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Selbstorganisation in Autonomen Sensor-/Aktornetzen [SelfOrg]

Sommersemester 2010

Inhalt

In den einzelnen Kapiteln der Vorlesung werden Mechanismen und Methoden vorgestellt, die sich mit der effizienten Koordinierung innerhalb kommunizierender autonomer Systeme beschäftigen. Schwerpunkt der Vorlesung sind Sensornetze. Fragestellungen in diesem Bereich werden nach unterschiedlichen Gesichtspunkten betrachtet und analysiert. Die Vorlesung orientiert sich dabei an aktueller Forschung im Bereich drahtloser Sensornetze bzw. Sensor-/Aktornetze anhand ausgewählter Kommunikationsverfahren.

    • Selbstorganisation
      Grundlegende Einführung; Mechanismen für die Verwaltung verteilter Systeme; Selbstorganisations-Prinzipien; Beispiele aus der Natur; Basismethoden selbstorganisierender Systeme; Einschränkungen; bio-inspirierte Kommunikation
    • Netzwerkaspekte: Ad-hoc- und Sensornetze
      Ad-hoc- und Sensornetze; Selbstorganisation in Sensornetzen; Evaluierungskriterien; Medienzugriff; Ad-hoc-Routing; datenzentrisches Routing; Clustering
    • Koordinierung und Kontrolle: Sensor- und Aktornetze
      Sensor- und Aktornetze; Koordinierung vs. Synchronisation; Aufgabenverteilung; "in-network" Datenverarbeitung
    • Bio-inspirierte Verfahren: Methoden und Einblick in die Nano-Kommunikation
      Swarm-Algorithmen, Synchronisation, künstliches Immunsystem, Nanomaschinen und -netzwerke

Dozenten

Ort und Zeit

  • Vorlesung:
    Donnerstag, 10:15 - 11:45 Uhr, 00.151
    ab 5.5.2010: Mittwoch, 14:15 - 15:45 Uhr, 04.137
  • Übungen:
    Mittwoch, 12:15 - 13:45 Uhr, Labor 02.176

Allgemeine Informationen

Die Folien sind Englisch, das vorlesungsbegleitende Literatur ist zumeist Englisch, die Vorlesung und die Übungen werden Deutsch gehalten. Die Scheinprüfung ist Deutsch und Englisch möglich.

  • Vorlesung, 2 SWS, ECTS-Studium, ECTS-Credits: 2.5
  • Übungen, 2 SWS, ECTS-Studium, ECTS-Credits: 2.5

Prüfungen

Die Prüfung zu SelfOrg ist mündlich. Die Vorlesung kann im Master zu Informatik, IuK, CE und SIM als WPF oder WF eingebracht werden. Im Diplom ist eine Prüfung im Fach Informatik in Kombination mit KS möglich, in IuK als Einzelprüfung.

Vorlesung

  • Course Organization
    Slides - PDF (Version 2, 29.4.2010, 528kB)
  • Self-Organization
    1. Self-Organization - PDF (Version 1, 5.4.2010, 2803kB)
  • Networking Aspects: Ad hoc and Sensor Networks
    2.1 Mobile Ad Hoc and Sensor Networks - PDF (Version 1, 5.4.2010, 1899kB)
    2.2 MAC Protocols for Ad Hoc and Sensor Networks - PDF (Version 1, 4.5.2010, 722kB)
    2.3 Ad Hoc Routing - PDF (Version 2, 16.6.2010, 1554kB)
    2.4 Data-centric Communication - PDF (Version 1, 5.5.2010, 436kB)
    2.5 Clustering - PDF (Version 1, 9.6.2010, 413kB)
  • Coordination and Control: Sensor and Actor Networks
    3.1 Sensor and Actor Networks - PDF (Version 1, 9.6.2010, 835kB)
    3.2 Communication and Coordination - PDF (Version 1, 16.6.2010, 3456kB)
    3.3 Collaboration and Task Allocation - PDF (Version 1, 17.6.2010, 609kB)
  • Self-Organization in Sensor and Actor Networks
    4 Self-Organization - revisited - PDF (Version 1, 17.6.2010, 1199kB)
  • Bio-inspired Networking and Nano-Communiation
    5 Bio-inspired Networking - PDF (Version 2, 14.7.2010, 4207kB)

