TY  - THES
A1  - Zeiger, Florian
T1  - Internet Protocol based networking of mobile robots
T1  - Internet Protokoll basierte Vernetzung von mobilen Robotern
N2  - This work is composed of three main parts: remote control of mobile systems via Internet, ad-hoc networks of mobile robots, and remote control of mobile robots via 3G telecommunication technologies. The first part gives a detailed state of the art and a discussion of the problems to be solved in order to teleoperate mobile robots via the Internet. The focus of the application to be realized is set on a distributed tele-laboratory with remote experiments on mobile robots which can be accessed world-wide via the Internet. Therefore, analyses of the communication link are used in order to realize a robust system. The developed and implemented architecture of this distributed tele-laboratory allows for a smooth access also with a variable or low link quality. The second part covers the application of ad-hoc networks for mobile robots. The networking of mobile robots via mobile ad-hoc networks is a very promising approach to realize integrated telematic systems without relying on preexisting communication infrastructure. Relevant civilian application scenarios are for example in the area of search and rescue operations where first responders are supported by multi-robot systems. Here, mobile robots, humans, and also existing stationary sensors can be connected very fast and efficient. Therefore, this work investigates and analyses the performance of different ad-hoc routing protocols for IEEE 802.11 based wireless networks in relevant scenarios. The analysis of the different protocols allows for an optimization of the parameter settings in order to use these ad-hoc routing protocols for mobile robot teleoperation. Also guidelines for the realization of such telematics systems are given. Also traffic shaping mechanisms of application layer are presented which allow for a more efficient use of the communication link. An additional application scenario, the integration of a small size helicopter into an IP based ad-hoc network, is presented. The teleoperation of mobile robots via 3G telecommunication technologies is addressed in the third part of this work. The high availability, high mobility, and the high bandwidth provide a very interesting opportunity to realize scenarios for the teleoperation of mobile robots or industrial remote maintenance. This work analyses important parameters of the UMTS communication link and investigates also the characteristics for different data streams. These analyses are used to give guidelines which are necessary for the realization of or industrial remote maintenance or mobile robot teleoperation scenarios. All the results and guidelines for the design of telematic systems in this work were derived from analyses and experiments with real hardware.
N2  - Diese Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: Fernsteuerung mobiler Systeme über das Internet, ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter und Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Im ersten Teil werden ein ausführlicher Stand der Technik und eine Diskussion der bei der Fernsteuerung mobiler Roboter über das Internet zu lösenden Probleme gegeben. Der Fokus der zu realisierenden Anwendung in diesem Teil der Arbeit liegt auf einem verteilten Tele-Labor mit Experimenten zu mobilen Robotern, welche über das Internet weltweit zugänglich sind. Hierzu werden Link-Analysen der zugrundeliegenden Kommunikationsinfrastruktur zu Hilfe genommen, um ein robustes System zu realisieren. Die entwickelte und implementierte Architektur des verteilten Tele-Labors erlaubt einen reibungslosen Zugang auch für Verbindungen mit variabler oder schlechter Linkqualität. Im zweiten Teil werden ad-hoc Netzwerke mobiler Roboter behandelt. Die Vernetzung mobiler Roboter über mobile ad-hoc Netzwerke ist eine vielversprechende Möglichkeit um integrierte Telematiksysteme zu realisieren ohne auf zuvor existierende Infrastruktur angewiesen zu sein. Relevante Einsatzszenarien im zivilen Bereich sind zum Beispiel Such- und Rettungsszenarien, in denen die Rettungskräfte vor Ort durch vernetzte Multi-Roboter Systeme unterstütz werden. Hier werden dann mobile Roboter, Menschen und gegebenenfalls auch vorhandene stationäre Sensoren schnell und effizient vernetzt. In dieser Arbeit werden dazu verschieden ad-hoc Routing-Protokolle für IEEE 802.11 basierte Drahtlosnetzwerke in relevanten Szenarien untersucht und deren Leistungsfähigkeit verglichen. Die Analyse der verschiedenen Protokolle erlaubt eine Optimierung der Parametereinstellung, um diese ad-hoc Routing-Protokolle zur Fernsteuerung mobiler Roboter nutzbar zu machen. Weiterhin werden Richtlinien zur Realisierung solcher Telematiksysteme erarbeitet und Mechanismen zur Verkehrsformung auf Applikationsebene präsentiert, die eine effizientere Nutzung der vorhandenen Kommunikationskanäle erlauben. Als weiteres Anwendungsbeispiel ist die Integration eines ferngesteuerten Kleinhubschraubers in ein IP basiertes ad-hoc Netz beschrieben. