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Mit der zunehmenden mobilen Nutzung des Internets steigt auch die Zahl
von Anwendungen in mobilen Umgebungen. Diese sind neben ihren spezifischen Anforderungen oft durch eine enge Kooperation ihrer Nutzer gekennzeichnet. Werden mobile verteilte Entscheidungsprozesse modelliert, welche der Bewertung von Sachverhalten oder der Lösung von Aufgaben dienen, so nennt man diese Klasse von Anwendungen mobile kollaborative Anwendungen. Sie werden in dieser Arbeit eingeführt. Ihre Eigenschaften und Besonderheiten werden diskutiert. Die Teilnehmer solcher Anwendungen kollaborieren innerhalb einer geschlossenen Gruppe und bauen ein gemeinsames Wissen auf. Auf dessen
Basis kann die Anwendung lokale Entscheidungen treffen, über die in der Gruppe Konsens besteht. Die instabile Kommunikation in mobilen Umgebungen stellt jedoch an die Sicherung der Konsistenz des gemeinsamen Wissens besondere Anforderungen. Da klassische Verfahren zur Konsistenzsicherung in gruppenorientierten Systemen nicht genutzt werden können, ist die Sicherung der Konsistenz des globalen Wissens in mobilen Umgebungen das Leitthema dieser Arbeit. Es wird ein gruppenorientierter Kommunikationsdienst – Moversight genannt –
für mobile kollaborative Anwendungen vorgestellt, welcher ihnen ein konsistentes globales Wissen trotz instabilen Kommunikationsumfeldes bereitstellt. Hinzu kommt, dass neben der Konsistenzsicherung die Diensterbringung in einer ressourcenschonenden Art und Weise bei gleichzeitiger kontinuierlicher Adaption der Gruppe an sich ändernde Bedingungen einschließlich der Wartung ihrer Kommunikationsstrukturen
gesichert werden müssen. Der Protokollentwurf für Moversight
wird in dieser Arbeit vorgestellt. Für Moversight wurden neuartige Funktionen zur Behandlung der Nutzermobilität entwickelt, welche mit den notwendigen Mechanismen zur Sicherung der Konsistenz des gemeinsamen Wissens interagieren. Ohne Gegenmaßnahmen würden häufige Verbindungsunterbrechungen das gemeinsame Wissen der Gruppe
zerstören, wodurch diese logisch partitioniert und letztlich die Kollaboration der Nutzer verhindert wird. Grundlage der Sicherung des gemeinsamen Wissens ist die mobile optimistische virtuelle Synchronität (MOVS), welche das übliche gruppenorientierte Modell
der Wissenssicherung um eine Behandlung der Nutzermobilität und variierender Verbindungseigenschaften der Gruppenteilnehmer erweitert. Dadurch können Teilnehmer bei Verbindungsproblemen zeitnah in die Gruppe zurückzukehren und ihr Wissen mit dieser abzugleichen.
Das vorgestellte Konzept zur Erkennung und Behandlung von Fehlersituationen mit anschließendem Gruppenwiedereintritt ist deutlich leistungsfähiger als das üblicherweise verwendete Verfahren. Dies wird erreicht durch eine leichtgewichtige Fehlerdetektion unter Nutzung einer neuartigen verteilten Latenzschätzung sowie
einer kontinuierlichen Adaption der verwendeten Kommunikationstopologie an die sich permanent ändernden Kommunikationsbedingungen. Die entwickelte Optimierung der clusterbasierten Kommunikationstopologie eignet sich für alle
gruppenorientierten clusterbasierten Anwendungsszenarien.
Darüber hinaus verfügt Moversight über kollaborative Dienste für das Teilen und Vereinigen von Gruppen, wie sie bisher in keinem gruppenorientierten Kommunikationsdienst zu finden sind. Beide Dienste ermöglichen eine anwendungsgetriebene Neustrukturierung der kollaborativen Gruppe bei gleichzeitiger Sicherung des globalen Wissens.
Der Einsatz funkbasierter Steuerungs- und Überwachungssysteme wird sich in den nächsten Jahren in der Automatisierungsindustrie wesentlich erhöhen. Funkbasierte Systeme sind flexibel, das heißt skalierbar, leicht rekonfigurierbar und mobil. Außerdem sind Funksysteme kostengünstig, insbesondere bei der Wartung.
