Netzwerksimulation

In modernen Sensor- und Aktuatornetzwerken wird eine Vielzahl von Netzwerkprotokollen verwendet, die es den Sensoren erst ermöglichen, untereinander und mit einer Steuereinheit zu kommunizieren. Oftmals ist dafür eine echtzeitfähige Kommunikation notwendig, die garantiert, dass Nachrichten innerhalb einer zuvor definierten Zeitspanne auch tatsächlich beim Empfänger ankommen.

Heutzutage bestehen die meisten Netzwerke aus heterogenen Strukturen, in denen häufig sowohl kabelgebundene als auch drahtlose Übertragungswege mit unterschiedlichen, teils standardisierten, teils proprietären Protokollen miteinander verbunden sind. Um die Anforderungen an das Gesamtsystem erfüllen zu können, ist es notwendig, bereits während der Designphase eines Sensors dessen Netzwerkintegration mit zu berücksichtigen, um die gesetzten Designziele möglichst optimal erreichen zu können. Diese Ziele können sehr unterschiedlich ausfallen, und je nach Anwendung kann das eine Optimierung hinsichtlich der Batterielaufzeit, der Übertragungsgeschwindigkeit, der präzisen Uhrensynchronisation, der zeitlichen Abweichungen des Auslesezeitpunkts, oder der möglichst genauen Messwerterfassung bedeuten. Um einen solcherart optimierten Sensor zu erhalten ist es notwendig, das gesamte Netzwerk, in den der Sensor integriert wird, zu simulieren.

Die Simulation des Netzwerks ermöglicht es dabei einerseits Parameterstudien durchzuführen, und andererseits auch große und komplexe Anwendungsfälle mit tausenden von Netzwerkknoten vorab zu simulieren und das Verhalten zu überprüfen. Die Aussagekraft einer Simulation steht und fällt immer mit der Qualität der verwendeten, abstrahierten Modelle. Für die meisten in der Praxis verwendeten Protokolle gibt es qualitativ hochwertige Implementierungen für diskrete Eventsimulation, wie zum Beispiel für ns-3, OMNeT++ oder OPNET. Diese Simulationen lassen aber in der Regel Abweichungen in der Hardware und eventuell maßgebliche Umwelteinflüsse außer acht. So ist zum Beispiel eine korrekte Implementierung des Übertragungskanals in Funknetzwerken nach wie vor eine große Herausforderung, da eine Vielzahl physikalischer Effekte dessen Eigenschaften dynamisch maßgeblich beeinflussen. Es muss das rechte Maß zwischen idealisierter Abstraktion und vertretbarem Modellierungs- und Rechenaufwand gefunden werden.

Das Zentrum für Integrierte Sensorsysteme hat reichhaltige Erfahrung in der simulationsgestützten Parameterevaluation auch für große Netzwerke, wie zum Beispiel für Smart Grids oder gesamte Industrieautomatisierungsnetzwerke. Ein Hauptaugenmerk der Forschung liegt dabei auf der Simulation von nicht ergodischen, nicht stationären Netzwerkkomponenten. Speziell im Bereich der Uhrensynchronisation hat das ZISS Erweiterungen für OMNeT++ und ns-3 entwickelt, die eine Simulation von verteilten Uhren mit individuellen Zeitbasen sowie deren Synchronisation ermöglichen. Dafür hat das ZISS einerseits mathematische Modelle für Quartzoszillatoren entwickelt, die das nicht ergodische und nicht stationäre Verhalten abbilden, als auch Echtzeitmessungen durchgeführt, die als Basisdaten für simulierte Uhren verwendet werden können. Dadurch ist en uns möglich, verschiedenste Szenarien aus der Praxis akkurat in der Simulation abzubilden und zu studieren.