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Fernsteuerung mobiler Roboter über Mobilfunktechnologien der 3. Generation. Die hohe Verfügbarkeit der UMTS-Technologie mit der verbundenen Mobilität und der gleichzeitigen hohen Bandbreite bietet hier eine interessante Möglichkeit um die Fernsteuerung mobiler Roboter oder auch interaktive Fernwartungsszenarien zu realisieren. In der vorliegenden Arbeit werden wichtige Parameter der UMTS Verbindung analysiert und auch die Charakteristiken der Verbindung für verschiedene Verkehrsströme ermittelt. Diese dienen dann zur Erstellung von Richtlinien, die zur Umsetzung der interaktive Fernwartungsszenarien oder auch der Fernsteuerung mobiler Roboter nötig sind. Die in dieser Arbeit erstellten Richtlinien zum Entwurf von Telematiksystemen wurden aus Analysen und Experimenten mit realer Hardware abgeleitet.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 4 
KW  - Robotik
KW  - Mobiler Roboter
KW  - Fernsteuerung
KW  - vernetzte Roboter
KW  - Telematik
KW  - Fernsteuerung
KW  - Robotik
KW  - Internet Protokoll
KW  - networked robotics
KW  - telematics
KW  - remote control
KW  - robotics
KW  - internet protocol
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54776
SN  - 978-3-923959-59-4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fehler, Manuel
T1  - Kalibrierung Agenten-basierter Simulationen
T1  - Calibration of Agent-based Simulations
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird das Problem der Kalibrierung Agenten-basierter Simulationen (ABS) behandelt, also das Problem, die Parameterwerte eines Agenten-basierten Simulationsmodells so einzustellen, dass valides Simulationsverhalten erreicht wird. Das Kalibrierungsproblem für Simulationen an sich ist nicht neu und ist im Rahmen klassischer Simulationsparadigmen, wie z.B. der Makro-Simulation, fester Bestandteil der Forschung. Im Vergleich zu den dort betrachteten Kalibrierungsproblemen zeichnet sich das Kalibrierungsproblem für ABS jedoch durch eine Reihe zusätzlicher Herausforderungen aus, welche die direkte Anwendung existierender Kalibrierungsverfahren in begrenzter Zeit erschweren, bzw. nicht mehr sinnvoll zulassen. Die Lösung dieser Probleme steht im Zentrum dieser Dissertation: Das Ziel besteht darin, den Nutzer bei der Kalibrierung von ABS auf der Basis von unzureichenden, potentiell fehlerhaften Daten und Wissen zu unterstützen. Dabei sollen drei Hauptprobleme gelöst werden: 1)Vereinfachung der Kalibrierung großer Agenten-Parametermengen auf der Mikro- Ebene in Agenten-basierten Simulationen durch Ausnutzung der spezifischen Struktur von ABS (nämlich dem Aufbau aus einer Menge von Agentenmodellen). 2)Kalibrierung Agenten-basierter Simulationen, so dass auf allen relevanten Beobachtungsebenen valides Simulationsverhalten erzeugt wird (mindestens Mikro und Makro-Ebene). Als erschwerende Randbedingung muss die Kalibrierung unter der Voraussetzung einer Makro-Mikro-Wissenslücke durchgeführt werden. 3)Kalibrierung Agenten-basierter Simulationen auf der Mikro-Ebene unter der Voraussetzung, dass zur Kalibrierung einzelner Agentenmodelle nicht ausreichend und potentiell verfälschte Daten zur Verhaltensvalidierung zur Verfügung stehen. Hierzu wird in dieser Arbeit das sogenannte Makro-Mikro-Verfahren zur Kalibrierung von Agenten-basierten Simulationen entwickelt. Das Verfahren besteht aus einem Basisverfahren, das im Verlauf der Arbeit um verschiedene Zusatzverfahren erweitert wird. Das Makro-Mikro-Verfahren und seine Erweiterungen sollen dazu dienen, die Modellkalibrierung trotz stark verrauschter Daten und eingeschränktem Wissen über die Wirkungszusammenhänge im Originalsystem geeignet zu ermöglichen und dabei den Kalibrierungsprozess zu beschleunigen: 1) Makro-Mikro-Kalibrierungsverfahren: Das in dieser Arbeit entwickelte Makro- Mikro-Verfahren unterstützt den Nutzer durch eine kombinierte Kalibrierung auf der Mikro- und der Makro-Beobachtungsebene, die gegebenenfalls durch Zwischenebenen erweitert werden kann. Der Grundgedanke des Verfahrens besteht darin, das Kalibrierungsproblem in eines auf aggregierter Verhaltensebene und eines auf der Ebene des Mikro-Agentenverhaltens aufzuteilen. Auf der Makro-Ebene wird nach validen idealen aggregierten Verhaltensmodellen (IVM) der Agenten gesucht. Auf der Mikro-Ebene wird versucht die individuellen Modelle der Agenten auf Basis des erwünschten Gesamtverhaltens und der ermittelten IVM so zu kalibrieren, das insgesamt Simulationsverhalten entsteht, das sowohl auf Mikro- als auch auf Makro-Ebene valide ist. 2) Erweiterung 1: Robuste Kalibrierung: Um den Umgang mit potentiell verrauschten Validierungskriterien (d.h. mit verrauschten Daten über ein Originalsystem, auf denen die Validierungskriterien der Simulation beruhen) und Modellteilen während der Kalibrierung von ABS zu ermöglichen, wird eine robuste Kalibrierungstechnik zur Anwendung im Makro-Mikro-Verfahren entwickelt. 