Übungen

In den Übungen sollen zwei Themenblöcke bearbeitet werden. Zu jeder Aufgabe sind die folgenden Teilaufgaben zu bearbeiten:
  • Einarbeitung: da die Themengebiete vermutlich absolutes Neuland für alle Kursteilnehmer darstellen, ist eine Einarbeitung in die eingesetzten Systeme und Werkzeuge Voraussetzung für die Bearbeitung der Übungsaufgabe
  • Versuchsaufbau/Implementierung: basierend auf den erworbenen Kenntnissen ist ein entsprechender Versuchsaufbau zu entwickeln, u.U. ergänzt durch die Implementierung einer bestimmten Methode oder Technik
  • Testdurchführung und Analyse: dies ist die eigentliche Übungsaufgabe bestehend aus Durchführung und Analyse der Ergebnisse
Die Aufgaben sollen in einer kleinen Arbeitsgruppe durchgeführt werden wobei auch der Austausch zwischen verschiedenen Gruppen explizit erwünscht ist. Wichtig ist, daß jeder die Chance bekommt, sich anhand eines konkreten Beispiels in theoretische und praktische Aspekte aus Themengebieten der Vorlesung tiefer einzuarbeiten.
  • Experimente mit BTnode-Sensorknoten (Hilfe)
    • Aufgabe 1: Basiskommunikation
      Implementierung einfacher Kommunikationsmethoden mit dem Ziel, alle direkten Nachbarn kontinuierlich zu detektieren und per Kommando anzuzeigen. Die Wahl des Radio-Interfaces (CC1000, Bluetooth) ist den Gruppen überlassen. In einer Demo soll die Funktionalität präsentiert werden.
    • Aufgabe 2: Verteiltes Rechnen
      Ziel der Übung ist es, Sensorknoten verteilt und dezantral rechnen zu lassen. Ziel sollte es sein, eine Summe aus initial lokal gesetzten Zahlen zu berechen. Ausserdem soll der Algorithmus korrekt terminieren.
    • Aufgabe 3: Multi-hop Routing
      Aufbauend auf den bisher entwickelten Kommunikationsmethoden soll jetzt eine Multi-Hop-Übertragung realisiert werden. Diese soll gerichtet sein (Datenübertragung an ausgewählten Zielknoten), die Wahl des Routingverfahrens ist frei.
  • Simulation mit OMNeT++ (Hilfe)
    • Aufgabe 4: Verteiltes Rechnen
      Ziel der Übung ist es, statistische Eigentschaften, z.B. Zeit bis zum Terminieren, der verteilten Rechenoperation mit Hilfe eines Simulationsmodells genauer zu untersuchen.
    • Aufgabe 5: Multi-hop Routing
      Diesmal steht wieder das Multi-Hop Routing om Vordergrund, wobei in der Simulation auch Experimente mit mehreren 10 bis 100 Knoten durchgefuehrt werden koennen.

Evaluation

Für die Evalution im SS 2010 wurden in dieser Lehrveranstaltung 4 TANs in der Vorlesung und 4 TANs in den Übungen für den Zugriff auf die Evaluationsformulare verteilt. Es wurden 3 Fragebogen zur Vorlesung und 1 Fragebogen zu den Übungen ausgefüllt.

Vielen Dank an alle, die sich an der Evaluation beteiligt haben!

Literaturempfehlungen

Bücher

  • Scott Camazine, Jean-Louis Deneubourg, Nigel R. Franks, James Sneyd, Guy Theraula and Eric Bonabeau, Self-Organization in Biological Systems, Princeton, Princeton University Press, 2003. [Abstract] [BibTeX]
  • Falko Dressler, Self-Organization in Sensor and Actor Networks, Chichester, John Wiley & Sons, 2007. [Abstract] [BibTeX] [Website] [DOI] [buy at amazon.com]
  • Manfred Eigen and Peter Schuster, The Hypercycle: A Principle of Natural Self Organization, Berlin, Springer, 1979. [Abstract] [BibTeX]
  • Holger Karl and Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, Chichester, John Wiley & Sons, 2005. [Abstract] [BibTeX]
  • Victor Lesser, Charles L. Ortiz and Milind Tambe, Distributed Sensor Networks: A Multiagent Perspective, Multiagent Systems, Artificial Societies, and Simulated Organizations, Boston, Kluwer Acedemic Pubishers, 2003. [Abstract] [BibTeX]
  • C. Siva Ram Murthy and B. S. Manoj, Ad Hoc Wireless Networks, Upper Saddle River, NJ, Prentice Hall PTR, 2004. [Abstract] [BibTeX]

Artikel

  • Ian F. Akyildiz, Weilian Su, Yogesh Sankarasubramaniam and Erdal Cayirci, "A Survey on Sensor Networks," IEEE Communications Magazine, vol. 40 (8), pp. 102-114, August 2002. [Abstract] [BibTeX] [DOI]
  • Ian F. Akyildiz and Ismail H. Kasimoglu, "Wireless Sensor and Actor Networks: Research Challenges," Elsevier Ad Hoc Networks, vol. 2, pp. 351-367, October 2004. [Abstract] [BibTeX] [DOI]
  • Y. P. Chen, A. L. Liestman and J. Liu, "Clustering Algorithms for Ad Hoc Wireless Networks," in Ad Hoc and Sensor Networks, Y. Xiao and Y. Pan (Eds.), Nova Science Publisher, 2004. [Abstract] [BibTeX]
  • Chee-Yee Chong and Srikanta P. Kumar, "Sensor Networks: Evolution, Opportunities, and Challenges," Proceedings of the IEEE, vol. 91 (8), pp. 1247-1256, August 2003. [Abstract] [BibTeX] [DOI]
  • David Culler, Deborah Estrin and M. B. Srivastava, "Overview of Sensor Networks," IEEE Computer, vol. 37 (8), pp. 41-49, August 2004. [Abstract] [BibTeX] [DOI]
  • Falko Dressler and Ozgur B. Akan, "A Survey on Bio-inspired Networking," Elsevier Computer Networks, vol. 54 (6), pp. 881-900, April 2010. [Abstract] [PDF] [BibTeX] [DOI]
  • Deborah Estrin, Ramesh Govindan, John Heidemann and Satish Kumar, "Next Century Challenges: Scalable Coordination in Sensor Networks," Proceedings of 5th ACM International Conference on Mobile Computing and Networking (ACM MobiCom 1999), Seattle, WA, August 1999, pp. 263-270. [Abstract] [BibTeX] [DOI]