MyriaNed - MyriaNed

MyriaNed ist eine von DevLab entwickelte WSN- Plattform (Wireless Sensor Network) . Es verwendet einen Stil auf Standard - basierten Kommunikations Epidemie Rundfunk . Dieser Ansatz spiegelt die Art und Weise wider, wie Menschen interagieren, die als Klatsch bezeichnet wird . Nachrichten werden periodisch gesendet und von angrenzenden Nachbarn empfangen. Jede Nachricht wird wiederholt und an alle Knoten , die das Netzwerk überspannen, dupliziert ; es verbreitet sich wie ein Virus (daher der Begriff epidemische Kommunikation).

Dies ist ein sehr effizientes und robustes Protokoll, hauptsächlich aus zwei Gründen:

• Erstens müssen die Knoten nicht wissen, wer sich zum Zeitpunkt des Sendens einer Nachricht in ihrer Nähe befindet, es gibt keine Vorstellung von einem a-priori geplanten Routing , die Daten werden nur sofort geteilt.
• Zweitens ist das Netzwerk implizit zuverlässig, da Nachrichten verschiedenen Kommunikationswegen parallel folgen können. Der Verlust einer Nachricht zwischen zwei Knoten bedeutet nicht, dass die Daten verloren gehen.

Knoten können hinzugefügt, entfernt oder physisch verschoben werden, ohne dass das Netzwerk neu konfiguriert werden muss. Das GOSSIP-Protokoll ist eine selbstkonfigurierende Netzwerklösung. Das Netzwerk kann sogar heterogen sein, wobei mehrere Arten von Knoten gleichzeitig unterschiedliche Informationen miteinander kommunizieren. Dies ist dadurch möglich, dass keine Interpretation des Nachrichteninhalts erforderlich ist, um ihn an andere Knoten weiterleiten zu können.

Die Nachrichtenkommunikation ist vollständig transparent und bietet eine nahtlose Kommunikationsplattform, auf der später neue Funktionen hinzugefügt werden können, ohne dass die installierte Basis geändert werden muss. Darüber hinaus ist MyriaNed in der Lage, die Software der drahtlosen Sensorknoten durch „over the air“-Programmierung eines bereitgestellten Netzwerks zu aktualisieren.

Inspiration

Traditionell ist die Funkkommunikation nach der Master-Slave- Philosophie organisiert. Die Art und Weise, wie zwei Knoten kommunizieren, ist Punkt-zu-Punkt . Zwischen zwei hierarchischen Ebenen wird ein Befehl von oben nach unten und eine Bestätigung von unten nach oben gesendet .

In der Biologie ist dies jedoch anders organisiert. Zum Beispiel wirkt Adrenalin im menschlichen Körper ganz anders. Diese Nachricht ( Hormon und Neurotransmitter ) wird auf verschiedene Arten von gesendeten Zellen . Jede Zelle weiß, was mit dieser Nachricht zu tun ist (Herzfrequenz erhöhen, Blutgefäße verengen, Atemwege erweitern) und sendet keine Bestätigung. Dies ist die Inspiration für MyriaNed in Kürze.

Eine weitere Inspiration ist das grundlegende Rundfunkprinzip . Ein Funkgerät mit einer Antenne soll eine Nachricht in und aus jeder Richtung senden und empfangen. Implizit ist es nicht optimiert, um eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation durchzuführen. Drähte sind dafür ideal geeignet, weil sie immer zwei Geräte verbinden. Betrachtet man die drahtlose Kommunikation, sollte diese so aufgebaut sein, dass sie das Potenzial der Funkübertragung nutzt.

Die dritte Inspiration ist die des menschlichen Klatschens . Der Begriff wird manchmal mit der Verbreitung von Fehlinformationen trivialer Natur in Verbindung gebracht, aber die Art und Weise, wie Informationen verbreitet werden, ist eine der ältesten und häufigsten in der Natur. Informationen werden von einer Quelle generiert und an ihre Nachbarn geklatscht. Sie verbreiten die Botschaft an ihre Nachbarn und erhöhen damit exponentiell die Zahl der Personen, die mit den Informationen vertraut sind.

Zusammen führten diese drei Inspirationen zur Entwicklung der MyriaNed-Plattform. Es gibt keine Master-Slave-Struktur im Netzwerk, sondern jeder Knoten ist hierarchisch gleich. MyriaNed verwendet biologisches Routing, das zufällig und unabhängig von der Funktion des Knotens ist. Jeder Knoten entscheidet, was mit einer Nachricht zu tun ist. Außerdem sendet es die Nachricht an alle seine Nachbarn, wodurch die grundlegenden Funkkommunikationseigenschaften verwendet werden.

Technische Übersicht

Datenweitergabe

Potenziell steht jedem Knoten im Netzwerk der komplette Satz an Informationen (zB Sensorwerte, Steuerdaten) zur Verfügung. Durch eine intelligente Strategie, den sogenannten Shared State, werden diese Informationen als verteilte Datenbank im Netzwerk gespeichert. Knoten, die dem Netzwerk neu hinzugefügt werden, können diesen gemeinsamen Zustand nutzen, um sich sofort anzupassen und zu der Netzwerkfunktionalität beizutragen.

Beim Caching der Nachrichten gibt es zwei Szenarien. Das erste Szenario, wenn eine Nachricht für den empfangenden Knoten neu ist (was bedeutet, dass die Daten in früheren Kommunikationsrunden nicht empfangen wurden), speichert der Knoten die Nachricht im Cache und überträgt diese Nachricht an seine eigenen Nachbarn. Zweitens, wenn die Nachricht alt ist (dh die Daten wurden bereits zuvor empfangen, dh durch einen anderen Nachbarn), wird die Nachricht verworfen. Ist der Cache voll, können verschiedene Strategien angewendet werden, um Platz für neue Nachrichten zu schaffen.