3) Erweiterung 2: Kalibrierung mit Heterogenitätssuche: Als zweite Erweiterung des Makro-Mikro-Verfahrens wird ein Verfahren entwickelt, das das Problem des unklaren Detaillierungsgrades von ABS auf der Ebene der Parameterwerte adressiert. Prinzipiell kann zwar jeder Agent unterschiedliche Parameterwerte verwenden, obwohl eine geringere Heterogenität zur Erzeugung validen Verhaltens ausreichend wäre. Die entwickelte Erweiterung versucht, während der Kalibrierung, eine geeignete Heterogenitätsausprägung für die Parameterwerte der Agenten zu ermitteln. Unter einer Heterogenitätsausprägung wird dabei eine Einteilung der simulierten Agenten in Gruppen mit jeweils gleichen Parameterwerten verstanden. Die Heterogenitätssuche dient dazu, einen Kompromiss zu finden zwischen der Notwendigkeit, sehr große Parametersuchräume durchsuchen zu müssen und gleichzeitig den Suchraum so klein wie möglich halten zu wollen.
N2  - In this doctoral thesis the problem of calibrating agent-based simulations (ABS) is treated, i.e. the problem to adjust the parameter values of an agent-based simulation model to achieve valid simulation behavior. The calibration problem for simulations per se is not new and is an active part of research in the context of traditional simulation paradigms, such as the macro-simulation. Compared to the problems considered there the problems for ABS can be distinguished by several additional challenges that complicate the direct application of existing calibration procedures in a limited time, or challenges that do not allow applying existing procedures at all. The goal of this thesis is to assist the user in the calibration of ABS on the basis of incomplete and potentially noisy data or knowledge and in dealing with large amounts of parameter values if an ABS with many individual agents needs to be calibrated. The thesis covers the following three main topics: 1) Simplification of the calibration of many agent parameter values on the micro-level in ABS. This is done by exploiting the specific structure of ABS (i.e. that an ABS constitutes of a lattice of agent models). 2) Calibration of agent-based simulations, so that valid simulation behavior is created on all relevant behavior observation levels (at least micro- and macro-level). This needs to be possible without having full knowledge about how the macro observation level behavior constitutes from the modeled micro behavior. 3) Calibration of agent-based simulations on the micro-level under the constraint that only partial and potentially noisy data for testing and validation of single individual agent models is available. To achieve this the so-called “Macro-Micro Procedure” for calibrating agent-based simulations is developed. The approach consists of a basic procedure that is extended in the course of the work with various additional techniques: 1)Macro-Micro-Calibration Procedure: The Macro-Micro Procedure supports the user by applying a combined calibration on the micro and the macro-observation level, which can optionally be expanded using additional intermediate levels. The basic idea of the procedure consists of separating the calibration problem into one at the aggregate behavior level and one at the level of the micro-agent behavior. At the macro level, valid simulation behavior for ideal aggregate behavior models (IAM) of agents is being determined. At the micro level, the goal is to calibrate the models of the individual agents based on the desired overall behavior and the determined IAM from the macro level. Upon completion the simulation behavior created shall be valid both at the micro and also at a macro level. 2)Extension 1: Robust Calibration: In order to deal with potentially noisy validation criteria and model parts (i.e. with noisy data about the original system from which the validation criteria of the simulation are created) a robust calibration technique is developed that can be used as part of the Macro-Micro-Procedure. 3)Extension 2: Calibration with heterogeneity search: The second extension of the Macro-Micro-Procedure addresses the problem of an unclear level of detail on the level of the parameter values. Theoretically it is possible to use different parameter values for each individual simulated agent which leads to a huge parameter search space. Often it is however sufficient to use a lower heterogeneity in the parameter values to generate valid behavior which would allow calibration in a smaller search space. The developed extension attempts to determine such a suitable heterogeneity manifestation for the parameter values of the agents as part of the calibration process itself. A heterogeneity manifestation is performed by dividing the agents into groups of agents with homogenous parameter values. The developed heterogeneity search offers a compromise between the necessity of having to search very large parameter search spaces and the goal to keep the search space as small as possible during the calibration.
