erfassung, Bodenfeuchte, Sauerstoff oder Temperatur zu bestimmen. Hierbei sind auch mögliche verfügbare Schnittstellen zum Auslesen digitaler bzw. zur Digitalisierung analoger Messwerte festzustellen.

Es schließt sich hieran eine Recherche und Gegenüberstellung aktueller Basistechnologien generischer Sensorknotenhardware sowie entsprechender Laufzeitumgebungssoftware an. Neben den Sensornetztypischen Fragen zu Energieeffizienz und sog. Energy-Harvesting ist hier auch die Langzeitdatenerfassung von besonderer Bedeutung. Wartbarkeit macht eine einfache Austauschbarkeit von Software und Hardwarekomponenten im laufenden System erforderlich.

Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Gestaltung einer an die aktuellen Gegebenheiten des Versuchsfeldes angepasste Netzarchitektur. Gegenwärtig ist das Versuchsgelände nur teilweise und zeitlich begrenzt über WLAN abgedeckt. Dies erfordert eine Kombination zwischen temporärem Caching und einer an temporär verfügbare Kommunikationsressourcen angepasste Datenübertragung.

Auf Basis der Ergebnisse sollen in Zusammenarbeit mit dem Kooperationspartner geeignete Sensornetzmesspunkte im Versuchsfeld bestimmt, entsprechende drahtlose Sensorhardware beschafft (voraussichtlich mehrere Dutzend generische Sensorknoten inklusive geeigneter Sensorik), sowie das Sensornetz installiert und getestet werden.

Im Rahmen der Tests soll zum einen die generelle Einsetzbarkeit eines drahtlosen Sensornetzes für bestimmte langfristige Messaufgaben im Bereich Umweltwissenschaften demonstriert werden. Zum anderen sollen durch länger angelegte Messungen spezifische sensornetzrelevante Parameter wie Qualität der Datenerfassung, als auch Funktechnische Aspekte wie Einfluss von Umweltparametern auf die Qualität der Erhebung und Kommunikation der Messdaten empirisch untersucht werden.

Die beschriebene Qualifikationsarbeit kann sowohl als Master-Arbeit oder im Umfang reduziert als Bachelor-Arbeit durchgeführt werden.

 

 


Cachingverfahren für die aktive Platzierung von Daten in datenzentrierten Fahrzeugnetzen

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, wodurch eine lose Kopplung erreicht wird unabhängig ihrer physikalischen
Lokation im Netzwerk. Diese Bestrebungen werden unter dem Begriff „Information-Centric
Networking“ (ICN) zusammengefasst und beinhalten bereits zahlreiche Strömungen und Konzepte.

Im Kontext vernetzter Fahrzeuge sind solche Konzepte vielversprechend, da der Austausch von
Informationen durch die hochgradige Mobilität der Teilnehmer in klassischen Kommunikationsmodellen
erschwert wird. Die Trennung von Daten zu einer physikalischen Lokation (z.B. eines bestimmten Servers)
in ICN ermöglicht das strategische Platzieren von Daten nahe den Endkonsumenten, welches beispielsweise eine Reduzierung von Latenzen und eine Entlastung des Kernnetzwerkes zur Folge hat.

Ziel der Arbeit ist die Enticklung neuer Algorithmen und Strategien für die vorausschauende Platzierung von Daten nahe des Endkonsumenten. Hierbei spielen Faktoren wie Mobilität der Teilnehmer, die Art der Daten (z.B. Popularität) und Zustand der Cache-Komponenten im Netzwerk eine Rolle.

Die beschriebene Qualifikationsarbeit kann sowohl als Master-Arbeit oder im Umfang reduziert
als Bachelor-Arbeit durchgeführt werden. Weiter besteht die Möglichkeit die Arbeit bei der
Robert Bosch GmbH im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung in Renningen bei Stuttgart
durchzuführen. Neben dem Einblick in den Forschungsbereich eines global agierendes Unternehmen,
wird die Tätigkeit mit einem Entgeld honoriert.

 

 


Räumliche Clusteringverfahren zur Gebäudeautomatisierung

Kontakt: Hannes Frey (B 208), frey[at]uni-koblenz.de

GegenstaAbbildung: einzelnen Zimmern zugeordnete Clusternd dieser Qualifikationsarbeit ist die drahtlose Kommunikation im Bereich der Gebäudeautomatisierung. Generell geht es um die drahtlose Vernetzung von Sensoren (z.B. Schalter, Dimmer, Temperatursensoren oder Helligkeitssensoren) und Aktoren (z.B. Lampen, Jalousie, Heizung).

