Over-the-Air-Programmierung in Mesh-Netzwerken basierend auf Bluetooth 5.0. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die moderne Welt wird intelligenter. Immer mehr Teile unseres alltäglichen Lebens werden technologisch aufgewertet und vernetzt. Die Geschwindigkeit, mit der elektronische Anwendungen dabei in unserem Umfeld Fuß fassen, ist in den letzten Jahren zunehmend angestiegen. Die hohe Menge an Geräten und der schnelle technische Wandel fordern neue Ansätze für ihre Vernetzung und zur Umprogrammierung Over-the-Air. Bluetooth Mesh ist eine neue Erweiterung des weitverbreitetem Bluetooth Low Energy Standards für Multi-Hop-Netzwerke mit potentiell Tausenden an Geräten. Für diese Netzwerke sollen nun Methoden zur Over-the-Air-Programmierung gefunden und untersucht werden. Dazu wurden die dazugehörigen Anforderungen in möglichen Anwendungen analysiert, potentielle Fehlerquellen und erforderliche Sicherheitsanforderungen ergründet und basierend darauf ein umfassendes Konzept entwickelt und in einer ersten Implementation getestet. Das Verfahren erweist sich dabei als tauglich, um auch größere Datenmenge in Bluetooth Mesh-Netzwerken zu verteilen und mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Umständen und Anforderungen umzugehen.
Scalable-service oriented middleware over IP (SOME/IP) communication for automotive inter-domain networking. - Ilmenau. - 133 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Die Bertrandt AG entwickelt derzeit ein autonom fahrendes Auto, welches aktuelle Megatrends aus der Automobilindustrie vereint und umsetzt. Diese Megatrends lassen sich zusammenfassen zu: Autonomes Fahren, Konnektivität, erweiterte Fahrzeug-Steuerung und der daraus folgenden Mensch-Maschine-Interaktionen. Jeder dieser Megatrends wird in Form von leistungsfähigen Computern (Domain-Controller) umgesetzt. Diese Domain-Controller besitzen eine Sub-Domäne, in der mehrere Sensoren und Aktoren zusammengeschlossen sind. Der Domain-Controller verarbeitet zentral die Daten der Sub-Domäne und bietet deren Information als Services für andere Domain-Controller an. Ein Datenaustausch der Domain-Controller erfolgt über Ethernet, da in der klassischen Auto-Bus-Kommunikation nicht genug Bandbreite zur Verfügung steht. Als Kommunikationsprotokoll wird Scalable-Service Oriented Middleware over IP (SOME/IP) verwendet, welches speziell für die Automobilindustrie entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um eine auf Internet Protocol (IP) aufbauende Middleware, welche eine einheitliche Plattform für die Kommunikation der Domain-Controller bietet. Dabei werden die angebotenen Services der Domain-Controller über ein Abonnement-Konzept, namens Service Discovery (SD), von anderen Domain-Controller zur Verfügung gestellt und deren Verbindung überwacht. Ziel dieser Arbeit ist es, den Umfang den SOME/IP bietet zu erfassen, um eine effiziente Nutzung von SOME/IP zu ermöglichen. Dafür wurde eine SOME/IP-Kommunikation zwischen Domain-Controllern aufgebaut und analysiert. In einer simulierten Umgebung wurden zum Einem die Zeit zum Erstellen eines SOME/IP Pakets, die Ethernet-Übertragungszeit und die vollständige Übertragungszeit gemessen. Zum Anderen wurden die Latenzzeiten der eingesetzten Hardware des Konzeptautos ermittelt sowie die momentane Nutzung von SOME/IP analysiert. Die Messungen zeigen, dass die Zuverlässigkeit von SOME/IP stark von der Rechenleistung des jeweiligen Domain-Controller abhängt. Mit einer Netzwerklast von 80 Mbit/s wurde in der Ethernet Verbindung eine maximale Latenzzeit von 42.7 [my]s gemessen. Dies zeigt, dass Ethernet eine zuverlässige und echtzeitfähige Übertragung trotz hoher Netzwerklast bieten kann. Die Messungen der Latenzzeiten zum Erstellen eines SOME/IP Pakets hingegen zeigen eine starke Streuung auf. Bei einem Sendezyklus von 10 ms wurde in einem Stress-Szenario eine maximale Latenzzeit von 2.2 ms gemessen. Die Messungen des Konzeptfahrzeugs ergaben, dass ein Domain-Controller (HDC) nicht für automobile Anwendungen geeignet ist. Des weiteren wurden für 4.26 MB Daten nur 84.26 kB an Nutzdaten verschickt, was einem Overhead von 98 % entspricht. Für eine effektive SOME/IP Nutzung ist es deshalb wichtig, Nutzdaten zu einer Datenstruktur zu vereinen und die Payload von SOME/IP zu nutzen, statt sämtliche einzelne Pakete zu verschicken.