KW  - Computersimulation
KW  - Mehrebenensimulation
KW  - Autonomer Agent
KW  - Agenten-basierte Simulation
KW  - Multiagentensimulation
KW  - Parameterkalibrierung
KW  - Hierarchische Simulation
KW  - Simulation
KW  - Agent <Künstliche Intelligenz>
KW  - Calibration
KW  - Optimization
KW  - Agent-based Simulation
KW  - Multi-Agent-Simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-64762
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TY  - THES
A1  - Sauer, Markus
T1  - Mixed-Reality for Enhanced Robot Teleoperation
T1  - Mixed-Reality zur verbesserten Fernbedienung von Robotern
N2  - In den letzten Jahren ist die Forschung in der Robotik soweit fortgeschritten, dass die Mensch-Maschine Schnittstelle zunehmend die kritischste Komponente für eine hohe Gesamtperformanz von Systemen zur Navigation und Koordination von Robotern wird. In dieser Dissertation wird untersucht wie Mixed-Reality Technologien für Nutzerschnittstellen genutzt werden können, um diese Gesamtperformanz zu erhöhen. Hierzu werden Konzepte und Technologien entwickelt, die durch Evaluierung mit Nutzertest ein optimiertes und anwenderbezogenes Design von Mixed-Reality Nutzerschnittstellen ermöglichen. Er werden somit sowohl die technische Anforderungen als auch die menschlichen Faktoren für ein konsistentes Systemdesign berücksichtigt. Nach einer detaillierten Problemanalyse und der Erstellung eines Systemmodels, das den Menschen als Schlüsselkomponente mit einbezieht, wird zunächst die Anwendung der neuartigen 3D-Time-of-Flight Kamera zur Navigation von Robotern, aber auch für den Einsatz in Mixed-Reality Schnittstellen analysiert und optimiert. Weiterhin wird gezeigt, wie sich der Netzwerkverkehr des Videostroms als wichtigstes Informationselement der meisten Nutzerschnittstellen für die Navigationsaufgabe auf der Netzwerk Applikationsebene in typischen Multi-Roboter Netzwerken mit dynamischen Topologien und Lastsituation optimieren lässt. Hierdurch ist es möglich in sonst in sonst typischen Ausfallszenarien den Videostrom zu erhalten und die Bildrate zu stabilisieren. Diese fortgeschrittenen Technologien werden dann auch dem entwickelten Konzept der generischen 3D Mixed Reality Schnittselle eingesetzt. Dieses Konzept ermöglicht eine integrierte 3D Darstellung der verfügbaren Information, so dass räumliche Beziehungen von Informationen aufrechterhalten werden und somit die Anzahl der mentalen Transformationen beim menschlichen Bediener reduziert wird. Gleichzeitig werden durch diesen Ansatz auch immersive Stereo Anzeigetechnologien unterstützt, welche zusätzlich das räumliche Verständnis der entfernten Situation fördern. Die in der Dissertation vorgestellten und evaluierten Ansätze nutzen auch die Tatsache, dass sich eine lokale Autonomie von Robotern heute sehr robust realisieren lässt. Dies wird zum Beispiel zur Realisierung eines Assistenzsystems mit variabler Autonomie eingesetzt. Hierbei erhält der Fernbediener über eine Kraftrückkopplung kombiniert mit einer integrierten Augmented Reality Schnittstelle, einen Eindruck über die Situation am entfernten Arbeitsbereich, aber auch über die aktuelle Navigationsintention des Roboters. Die durchgeführten Nutzertests belegen die signifikante Steigerung der Navigationsperformanz durch den entwickelten Ansatz. Die robuste lokale Autonomie ermöglicht auch den in der Dissertation eingeführten Ansatz der prädiktiven Mixed-Reality Schnittstelle. Die durch diesen Ansatz entkoppelte Regelschleife über den Menschen ermöglicht es die Sichtbarkeit von unvermeidbaren Systemverzögerungen signifikant zu reduzieren. Zusätzlich können durch diesen Ansatz beide für die Navigation hilfreichen Blickwinkel in einer 3D-Nutzerschnittstelle kombiniert werden – der exozentrische Blickwinkel und der egozentrische Blickwinkel als Augmented Reality Sicht.