Interoperabilität

Da dem Netzwerk keine Top-Down- Struktur auferlegt wird und die Datenweitergabe transparent ist, ist das Netzwerk natürlich skalierbar. Auf der Kommunikationsebene ist keine Identifikationsverwaltung notwendig und Nachrichten haben eine einheitliche Struktur. Dies macht es möglich, dass ein MyriaNed-Netzwerk weit über die Grenzen der derzeit verfügbaren WSN-Technologien hinaus skalieren kann. Auch können unterschiedliche Funktionalitäten in einem einzigen Netzwerk integriert und ausgeführt werden.

Energieverbrauch

Um den Energieverbrauch der Knoten im Netzwerk zu reduzieren wird Duty-Cycling verwendet. Dies bedeutet, dass Knoten periodisch kommunizieren und einen Großteil der Zeit in den Standby-Modus gehen, um Energie zu sparen. Um zu kommunizieren, müssen die Knoten gleichzeitig aufwachen, daher haben sie einen eingebauten Synchronisationsmechanismus.

Funkkommunikation

Während der Funkkommunikation wird ein TDMA- (Time-Division-Multiple-Access-)Schema verwendet, um Kollisionen während der Rundsendekommunikation zu überwinden. Aktuelle Implementierungen laufen auf 2,4-GHz- und 868-MHz-Funkgeräten. Das Konzept von MyriaNed ist jedoch nicht auf diese Frequenzen beschränkt.

Topologie

Aus den bisherigen Eigenschaften von MyriaNed lässt sich ableiten, dass es eine echte Mesh- Topologie verwendet. Der Vorteil einer solchen Topologie ist die Zuverlässigkeit und die Mobilität aufgrund der redundanten Kommunikationswege im Netzwerk.

Einrichten

Setup und Konfiguration werden aufgrund des Bottom-up-Ansatzes , der im selbstorganisierenden Netzwerk verwendet wird, auf ein absolutes Minimum beschränkt . Im Vergleich zu Technologien wie Zigbee oder WirelessHART gibt es keine Vorstellung von einer Koordinator- oder Netzwerkmanagereinheit . Das reduziert den Aufwand für Einrichtung und Wartung.

Autonomie

Wenn MyriaNed für bestimmte Anwendungen verwendet wird, basiert die endgültige Implementierung auf einer großen Menge autonomer Geräte, die ihre eigenen autonomen Entscheidungen treffen (z. B. die Steuerung von Aktoren) basierend auf den verfügbaren Informationen, die durch die Verbreitung von Klatsch durch das Netzwerk wandern. Die Summe aller individuellen Verhaltensweisen der Netzknoten spiegelt das emergente Verhalten des Gesamtsystems, der Systemanwendung, wider.

Kosten

MyriaNed hat einen extrem kleinen Stack, verbraucht wenig Rechenleistung und benötigt nicht viel Energie. Daher kann es mit einem einfachen Mikrocontroller und einer kleinen Batterie betrieben werden. Dadurch sind die Kosten eines einzelnen Knotens sehr gering.

DevLab- Mitglieder arbeiten mit einer Single-Chip-Lösung, in die Funk und Mikrocontroller integriert sind. Dieser Chip mit angeschlossener Batterie ist kleiner als eine 2-Euro-Münze.

Auch die Installation und Erweiterung von Netzwerken mit dem MyriaNed-Protokoll ist sehr kosteneffizient. Es ist keine Adressierung erforderlich und die Informationen im Netzwerk werden mit der Zeit mit hinzugefügten Knoten synchronisiert. Somit fallen keine zusätzlichen Kosten (wie Gateways/Setup/Bridges) an, um das Netzwerk zu installieren oder zu erweitern.

Anwendungen

Aufgrund der Struktur von MyriaNed sind für Marktanwendungen keine unterschiedlichen Profile erforderlich. Verschiedene Anwendungen können nebeneinander laufen, ohne sich zu stören. Stattdessen helfen sie sich nur gegenseitig, indem sie die Dichte des Netzwerks erhöhen. Jedes DevLab-Mitglied kann MyriaNed in jedem beliebigen Markt nutzen. Dies hat zu vielen interoperablen Geräten in völlig unterschiedlichen Anwendungen geführt.

Anwendungsbereich	Beispiel
Gebäudeautomation	LEDs steuert drahtloses [1] Wärmesteuerungssystem [2]
Transport	Kabellose Fahrradbremse [3] , Zug-Sitzplatzreservierungssystem [4]
Altenpflege	Ambient Living mit eingebetteten Netzwerken [5]
Veranstaltung	Soundgadget [6] , Soziales WSN [7]
Landwirtschaft	Beobachtung des Gartenbaus in Gewächshäusern [8] [9]

Implementierungen präsentieren

Chess Wise, eines der Unternehmen hinter DEVLAB, nutzte die MyriaNED-Technologie als eine frühe Basis für Mymesh, ihr Netzwerkprotokoll. Diese Technologie wird verwendet, um Tausende von Geräten gleichzeitig in anspruchsvollen Umgebungen zu verbinden, zu steuern und zu analysieren.

Siehe auch

• Bluetooth
• W-lan
• WirelessHART
• DASH7
• EnOcean
• ZigBee
• Z-Welle

Verweise

Externe Links

EP-Anmeldung 2301302 , van der Wateren, Frits, "Broadcast-only Distributed Wireless Network", veröffentlicht am 22.06.2009, übertragen an CHESS