Dennoch müssen diese Systeme hohen Anforderungen genügen, wie Sicherheit, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch, Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit. Besonders wichtig für den Einsatz drahtloser Funktechnologien in Automatisierungssystemen ist die harte Echtzeitfähigkeit bei Zykluszeiten im Bereich von unter 1 ms bei Netzwerkgrößen von bis zu 127 Knoten bei einer bidirektionalen Kommunikation mit einer Nutzdatenmenge von bis zu 48 Byte je Sensorknoten. Eine weitere Herausforderung ist die Integration dieser Systeme in bestehende Infrastrukturen, wo Koexistenz mit bereits vorhandenen drahtlosen Systemen ein kritischer Faktor ist.
Ziel dieser Arbeit ist es, die IR-UWB Funktechnik basierend auf dem Standard IEEE 802.15.4a so zu verbessern, dass sie die hohen Anforderungen der Automatisierungsindustrie erfüllt. Dabei soll gewährleistet werden, dass die Abweichungen im Vergleich zum Standard möglichst gering ausfallen und dass die Vorgaben der Regulierungsbehörden nicht verletzt werden. Diese Anforderungen begrenzen die Möglichkeiten der Optimierungen stark, was die Aufgabe noch schwieriger macht, aber zugleich wird damit sichergestellt, dass die Lösungen auch in realen Systemen eingesetzt werden können.
In dieser Arbeit wurden sowohl komplexe theoretische Ansätze als auch Optimierungen der Implementierung ausgearbeitet, in Matlab simuliert und in einem FPGA implementiert. Anschließend wurde ein ASIC gefertigt.
Um die hohen zeitlichen Anforderungen zu erfüllen, wurden die einzelnen Teile des UWB-Frames optimiert. Um dies zu erreichen mussten neue Synchronisations- und Datenübertragungs-Verfahren entwickelt werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine parallele bidirektionale Kommunikation mit einer variablen Anzahl an Sensorknoten (bis zu 127). Eine Kombination verschiedener Fehlerkorrekturverfahren (Reed-Solomon-Code und Hamming-Code) wurde untersucht, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Zusätzlich wurde ein Fehlerkorrekturverfahren für ternäre Impulssequenzen mit geringem Overhead ausgearbeitet. Dieses Verfahren erlaubt eine ausreichend gute Fehlerkorrektur und erlaubt im Gegensatz zu der Fehlerkorrektur mit dem Reed-Solomon-Code das Einhalten der zeitlichen Anforderungen.
Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist ein für IR-UWB optimiertes Übertragungskonzept, welches eine zuverlässige und energieeffiziente Datenübertragung von unter 1 ms für einen Master und 127 Slaves ermöglicht. Teile dieses Verfahrens wurden in Hardware gefertigt und experimentell evaluiert.
Wenn alle vorgeschlagenen Optimierungen verwendet werden, kann die Zykluszeit im Vergleich zum IEEE 802.15.4a Standard, um 95% reduziert werden. Der Energieverbrauch des gesamten Netzwerkes sinkt dabei um 65%.
Einige der vorgeschlagenen Verbesserungen wurden implementiert und für die übrigen wurde gezeigt, wie sie implementiert werden können. Der Einfluss weiterer Faktoren, wie die Umschaltzeit zwischen Sender und Empfänger, und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch wurden untersucht.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit entstand eine standardkonforme IR-UWB Einzelchiplösung, die um Eigenschaften erweitert wurde, die vom Standard, abweichen, aber notwendig sind um die Anforderungen der Automatisierungsindustrie zu erfüllen.
Die gefertigte Variante der Einzelchiplösung enthält nicht alle in dieser Arbeit vorgeschlagenen Optimierungen, ist aber dennoch in der Lage die Zykluszeit um 57% zu verkürzen. Obwohl dieser Chip viele zusätzliche Features bietet, wurde die Komplexität und somit auch die benötigte Chipfläche um 43% reduziert.
This Dissertation is a contribution to the design of the Synchronization and Channel Estimation algorithms in Wireless OFDM systems, paying special attention to their implementation. After investigation of the main impairments affecting OFDM in a wireless transmission, the Dissertation obtains solutions for all the blocks forming the so-called Inner Receiver. The IEEE 802.11a standard is taken in this work as a reference, since this is the first standard proposal in which OFDM is applied for wireless LAN with transmission rates of up to 54 Mbps. The low-power feature of our proposals has been demonstrated by designing an Integrated Circuit fully compatible with the IEEE 802.11a specifications. Results show that the power figures expected for our design are very competitive in comparison with the results reported by other research groups and companies working in this field.