N2  - With the progress in robotics research the human machine interfaces reach more and more the status of being the major limiting factor for the overall system performance of a system for remote navigation and coordination of robots. In this monograph it is elaborated how mixed reality technologies can be applied for the user interfaces in order to increase the overall system performance. Concepts, technologies, and frameworks are developed and evaluated in user studies which enable for novel user-centered approaches to the design of mixed-reality user interfaces for remote robot operation. Both the technological requirements and the human factors are considered to achieve a consistent system design. Novel technologies like 3D time-of-flight cameras are investigated for the application in the navigation tasks and for the application in the developed concept of a generic mixed reality user interface. In addition it is shown how the network traffic of a video stream can be shaped on application layer in order to reach a stable frame rate in dynamic networks. The elaborated generic mixed reality framework enables an integrated 3D graphical user interface. The realized spatial integration and visualization of available information reduces the demand for mental transformations for the human operator and supports the use of immersive stereo devices. The developed concepts make also use of the fact that local robust autonomy components can be realized and thus can be incorporated as assistance systems for the human operators. A sliding autonomy concept is introduced combining force and visual augmented reality feedback. The force feedback component allows rendering the robot's current navigation intention to the human operator, such that a real sliding autonomy with seamless transitions is achieved. The user-studies prove the significant increase in navigation performance by application of this concept. The generic mixed reality user interface together with robust local autonomy enables a further extension of the teleoperation system to a short-term predictive mixed reality user interface. With the presented concept of operation, it is possible to significantly reduce the visibility of system delays for the human operator. In addition, both advantageous characteristics of a 3D graphical user interface for robot teleoperation- an exocentric view and an augmented reality view – can be combined.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 5 
KW  - Mobiler Roboter
KW  - Autonomer Roboter
KW  - Mensch-Maschine-Schnittstelle
KW  - Mixed Reality
KW  - Mensch-Roboter-Interaktion
KW  - Teleoperation
KW  - Benutzerschnittstelle
KW  - Robotik
KW  - Mensch-Maschine-System
KW  - Human-Robot-Interaction
KW  - Teleoperation
KW  - User Interface
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55083
SN  - 978-3-923959-67-9
ER  - 
TY  - THES
A1  - Oechsner, Simon
T1  - Performance Challenges and Optimization Potential of Peer-to-Peer Overlay Technologies
T1  - Leistungsanforderungen und Optimierungspotential von Peer-to-Peer Overlay-Technologien
N2  - In today's Internet, building overlay structures to provide a service is becoming more and more common. This approach allows for the utilization of client resources, thus being more scalable than a client-server model in this respect. However, in these architectures the quality of the provided service depends on the clients and is therefore more complex to manage. Resource utilization, both at the clients themselves and in the underlying network, determine the efficiency of the overlay application. Here, a trade-off exists between the resource providers and the end users that can be tuned via overlay mechanisms. Thus, resource management and traffic management is always quality-of-service management as well. In this monograph, the three currently significant and most widely used overlay types in the Internet are considered. These overlays are implemented in popular applications which only recently have gained importance. Thus, these overlay networks still face real-world technical challenges which are of high practical relevance. We identify the specific issues for each of the considered overlays, and show how their optimization affects the trade-offs between resource efficiency and service quality. Thus, we supply new insights and system knowledge that is not provided by previous work.
N2  - Im heutigen Internet werden immer häufiger Overlay-Strukturen aufgebaut, um eine Dienstleistung zu erbringen. Dieser Ansatz ermöglicht die Nutzung von Client-Ressourcen, so dass er in dieser Hinsicht besser skaliert als das Client-Server-Modell. Die Qualität des zur Verfügung gestellten Dienstes hängt nun aber von den Clients ab und ist daher komplizierter zu steuern. Die Ressourcennutzung, sowohl auf den Clients selbst als auch in dem zugrunde liegenden Netzwerk, bestimmt die Effizienz der Overlay-Anwendung. Hier existiert ein Trade-off zwischen Ressourcen-Anbietern und Endkunden, der über Overlay-Mechanismen geregelt werden kann. Daher ist Ressourcenmanagement und Traffic-Management gleichzeitig immer auch Quality-of-Service-Management. In dieser Arbeit werden die drei derzeit am weitesten im Internet verbreiteten und signifikanten Overlay-Typen berücksichtigt. Diese Overlays sind in populären Anwendungen, die erst vor kurzem an Bedeutung gewonnen haben, implementiert. Daher sind diese Overlay-Netze nach wie vor realen technischen Herausforderungen ausgesetzt, die von hoher praktischer Relevanz sind. Die spezifischen Herausforderungen für jedes der betrachteten Overlays werden identifiziert und es wird gezeigt, wie deren Optimierung den Trade-off zwischen Ressourceneffizienz und Service-Qualität beeinflusst. So werden neue Einsichten und Erkenntnisse über diese Systeme gewonnen, die in früheren Arbeiten nicht existieren.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/10 
KW  - Overlay-Netz
KW  - Peer-to-Peer-Netz
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Overlays
KW  - Peer-to-Peer
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-50015
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TY  - THES
A1  - Henjes, Robert
T1  - Performance Evaluation of Publish/Subscribe Middleware Architectures
T1  - Leistungsuntersuchung von Publish/Subscribe Middleware Architekturen
N2  - While developing modern applications, it is necessary to ensure an efficient and performant communication between different applications. In current environments, a middleware software is used, which supports the publish/subscribe communication pattern. Using this communication pattern, a publisher sends information encapsulated in messages to the middleware. A subscriber registers its interests at the middleware. The monograph describes three different steps to determine the performance of such a system. In a first step, the message throughput performance of a publish/subscribe in different scenarios is measured using a Java Message Service (JMS) based implementation. In the second step the maximum achievable message throughput is described by adapted models depending on the filter complexity and the replication grade. Using the model, the performance characteristics of a specific system in a given scenario can be determined. These numbers are used for the queuing model described in the third part of the thesis, which supports the dimensioning of a system in realistic scenarios. Additionally, we introduce a method to approximate an M/G/1 system numerically in an efficient way, which can be used for real time analysis to predict the expected performance in a certain scenario. Finally, the analytical model is used to investigate different possibilities to ensure the scalability of the maximum achievable message throughput of the overall system.