Analyse und Vergleich der Netzsimulatoren NS-3 und OMNeT++. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Kommunikationssysteme spielen eine wichtige Rolle zurzeit und in der Zukunft. Es gibt auch sehr viele Forschungen und Entwicklungen darüber. Um Kommunikationsprotokolle und Netztopologien zu entwickeln oder zu testen werden normalerweise Netzsimulatoren verwendet. Es gibt viele Simulatoren, die frei verfügbar sind. Mit solchen Simulatoren werden verschiedene Netztopologien definiert und die Leistungsfähigkeit des Kommunikationsprotokolls durch statistische Ergebnisse der Simulation bestimmt. Die zurzeit am meisten benutzten Simulatoren sind ns-3 und OMNeT++. In dieser Arbeit wird zuerst der Grund erklärt, warum Simulation ein hauptsachliches Instrument für die Forschung eines Kommunikationssystems ist. Dann werden zwei Simulatoren von theoretischer Seite analysiert und verglichen. Dadurch werden die Eigenschaften von ns-3 und OMNeT++ recherchiert. Danach werden vier verschiedene Netztopologien bei NS-3 und OMNeT++ simuliert. Daraus werden die Kosten der Ressourcen und die Leistungsfähigkeit dieser beiden Simulatoren mit steigender Anzahl der Knoten bzw. Komplexität des Netzwerks ermittelt. Schließlich wird ein Szenario mit realer Hardware nachgestellt. Die Ergebnisse der Messungen werden mit den Simulationsergebnissen verglichen.
Simulative evaluation of resource consumption in industrial wireless sensor networks. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
Ein Wireless-Sensornetzwerk bietet Lösungen für die Automatisierung und den flexiblen Betrieb in industriellen Umgebungen. Die Erfüllung der Anforderungen von Sensorknoten kann die Kosten- und Prozesseffizienz verbessern. Energieeffizienz, Zuverlässigkeit der Kommunikation und Latenz sind die Hauptanforderungen von Sensorknoten. Da die Kommunikationsprotokolle für den Einsatz in einem industriellen Wireless-Sensornetzwerk erhebliche Auswirkungen auf solche Anforderungen haben können, müssen Untersuchungen über die geeigneten Kommunikationsprotokolle hinsichtlich verschiedener Szenarien gemacht werden. In dieser Arbeit entwerfen wir ein industrielles Wireless-Sensornetzwerk-Szenario und evaluieren den Overhead, der von zwei verschiedenen Anwendungsprotokollen (CoAP, MQTT) in Bezug auf zwei verschiedene mac-Protokolle (TSCH, CSMA) generiert wird, und unterschiedliche Ausbreitungsbedingungen. Die Overhead-Auswertung erfolgt anhand der erforderlichen Pakete, der Lieferquote und der Latenz auf der Grundlage eines Simulationsszenarios, welches mit einem mit ns-3-Simulator implementiert wird. Basierend auf den Simulationsergebnissen und der Messung der zur Verfügung gestellten Energie wird der energetische Overhead im Bezug auf verschiedene Protokolle und Szenarien geschätzt. Simulationsergebnisse zeigen, dass TSCH in Bezug auf Lieferquote, Energieeffizienz und Fairness zwischen den Nutzern besser abschneidet als CSMA, allerdings eine größere Verzögerung verursacht. Beim Laufen CoAP auf der Anwendungsschicht zusammen mit TSCH auf der MAC-Schicht die Lieferquote ist sehr gut, aber die Verzögerung war hoch. MQTT verursacht andererseits geringe Verzögerung aufgrund relativ kleiner Traffic-Größe, verursacht aber eine Verringerung der Lieferquote. Die Energieeffizienz für beide CoAP und MQTT ist abhängig von den Daten und Staus in das Netzwerk. Auswahl der optimalen Kommunikationsprotokolle für den industriellen Wireless-Sensornetzwerk ist abhängig von der Funktionalität des Sensorknotens, der Anwendung und das Szenario. Die Verwendung von TSCH wegen der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit Anforderungen in industriellen Wireless-Sensornetzwerk wird empfohlen, aber wenn CoAP laufen, und die Verzögerung kann nicht toleriert CSMA ist eine bessere Wahl. Zukünftige Arbeiten sollten mehr über die TSCH-Skalierbarkeit und die Auswirkungen der Verwendung des Routing-Protokolls im Peer-to-Peer-Netzwerk untersuchen.
