Verfasser:  Reichenbach, F. (2007)

Titel: Ressourcensparende Algorithmen zur exakten Lokalisierung in drahtlosen Sensornetzwerken.

Erstgutachter: Prof. Dr. Dirk Timmermann

Zweitgutachter: Prof. Dr. Ralf Bill

Kurztext:

Die Miniaturisierung von Sensorknoten mit geforderten Kantenlängen im Millimeterbereich ist noch nicht abgeschlossen. Die Hauptursache dafür liegt in der noch zu geringen Energiedichte aktueller Energiespeicher, die gegenüber dem relativ hohen Energieverbrauch der Sensor- und Kommunikationseinheit steht. Neben diesem zu lösenden Problem bei der Hardwareentwicklung werden aus Softwaresicht ressourcensparende Algorithmen auf den Sensorknoten benötigt, um eine möglichst lange Lebensdauer der Sensornetzwerke zu gewährleisten.

Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen der Entwurf, die Realisierung und die Erprobung von Lokalisierungsalgorithmen für ressourcenlimitierte Sensorknoten. Folgende Problemstellungen mussten dabei untersucht und gelöst werden:

1. Zur Lokalisierung erforderliche Distanzen bzw. Winkel müssen in einem Messvorgang ermittelt werden und sind somit immer fehlerbehaftet, was sich nachteilig auf die Genauigkeit der Lokalisierung auswirkt.

2. Approximative Lokalisierungsalgorithmen sind zwar bereits jetzt schon uneingeschränkt auf den Sensorknoten realisierbar, jedoch erzielen sie auch nur mittelmäßige Genauigkeiten, da ein großer Schätzfehler auftritt. Ihre Genauigkeit hängt erfahrungsgemäß stark von der Optimierung sensibler Parameter ab. Das sind z. B. die optimale Sendereichweite bei der „Coarse Grained Localization“ oder das optimale Gewicht bei der „Weighted Centroid Localization“ (WCL). Die Optimierungen  sind innerhalb definierter Randbedingungen theoretisch möglich. Eine praktische Umsetzung gestaltet sich jedoch schwierig, da die Sendereichweiten zum einen keine ideale Kreisform besitzen. Zum anderen kann die Sendereichweite nur ungenau durch eine entsprechende Ausgangsleistung in der Kommunikationseinheit eingestellt werden.

3. Der Schätzfehler der exakten Lokalisierungsmethoden ist zwar sehr gering, allerdings steigt der dafür benötigte Ressourcenverbrauch in Abhängigkeit von einer sich erhöhenden Beaconanzahl drastisch an. Für derartige komplexe Berechnungen ist sowohl die Sensorknotenhardware zu leistungsschwach als auch die verfügbare Energiemenge zu gering. Mit dem DLS und seinen Varianten wird hier ein neuer Algorithmus vorgestellt.

Abstract:

The miniaturization of sensor nodes with required edge lengths in the millimeter range is not yet complete. The main cause for this is the still low energy density of current energy storage, which is relatively high compared to the energy consumption of sensor and communication unit. Besides this problem to be solved in hardware development software resource saving algorithms are required to ensure a long lifetime of the sensor networks.

The focus of this work is on the design, implementation and testing of localization algorithms for resource-limited sensor nodes. The following issues had to be investigated and solved:

1. The distances and angles required for localization must be determined in a measurement process and are thus always subject to error, which adversely affects the accuracy of the localization.

2. Although approximate localization algorithms have already been fully implemented on sensor nodes, but they achieve only mediocre accuracy because of a large estimation error. Experience has shown that their accuracy depends strongly on the optimization of sensitive parameters. These are, for example, the optimal transmission range in the "Coarse Grained Localization" or the optimal weight in the "Weighted Centroid Localization" (WCL). The optimizations are theoretically possible within defined constraints. However, a practical implementation is difficult, firstly because the transmission ranges do not have a perfect circular shape. Secondly, the transmission range can only be imprecise set by a corresponding output in the communication unit.

3. Although the estimation error of the exact localization methods is very low, but the consumption of resources required for this is a function of an increasing number of beacons. For such complex calculations both the sensor node hardware is too weak and the amount of energy available is too low. With the DLS and its variants, a new algorithm is presented.

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