Um solche Netze auch mit sehr vielen Sensoren und Aktoren betreiben zu können, ist es erforderlich diese in sogenannten Cluster-Strukturen zu verwalten. Ein abstraktes Beispiel einer solchen Cluster-Struktur ist in nebensehender Abbildung dargestellt. Jeder Knoten ist entweder ein Kommunikationskoordinator (auch als Cluster-Head oder kurz mit CH bezeichnet) oder einem dieser Koordinatoren zugeordnet.

In der Regel sind zusammengehörende Sensoren und Aktoren in demselben Zimmer eines Gebäudes. Beispielsweise ist ein Lichtschalter einer Lichtquelle im selben Zimmer zugeordnet. Um eine möglichst kurze Reaktionszeit zwischen Sensoreingabe und Reaktion auf dem Aktor zu erreichen, ist es sinnvoll, dass sich Sensor und Aktor in demselben Cluster befinden. Das Ideal wäre somit, eine Clusterstruktur, die wie oben abgebildet in jedem Zimmer einen Cluster-Head besitzt und sämtliche Knoten des Raumes diesem Cluster-Head zuordnet. Eine solche Netzorganisation lässt sich offensichtlich durch manuelle Konfiguration erreichen.

Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, inwieweit sich durch geeignete automatische Netzformationsverfahren oben genannte räumlich organisierte Cluster formieren lassen. Das bedeutet, solche Cluster sollen nicht manuell erzwungen sein, sondern automatisch durch einen verteilten Algorithmus entstehen. Dem Algorithmus stehen hierzu Signalstärke-messungen zwischen den einzelnen Kommunikationspaaren zur Verfügung. Generell fällt die Signalstärke signifikant mit der Kommunikationsdistanz. Darüber hinaus fällt diese umso stärker, je mehr Wände zwischen Sender und Empfänger liegen. Diese messbare Information lässt sich somit dazu verwenden, um Cluster zu bilden, in denen Knoten desselben Raumes zwar nicht garantiert jedoch mit hoher Wahrscheinlichkeit in einem gemeinsamen Cluster zusammengefasst werden.

Die ausgeschriebene Arbeit umfasst die Beschäftigung mit dem Stand der Forschung im Bereich des Clusterings, die konzeptuelle Entwicklung eines verteilten Verfahrens, mit welchem oben gennannte räumliche Cluster-struktur mit hoher Wahrscheinlichkeit konstruiert werden, deren Implementierung in einer Simulation und in einem Testbed (ein Testbed in einer Halle des WTD), und deren empirische Evaluation anhand von Versuchsdurchläufen.

Lokale Algorithmen für drahtlose Ad hoc und Sensornetze

Kontakt: Florentin Neumann (B 219), fneumann[at]uni-koblenz.de

Beaconlose Rekonstruktion der PDT-Graphnachbarschaft unter Knotenmobilität

Es gibt diverse Problemstellung welche Verfahren zur lokalen Planarisierung benötigen. D.h. bevor ein Netzknoten die Problemstellung mittels bekannter Verfahren lösen kann, muss der Knoten alle adjazenten Kanten in einem planaren und zusammenhängenden Subgraphen ermitteln. Um unnötigen Nachrichtenaufwand zu vermeiden ist es vorzuziehen sogenannte Beaconfreie Algorithmen einzusetzen rekonstruktionPDTwelche auf den Versand von (periodischen) Kontrollnachrichten verzichten. In [BNF13] wird ein beaconloses Verfahren vorgestellt um für einen Netzknoten die Nachbarschaft in der Partiellen Delaunay Triangulierung (kurz PDT) zu konstruieren. Das Verfahren arbeitet Nachrichtenoptimal, da nur mit solchen Knoten Nachrichten ausgetauscht werden, die auch zur zu konstruierenden Topologie gehören. Nimmt man jedoch an, dass Netzknoten einer gewissen Mobilität unterworfen sind, dann verliert die gefundene Lösung nach einiger Zeit ihre Gültigkeit da einige Knoten aus der Nachbarschaft heraus fallen (Abb. durchkreuzte Knoten) und andere hinzu stoßen (Abb. gelber Knoten). Um nun nicht periodisch die PDT Nachbarschaft vollständig ermitteln zu müssen wäre es wünschenswert ein beweisbar korrektes Verfahren zur Rekonstruktion der PDT Nachbarschaft (Abb. gelbe Kanten und durchkreuzte Kanten) eines Knotens zu entwickeln. Dies würde überflüssigen Nachrichtenaufwand weiter beschränken.