N2  - Bei der Entwicklung moderner Applikationen ist es notwendig eine effiziente und performante Kommunikation zwischen den einzelnen Anwendungen sicherzustellen. In der Praxis kommt dabei eine Middleware Software zum Einsatz, die das Publish/Subscribe Kommunikationsmuster unterstützt. Dabei senden Publisher Informationen in Form von Nachrichten an die Middleware. Die Subscriber hingegen zeigen durch die Nutzung von Filtern der Middleware an, welche Informationen zugestellt werden sollen. Die Arbeit beschreibt ein dreistufiges Verfahren zur Leistungsbestimmung eines solchen Systems. Zunächst wird durch Messung die Leistung von Publish/Subscribe Systemen in verschiedenen Szenarien untersucht am Beispiel von Java Message Service (JMS) basierten Implementierungen. Danach wird der maximale Nachrichtendurchsatz in Abhängigkeit der Filterkomplexität und des Nachrichtenreplikationsgrades durch einfache Modelle beschrieben. Damit können die Leistungskennwerte für ein System und vorgegebenen Randbedingungen beschrieben werden. Im dritten Teil wird mittels Leistungsbewertung und durch Anwendung eines Warteschlangenmodells die Leistung in praxisnahen Umfeld beschrieben, so dass eine Dimensionierung möglich wird. Zusätzlich wird ein mathematisch, approximatives Verfahren vorgestellt, um ein M/G/1 System numerisch effizient berechnen zu können, was bei der Echtzeitbewertung eines Systems zur Leistungsvorhersage benutzt werden kann. Des Weiteren werden mittels des Modells Möglichkeiten untersucht die Skalierbarkeit des Gesamtsystems in Bezug auf den Nachrichtendurchsatz sicherzustellen.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 04/10 
KW  - Middleware
KW  - Publish-Subscribe-System
KW  - Java Message Service
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Middleware
KW  - Publish-Subscribe-System
KW  - Java Message Service
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53388
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TY  - THES
A1  - Klein, Alexander
T1  - Performance Issues of MAC and Routing Protocols in Wireless Sensor Networks
T1  - Leistungsbeschränkende Faktoren von MAC und Routingprotokollen in drahtlosen Sensornetzen
N2  - The focus of this work lies on the communication issues of Medium Access Control (MAC) and routing protocols in the context of WSNs. The communication challenges in these networks mainly result from high node density, low bandwidth, low energy constraints and the hardware limitations in terms of memory, computational power and sensing capabilities of low-power transceivers. For this reason, the structure of WSNs is always kept as simple as possible to minimize the impact of communication issues. Thus, the majority of WSNs apply a simple one hop star topology since multi-hop communication has high demands on the routing protocol since it increases the bandwidth requirements of the network. Moreover, medium access becomes a challenging problem due to the fact that low-power transceivers are very limited in their sensing capabilities. The first contribution is represented by the Backoff Preamble-based MAC Protocol with Sequential Contention Resolution (BPS-MAC) which is designed to overcome the limitations of low-power transceivers. Two communication issues, namely the Clear Channel Assessment (CCA) delay and the turnaround time, are directly addressed by the protocol. The CCA delay represents the period of time which is required by the transceiver to detect a busy radio channel while the turnaround time specifies the period of time which is required to switch between receive and transmit mode. Standard Carrier Sense Multiple Access (CSMA) protocols do not achieve high performance in terms of packet loss if the traffic is highly correlated due to the fact that the transceiver is not able to sense the medium during the switching phase. Therefore, a node may start to transmit data while another node is already transmitting since it has sensed an idle medium right before it started to switch its transceiver from receive to transmit mode. The BPS-MAC protocol uses a new sequential preamble-based medium access strategy which can be adapted to the hardware capabilities of the transceivers. The protocol achieves a very low packet loss rate even in wireless networks with high node density and event-driven traffic without the need of synchronization. This makes the protocol attractive to applications such as structural health monitoring, where event suppression is not an option. Moreover, acknowledgments or complex retransmission strategies become almost unnecessary since the sequential preamble-based contention resolution mechanism minimizes the collision probability. However, packets can still be lost as a consequence of interference or other issues which affect signal propagation. The second contribution consists of a new routing protocol which is able to quickly detect topology changes without generating a large amount of overhead. The key characteristics of the Statistic-Based Routing (SBR) protocol are high end-to-end reliability (in fixed and mobile networks), load balancing capabilities, a smooth continuous routing metric, quick adaptation to changing network conditions, low processing and memory requirements, low overhead, support of unidirectional links and simplicity. The protocol can establish routes in a hybrid or a proactive mode and uses an adaptive continuous routing metric which makes it very flexible in terms of scalability while maintaining stable routes. The hybrid mode is optimized for low-power WSNs since routes