Evaluation der erreichbaren Genauigkeit von Indoor-Lokalisierungssystemen auf Basis von Low-Cost Bluetooth Low Energy Modulen. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2018
In dieser Arbeit wird ein Low Cost Indoor Lokalisierungssystem auf Basis von Bluetooth Low Energy entwickelt. Der primäre Anwendungsfall ist die Positionsbestimmung von Personen in privaten Haushalten mit einem Smart Home System. Es werden verschiedene Ansätze zur Positionsbestimmung untersucht und anschließend ein System mit infrastrukturbasierter Ortung umgesetzt. Die Position wird in diesem anhand der Signalstärke von Bluetooth Beacons durch Trilateration und einen Partikel-Filter bestimmt. Das entstandene System ist einfach in Betrieb zu nehmen, leicht zu verwenden und lässt sich nachträglich installieren. Die Kosten des Systems betragen circa 40€ Grundkosten + 30€ pro Raum. Die erreichte Positionsgenauigkeit liegt zwischen ein und drei Metern, wenn sich die zu lokalisierende Person nicht bewegt.
Einfache und schlaue Datensammlungs- und -übertragungseinheit für hydrometrische Pegelmessungen an Fließgewässern. - Ilmenau. - 136 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
In Folge der Arbeit wurde ein Daten-Logger (nach dem KISS-Entwicklungsprinzip) entwickelt, welcher die Datensammlung und deren Übertragung für hydrometrische Pegelmessungen an Fließgewässern erleichtern soll. Hierbei wird der Logger unter Nutzung von Python programmiert und eventuell entstehende Fehler erkannt, registriert und angezeigt.
Evaluation of LoRa(R) in specific scenarios. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
LoRa ist eine der kürzlich aufkommenden Technologien um das Internet der Dinge zu verbessern. Die Vision wird mit jedem Tag präsenter, da die kosten für die Technologie für einen immer größeren Personenkreis erschwinglich werden. Ein großer Teil dieser Anwendungen des Internet der Dinge bieten essentielle Sensor-Überwachung und sind als niedrig-energie Drahtlossensornetzwerke organisiert. Drahtlossensorennetzwerke gehören zu der Gruppe der low power wide area networks (LPWAN), und gewinnen zunehmend an Bedeutung als eine Alternative oder Erweiterung zu Cellular-IoT. Viele verschiedene Technologien, Ideen und Spezifikationen wetteifern sich als die beste verfügbare LPWAN Technologie zu etablieren. Auf diesem wachsenden Markt, ist LoRa, eine proprietäre Funkmodulations-Technik, eine dieser Technologien. Sie wird von LoRaWAN genutzt, einer offenen Datenübertragungsebene, welche eine Kommunikation in einer Stern-Topologie definiert. Diese Arbeit wird einen Einblick auf die LoRa Technologie nehmen, und ihre Nutzbarkeit in bestimmten Szenarien. Sie wird die Grenzen dieser Kommunikationstechnologie aufzeigen. Weiterhin wird diese Arbeit die Performance in einer Punkt-zu-Punkt Kommunikation darstellen.
