TY - THES A1 - Böhm, Sebastian T1 - Split-Protocol-Stack network simulation and emulation of wireless embedded systems with Radio-in-the-Loop : towards accurate wireless network evaluation T1 - Split-Protocol-Stack Netzwerksimulation und Emulation hoch-integrierter drahtloser Funkübertragungssysteme mit Radio-in-the-Loop : Schritte hin zu einer genauen Evaluierung drahtloser Kommunikationsnetze N2 - Recent challenges and novel approaches of wireless communication networks are characterized by high performance requirements on the radio channel and by concepts of self-organization, in-network processing, or resource optimization which ultimately lead to distributed network applications, communication architectures, and radio transceivers. Associated evaluation is driven by a multitude of ever-increasing requirements that call for multidisciplinary expertise. Depending on the discipline, simulation is one of the most widely used technologies, whereby often abstract assumptions and models do not allow for sufficiently accurate, comparable results. In contrast, real-world measurements and field-tests can only be performed on actual systems, commonly under non-reproducible conditions. This thesis establishes with the Split-Protocol-Stack a new type of evaluation method that intends to help closing the gap between purely simulative analyzes and real-world tests. With the inclusion of real radio hardware and radio channels in the event-based simulation, this central hybrid approach in connection with the Radio-in-the-Loop methodology creates synergies in interdisciplinary fields. The approach contains analytical discussions, methodological strategies, and practical contributions that are summarized as key elements in the subsequent central considerations and challenges. With Real-Time-Shift, a pseudo-real-time synchronization approach for parallel simulation and radio channel emulation of communication flows is introduced. Based on the underlying time compensation scheme, the discrete event simulation is decoupled from real-time constraints when exchanging event messages with real-world wireless hardware. A physical layer emulation methodology and radio channel interface concept, called Radio-in-the-Loop, is introduced along with two practical realization approaches. Furthermore, strategic details on radio network planning with an approach to automatic hardware resource allocation are presented for radio channel emulation-capable network testbeds. The contributions of this work are evaluated using real-world reference measurements, practical application scenarios, and experiments that provide proof of concepts. By means of an exemplary selected cross-layer optimization scenario, the benefits are practically demonstrated and discussed. Finally, based on IEEE 802.15.4 as the reference protocol standard for low-power wireless networks, this thesis provides feasibility studies and analysis results using the representative prototype SEmulate for the Split-Protocol-Stack approach. N2 - Aktuelle Herausforderungen und neuartige Ansätze drahtloser Kommunikationsnetze sind geprägt durch hohe Leistungsanforderungen auf dem Funkkanal sowie Konzepte der Selbstorganisation, netzinternen Verarbeitung oder Ressourcen-Optimierung und münden letztendlich in verteilten Netzwerkanwendungen, Kommunikationsarchitekturen und Funk-Transceivern. Die Evaluation ist dabei stark von fachspezifischen, simulativen Analysen unter abstrahierten Annahmen und Modellen geprägt, so dass die Ergebnisse oft keine hinreichend genauen, vergleichbaren Schlussfolgerungen auf die Leistungsfähigkeit im Gesamtsystem zulassen. Praxistests hingegen, können nur für konkrete Systeme am Ende des Entwicklungszyklus unter zum Teil nicht reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt werden. Diese Arbeit begründet mit dem Split-Protocol-Stack eine neuartige Evaluationsmethodik die dazu beitragen soll, die Lücke zwischen rein simulativen Analysen und realen Tests zu schließen. Unter Einbeziehung realer Funkhardware und physikalisch realitätsnah nachgebildeter Funkkanäle in die ereignisbasierte Simulation schafft dieser zentrale hybride Ansatz in Verbindung mit der Methodik des Radio-in-the-Loop Synergien in interdisziplinären Fachgebieten. Der Ansatz enthält analytische Diskussionen, methodische Strategien und praktische Beiträge, die als Kernelemente in den nachfolgenden zentralen Betrachtungen und Herausforderungen zusammengefasst werden. Unter der Bezeichnung Real-Time-Shift wird ein Synchronisationsansatz für die parallele Simulation und Funkkanalemulation von Kommunikationsabläufen eingeführt. Basierend auf der zugrundeliegenden Zeitkompensation wird die Simulation von Beschränkungen der Echtzeitfähigkeit beim Nachrichtenaustausch von Ereignissen mit reale Funk-Transceiver-Hardware entkoppelt. Darüberhinaus wird mit Radio-in-the-Loop eine Methode zur Emulation der physikalischen Schicht sowie Schnittstelle zum Funkkanal definiert und praktisch realisiert. Weiterhin werden strategische Details zur Funknetzplanung vorgestellt und mit einem Ansatz zur automatischen Hardware-Ressourcenzuweisung für die Funkkanalemulation analysiert und praktisch erprobt. Bewertet werden die Beiträge dieser Arbeit durch Referenzmessungen, praktische Anwendungsszenarien und experimentelle Analysen, die den Nachweis der vorgestellten Konzepte erbringen sowie deren Nutzen evaluieren. Anhand eines exemplarisch ausgewählten Anwendungsszenarios der Protokollschicht-übergreifenden Optimierung, wird der Zugewinn praktisch demonstriert und diskutiert. Schließlich werden auf Basis von IEEE 802.15.4 als Referenz-Protokollstandard für drahtlose Niedrigenergie-Netze durch diese Arbeit Durchführbarkeitsstudien und Analyseergebnisse zusammen mit dem repräsentativen Prototypen SEmulate für den Ansatz des Split-Protocol-Stack bereitgestellt. KW - Internet of things KW - Network simulation KW - Hardware-in-the-Loop KW - Modeling KW - IEEE 802.15.4 KW - Internet der Dinge KW - Netzwerksimulation KW - Emulation KW - Modellierung KW - Emulation KW - Internet der Dinge KW - Netzwerksimulation KW - Hardware-in-the-loop KW - IEEE 802., 15, 4 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61443 ER -