Ziel der Abschlussarbeit ist der Entwurf eines reaktiven Verfahrens zur Rekonstruktion der PDT Nachbarschaft in mobilen Ad Hoc Netzen. Als Ansatzpunkt dienen hierfür die aus der Literatur bekannten Verfahren zur reaktiven Konstruktion der PDT und der Gabriel Graph Nachbarschaft [RKNS10]. Der entworfene Algorithmus soll auf Korrektheit und Effizienz untersucht werden. Dies kann sowohl theoretisch, d.h. mittels formaler Beweise, als auch empirisch, d.h. mittels umfangreicher Simulationen, erfolgen.

Planarisierung von 1-schwachen Redundanz und Koexistenz Graphen

Dei meisten lokalen Algorithmen zur Planarisierung von drahtlosen Ad hoc Netzen setzen voraus, dass der Netzgraph ein Unit Disk Graph ist. Der Localized Link Removal and Addition based Planarization Algorithm (LLRAP) [MF12] benötigt diese Annahme nicht. Vorausgesetzt der Eingabegraph erfüllt die starke Koexistenz und starke Redundanzeigenschaft berechnet LLRAP mittels lokaler Regeln für einen Knoten die Nachbarschaft in einem zusammenhängenden, planaren Teilgraphen des Eingabegraphen.

Redundanz und KoexistenzEin Graph erfüllt die starke [schwache] Redundanzeigenschaft, wenn für zwei kreuzende Kanten uv und xy gilt, dass einer der beiden Endpunkte der einen Kante mit beiden Endpunkten [mindestens einem Endpunkt] der schneidenden Kante verbunden ist (siehe Abb. links). Ein Graph erfüllt die starke [schwache] Koexistenzeigenschaft, falls für jede Clique der Größe 3 in dem Graphen gilt, dass wenn ein Knoten in dem durch die Clique aufgespannten Dreieck liegt, dann ist dieser Knoten durch Kanten mit jedem [mindestens einem] der drei Dreickspunkte verbunden (siehe Abb. rechts).

Ziel der Arbeit ist die Weiterentwicklung von LLRAP bzw. der Entwurf eines lokalen Algorithmus welcher für Eingabegraphen die nur die schwache Redundanz und Koexistenz Eigenschaft erfüllen einen planaren zusammenhängenden Graphen konstruieren. Der entworfene Algorithmus soll auf Korrektheit und Effizienz untersucht werden. Dies kann sowohl theoretisch, d.h. mittels formaler Beweise, als auch empirisch, d.h. mittels umfangreicher Simulationen, erfolgen.

Systematischer Simulativer Vergleich von lokalen Planarisierungstechniken für Unit Disk Graphen

In der Literatur werden zahlreiche lokale Verfahren zur Planarisierung von drahtlosen Ad Hoc und Sensornetzen beschrieben. Die überwiegende Mehrheit dieser Verfahren setzt voraus, dass die zugrunde liegenden Netze die Unit Disk Graph Eigenschaft erfüllen, d.h., dass zwei Knoten genau dann über eine Kante miteinander verbunden sind, wenn Ihr Euklidischer Abstand höchstens so groß ist wie eine fest gewählte Konstante. Bei der Planarisierung werden Kanten gelöscht. Dadurch verlängern sich die paarweise kürzesten Wege zwischen den Knoten. Der maximale Faktor um den sich diese Verlängern wird als spanning ratio bezeichnet.

Ziel der Arbeit ist der systematische, simulative Vergleich der Unit Disk Graph Planarisierungsverfahren hinsichtlich des Nachrichtenaufwandes und der spanning ratio. In einer geeigneten Simulationsumgebung (z.B. dem Java Framework SinAlgo) sollen alle Verfahren zunächst implementiert und getestet werden. Anschließend werden umfängliche Vergleichsstudien durchgeführt und statistisch ausgewertet.

1-lokale Konstruktion von planaren, gradbeschränkten, Unit Disk Graph Spannern

Kanj et al. beschreiben in [KX12] ein lokales Verfahren zur Konstruktion von planaren, gradbeschränkten Euklidischen Spannern für Unit Disk Graphen. Das Verfahren nutzt die lokale Konstruktion der 2-lokalen Delaunay Triangulierung nach Li et al. [LCWW03]. Kürzlich wurde in [NF12] gezeigt, dass auch der 1-lokal konstruierbare Partielle Delaunay Graph ein planarer Euklidischer Spanner für Unit Disk Graphen ist.

Ziel der Arbeit ist der mathematische Beweis, dass das Verfahren von Kanj et al. auch dann einen zusammenhängenden, planaren, gradbeschränkten Graphen liefert, wenn man die Partielle Delaunay Triangulierung anstelle der 2-lokalen Delaunay Triangulierung verwendet.