Evaluation von Ad-hoc-Kommunikation auf Basis eines Raspberry-Pi-Testbeds mit Bluetooth Low Energy Modulen. - Ilmenau. - 147 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Unser Alltag wird von immer mehr Kommunikationsgeräten beeinflusst. Beim Gebrauch der Geräte kommen meist Funksysteme verschiedenster Art zum Einsatz. Der Trend zur Mobilität erzeugt ein immenses und wachsendes Kommunikationsaufkommen. Diese Entwicklung verlangt eine geeignete Lösung, um den großen Informationsaustausch bewerkstelligen zu können. Die Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth-SIG) bietet seit der Bluetooth-Protokollversion 4.0 zusätzlich eine energiesparende Abwandlung unter dem Namen Bluetooth-Low-Energy (BLE) als offenen Standard an. BLE wurde entwickelt, um kleine Datenmengen wie Sensordaten zu übertragen. In Regionen ohne Infrastruktur oder in Gebieten ohne Zugang zu öffentlichen Funknetzen eignen sich selbst organisierte mobile Ad-Hoc-Netzwerke (MANET). Mit einem verzögerungstoleranten (DTN) Netzwerk kann beispielsweise eine spontane Kommunikation aufgebaut werden, um in Krisengebieten oder bei Katastrophenfällen eine Kommunikation zu ermöglichen, in denen Kommunikationswege nicht vorhanden sind oder beschädigt wurden. Da die Knoten des Netzwerkes aufgrund der fehlenden Infrastruktur meist durch Akkumulatoren mit Energie versorgt werden, ist eine energiesparende Lösung wie BLE interessant. Um solche Netzwerke zu entwickeln und vor dem Betrieb zu testen, eignen sich diverse auf dem Markt erhältliche Testplattformen. In dieser Arbeit wird eine BLE-basierte Kommunikation anhand einer Plattform, bestehend aus einem Einplatinencomputer (dem Raspberry Pi) und einer Erweiterungsplatine (dem Mesh HAT), erläutert. Ziel dieser Arbeit ist es, die vorhandene Testplattform in eine aktuelle Linux-basierte Softwareumgebung zu portieren, die Funktion des integrierten BLE-Moduls zu gewährleisten und anhand von Messversuchen die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten in Ad-Hoc-Netzen mit alternativen Systemen zu vergleichen.
Evaluation von Signalausbreitungsmodellen in OMNeT++ im Vergleich zu Messungen mit 802.11s-Knoten. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Um komplexe Anwendungsfälle der Kommunikationstechnik zu untersuchen, wird normalerweise eine Simulation dem Feldversuch vorgezogen. Damit diese Simulationen allerdings verwertbare Ergebnisse liefern, müssen sie mit realitätsnahen Annahmen durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit verfügbare Implementierungen prominenter Path-Loss-Modelle in OMNeT++ an eine Reihe gegebener Feldmessungen angepasst. Mithilfe der gefundenen Parameter wird daraufhin das Verhalten eines größeren Netzwerks unter verschiedenen Umwelteinüssen getestet. Die Ergebnisse liefern eine Orientierung für die zu verwendenden Modellparameter sowie einen Einblick, wie stark sich deren Verwendung im Vergleich zu vereinfachter Signalausbreitung bemerkbar macht.
Entwicklung eines Mechanismus zur Namensauflösung in ONE. - Ilmenau. - 114 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet des Internet der Dinge und die damit verbundene zunehmende Vernetzung von alltäglichen Geräten bringt viele Anwendungen mit neuen Anforderungen an Kommunikationsstandards hervor. Delay Tolerant Networks (DTN) beschreiben ad-hoc Kommunikationsnetze mit langen Paketlaufzeiten aufgrund der erhöhten Mobilität der Knoten und geringer Stabilität der Ende-zu-Ende-Verbindung. Der Opportunistic Network Environment (ONE) Simulator dient der Analyse und der Validierung von Kommunikationsprotokollen für genannte DTNs. Bislang wurden in ONE für die Adressierung der Knoten im DTN-Netz ganzzahlige Knoten-IDs verwendet. Gegenstand dieser Masterarbeit war die Implementierung eines URI basierten Namenschemas entsprechend der DTNArchitektur. Neben der Implementierung des Endpoint Identifier-basierten Namensschemas werden nun zudem die Routing-Schemata Unicast, Broadcast, Anycast und Multicast unterstützt. Simulationen haben gezeigt, dass das auf Endpoint Identifier basierte Routing weniger rechenintensiv gegenüber der ursprünglichen Implementierung ist und, dass die zusätzlichen Routing-Schemata die Zustellbarkeit der Nachrichten erhöhen.