are only established on demand. The difference of the hybrid mode to reactive routing strategies is that routing messages are periodically transmitted to maintain already established routes. However, the protocol stops the transmission of routing messages if no data packets are transmitted for a certain time period in order to minimize the routing overhead and the energy consumption. The proactive mode is designed for high data rate networks which have less energy constraints. In this mode, the protocol periodically transmits routing messages to establish routes in a proactive way even in the absence of data traffic. Thus, nodes in the network can immediately transmit data since the route to the destination is already established in advance. In addition, a new delay-based routing message forwarding strategy is introduced. The forwarding strategy is part of SBR but can also be applied to many routing protocols in order to modify the established topology. The strategy can be used, e.g. in mobile networks, to decrease the packet loss by deferring routing messages with respect to the neighbor change rate. Thus, nodes with a stable neighborhood forward messages faster than nodes within a fast changing neighborhood. As a result, routes are established through nodes with correlated movement which results in fewer topology changes due to higher link durations.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit werden leistungsbeschränkende Faktoren von Medium Access Control (MAC) und Routingprotokollen im Kontext von drahtlosen Sensornetzen untersucht. Zunächst werden typische Probleme des Funkkanals diskutiert. Anschließend führen eine Einteilung von MAC Protokollen, sowie eine Gegenüberstellung relevanter Protokolle in die Thematik ein. Daraufhin werden hardwarelimitierende Faktoren und deren Auswirkung auf die Effizienz von Kanalzugriffsprotokollen untersucht. Des Weiteren wird das vom Autor entwickelte Backoff Preamble-based MAC Protokoll (BPS-MAC) vorgestellt, welches auf die limitierten Fähigkeiten sensortypischer Hardware eingeht und für dichte Sensornetze mit korreliertem Datenverkehr optimiert ist. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit stellt das Thema Routing dar. Hier wird ebenfalls mit einer Einteilung der Protokolle in die Thematik eingeführt. Darüber hinaus werden die wichtigsten Aufgaben von Routingprotokollen vorgestellt. Ein Überblick über häufig verwendete Routingmetriken und Routingprotokolle schließen die Einführung in diesen Themenkomplex ab. Abschließend wird das im Rahmen der Dissertation entwickelte Statistic-Based-Routing (SBR) Protokoll vorgestellt, welches ebenfalls für drahtlose Sensornetze optimiert ist. Der letzte Schwerpunkt beschreibt die Problematik der Leistungsbewertung von Routingprotokollen hinsichtlich klassischer Leistungsparameter wie Paketverlust und Verzögerung. Ebenfalls werden weitere Leistungsparameter wie zum Beispiel die vom Nutzer wahrgenommene Netzqualität genauer untersucht.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 03/10 
KW  - Routing
KW  - Drahtloses Sensorsystem
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Diskrete Simulation
KW  - MAC
KW  - Kanalzugriff
KW  - Medium <Physik>
KW  - MAC
KW  - routing
KW  - sensor
KW  - networks
KW  - simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52870
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TY  - THES
A1  - Pries, Jan Rastin
T1  - Performance Optimization of Wireless Infrastructure and Mesh Networks
T1  - Leistungsoptimierung von drahtlosen Infrastruktur und Mesh Netzen
N2  - Future broadband wireless networks should be able to support not only best effort traffic but also real-time traffic with strict Quality of Service (QoS) constraints. In addition, their available resources are scare and limit the number of users. To facilitate QoS guarantees and increase the maximum number of concurrent users, wireless networks require careful planning and optimization. In this monograph, we studied three aspects of performance optimization in wireless networks: resource optimization in WLAN infrastructure networks, quality of experience control in wireless mesh networks, and planning and optimization of wireless mesh networks. An adaptive resource management system is required to effectively utilize the limited resources on the air interface and to guarantee QoS for real-time applications. Thereby, both WLAN infrastructure and WLAN mesh networks have to be considered. An a-priori setting of the access parameters is not meaningful due to the contention-based medium access and the high dynamics of the system. Thus, a management system is required which dynamically adjusts the channel access parameters based on the network load. While this is sufficient for wireless infrastructure networks, interferences on neighboring paths and self-interferences have to be considered for wireless mesh networks. In addition, a careful channel allocation and route assignment is needed. Due to the large parameter space, standard optimization techniques fail for optimizing large wireless mesh networks. In this monograph, we reveal that biology-inspired optimization techniques, namely genetic algorithms, are well-suitable for the planning and optimization of wireless mesh networks. Although genetic algorithms generally do not always find the optimal solution, we show that with a good parameter set for the genetic algorithm, the overall throughput of the wireless mesh network can be significantly improved while still sharing the resources fairly among the users.