 

Der Umfang der Arbeit kann je nach Art des angestrebten Abschlusses angepasst werden.


Laufende und abgeschlossene Arbeiten

Im Folgenden sind aktuell betreute und abgeschlossene Arbeiten der Arbeitsgruppe Frey aufgelistet.

Diplom- und Studienarbeiten

ThemaBearbeitet vonBetreut durch
Status
Mehrfrequenz-Acknowledgement-Aggregation in drahtlosen Sensornetzen Stephan Sonntag H. Frey,
R. Funke
laufend
Automatisierung von Messungen in Drahtlos-Testbeds Kasjen Kramer H. Frey,
R. Funke
abgeschlossen
Forwarding Loops Holger Breitbach, Mario Wendling H. Frey, F. Bohdanowicz abgeschlossen
Erweiterung der Routingsimulationssoftware JRoutingSim um RIP und RMTI Roman Komp H. Frey, F. Bohdanowicz abgeschlossen

Masterarbeiten

ThemaBearbeitet vonBetreut durch
Status
Beaconless Geocasting with Guranteed Delivery in Wireless Ad Hoc Networks Daniel Vivas Estevao H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Literaturstudie zu Mehrfrequenz-Clusteringverfahren in drahtlosen Sensornetzen Nicolas Schönfeld H. Frey,
R. Funke
laufend
Prototypenstudie zu Sensornetzen in Landwirtschaft und Pflanzenbau Sebastian Bock H. Frey abgeschlossen
Reactive Construction of a Planar Overlay Graph in Quasi Unit Disk Graphs Freya Surberg H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Beaconlose geographische Gruppenkommunikation Dominik Mosen H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Fließgewässermonitoring mit drahtlosen Sensornetzen Ansgar Taflinski H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Empirische Untersuchung des Broadcast-Storm-Problems in drahtlosen Netzen der Gebäudeautomatisierung Benjamin Hück H. Frey abgeschlossen
Erweiterung des Spanning Tree Simulators Andreas Sebastian Janke H. Frey, F. Bohdanowicz

abgeschlossen

Bachelorarbeiten

Thema

Bearbeitet vonBetreut durchStatus
Aufbau eines Drahtlosnetzwerks und Ermittlung der Log-distance path-loss Modellkoeffizienten für 2.4GHz Outdoor-Suburban Szenarien Evgeny Sinderovich F. Neumann,
H. Frey
laufend
Arduino basierte Sensorknoten für Fließgewässermonitoring Sergei Diez F. Neumann,
H. Frey
laufend
6LoWPAN mit MeshUnder in TinyOS Jonas Mohrs H. Frey,
R. Funke
abgeschlossen
Administration und Synchronisation eines verteilten Systems am Beispiel eines Audioplayers Ansgar Sachs, Marco Sliwa H. Frey abgeschlossen
Beaconlose Algorithmen für Gradbeschränkte Euklidische Unit Disk Graph Spanner Tim Budweg H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Entwicklung eines energieeffizienten GSM-basierten Sensornetz Gateways Frank Ockenfeld H. Frey, F. Bohdanowicz abgeschlossen
Räumliches Clustering Enno Behrends H. Frey,
R. Funke
abgeschlossen
Konzipierung und Implementierung eines Eclipse-Plugin zur Steuerung von Sensornetz-Testbeds Felix Gorbulski H. Frey,
R. Funke
abgeschlossen
Adaptive Acknowledgement Aggregation in Clustered Wireless Sensor Networks Kevin Schmidt H. Frey,
R. Funke
abgeschlossen
Eine Systematische Literaturstudie zu Beaconlosen Algorithmen für Drahtlose Ad hoc und Sensornetze Daniel Vivas Estevao H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Ein Reaktiver Algorithmus für Geografisches Clustering Julian Mosen H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Reaktive Protokolle zur Optimierung von Rotational Sweep Recovery Pfaden Christian Botterbusch H. Frey,
F. Neumann
abgeschlossen
Implementation und Evaluation automatischer Routen-Aggregation in einem schleifen-erkennenden Distanz-Vektor Verfahren Christian Henke H. Frey, F. Bohdanowicz abgeschlossen
Regelung eines Linearaktors mit digitalen Messschieber und Microcontroller Benedikt Jöbgen H. Frey,
M. Joost
abgeschlossen
Simulation fehlerbehafteter Verbindungen in virtuellen Netzen David Müller H. Frey, F. Bohdanowicz abgeschlossen
Verteilte Simulation großer Netzwerke mit VNUML und EDIV Nicolas Manuel Schönfeld H. Frey, F. Bohdanowicz abgeschlossen