N2  - Die Anbindung an das Internet erfolgt zunehmend über drahtlose Netze. Deren Ressourcen sind allerdings limitiert, was die Anzahl der unterstützten Nutzer stark einschränkt. Zudem ist ein Trend dieser Nutzer weg von der Verwendung reiner Datendienste zu Diensten mit Echtzeitanforderungen wie Voice over IP (VoIP) zu erkennen, deren Dienstgüteanforderungen eingehalten werden müssen. Heutige drahtlose Zugangsnetze sind jedoch nur für den herkömmlichen Datenverkehr ausgelegt. Der IEEE 802.11 WLAN Standard unterscheidet zwar zwischen verschiedenen Dienstklassen, gibt aber keine Dienstgütegarantien. Um die Dienstgüte (Quality of Service, QoS), bzw. die vom Nutzer erfahrene Dienstgüte (Quality of Experience, QoE) zu garantieren, müssen die zukünftigen drahtlosen Netze daher sorgfältig geplant und optimiert werden. Um die limitierten Ressourcen auf der Luftschnittstelle effektiv zu nutzen und um Dienstgüteanforderungen für Echtzeitanwendungen einzuhalten, bedarf es eines adaptiven Ressourcenmanagements. Dabei sind sowohl drahtlose Infrastruktur, als auch drahtlose Mesh-Netze zu betrachten. Durch den randomisierten Medienzugriff und die hohe Dynamik im System ist eine a-priori Wahl der Zugangsparameter nicht sinnvoll. Vielmehr wird ein Managementsystem benötigt, das die Zugangsparameter dynamisch in Abhängigkeit der Last in einem Netz wählt. Während dies für drahtlose Infrastrukturnetze ausreicht, müssen in drahtlosen Mesh-Netzen zusätzlich noch Interferenzen von Nachbarpfaden und Eigeninterferenzen berücksichtigt werden. Desweiteren ist eine sorgfältige Planung der Kanalzuweisung und des Routings notwendig, um einerseits den Durchsatz in drahtlosen Mesh-Netzen zu maximieren und andererseits die Ressourcen fair zwischen den Stationen aufzuteilen. Da es dabei eine Vielzahl von Parametern zu berücksichtigen gilt, sind neue Optimierungsmethoden notwendig, die es ermöglichen, auch große Mesh-Netze in annehmbarer Zeit zu planen und zu optimieren. Diese Doktorarbeit arbeitet die folgenden drei Optimierungsmöglichkeiten für drahtlose Zugangsnetze aus: Optimierung der Zugangsparameter in drahtlosen Infrastrukturnetzen, Optimierung von drahtlosen Mesh-Netzen unter Berücksichtigung der QoE und Planung und Optimierung von drahtlosen Mesh-Netzen mit Berücksichtigung einer fairen Ressourcenallokation. Die Ergebnisse und Untersuchungen dieser Arbeit gliedern sich entsprechend dieser Optimierungsmöglichkeiten.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/10 
KW  - IEEE 802.11
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Optimierung
KW  - Dienstgüte
KW  - Netzplanung
KW  - Drahtloses lokales Netz
KW  - WLAN
KW  - Mesh Netze
KW  - Genetische Optimierung
KW  - WLAN
KW  - Optimization
KW  - Mesh Networks
KW  - Genetic Optimization
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-46097
ER  -