Szenzorhálózatok

A tantárgy angol neve: Sensor Networks

Adatlap utolsó módosítása: 2009. október 27.

Tantárgy lejárati dátuma: 2015. január 31.

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Villamosmérnöki és Informatikai Kar
Villamosmérnöki szak
Mérnök informatikus szak
Szabadon választható tantárgy
Tantárgykód Szemeszter Követelmények Kredit Tantárgyfélév
VIMIJV84   4/0/0/v 4  
3. A tantárgyfelelős személy és tanszék Dr. Sujbert László,
A tantárgy tanszéki weboldala http://www.mit.bme.hu/oktatas/targyak/vimijv84/
4. A tantárgy előadója
 Név:Beosztás: Tanszék, intézet: 
 dr. Vidács Attila  docens BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék (TMIT)
 Orosz György tanársegéd MIT
6. Előtanulmányi rend
Kötelező:
NEM ( TárgyTeljesítve("BMEVIMM9084") )
VAGY
NEM ( TárgyTeljesítve("BMEVITMM348") )

A fenti forma a Neptun sajátja, ezen technikai okokból nem változtattunk.

A kötelező előtanulmányi rendek grafikus formában itt láthatók.

Ajánlott:
A tantárgyat nem veheti fel, aki korábban megszerezte a Szenzorhálózatok (vimm9084) vagy a Szenzorhálózatok és alkalmazások (vitmm348) tantárgy kreditjét.
7. A tantárgy célkitűzése Már napjainkban sem ritkák a több száz, a jövőben pedig tipikusak lesznek a több ezer olcsó, intelligens (limitált számítási kapacitással és szerény kommunikációs képességgel rendelkező) érzékelőből álló, egy közös cél érdekében összehangolt működést (érzékelést, számítást, beavatkozást) végző szenzorhálózatok, amelyek az egészségügy, a gyártás-monitorozás, a környezetvédelem, a honvédelem és a mindennapi élet számos területén helyet követelnek maguknak. A tárgy bevezetést nyújt a szenzorhálózatok szerteágazó témakörébe. Ismerteti a szenzorhálózatok tipikus (jelen és jövőbeli) alkalmazási lehetőségeit. Tárgyalja az eszközök hardver felépítését, az alkalmazott operációs rendszerek és szoftver architektúrák jellegzetességeit. Vizsgálja a – tipikusan – szerény erőforrásokkal rendelkező eszközökkel való adatgyűjtés, adatfeldolgozás és (ad-hoc) hálózati kommunikáció problémakörét, valamint ismerteti a szükséges middleware szolgáltatásokat. Az elméleti megoldásokat gyakorlati példákon keresztül illusztrálja. A hallgatók egy házi feladat megoldása során szerezhetnek készségszintű ismereteket is a szenzorhálózatok témakörében.
8. A tantárgy részletes tematikája

• Intelligens szenzorok hardver architektúrái. Berkeley mote általános bemutatása: Alapmodul bemutatása (alapstruktúra, funkcionalitás, építőelemek). Mikrokontroller bemutatása (processzormag, perifériák). Szenzorkártya, koprocesszor kártyák és gateway egységek elemzése. Mitmót felépítésének tárgyalása (alapmodul, rádió, szenzorok).

 

• Vezetéknélküli adatátvitel jellemzőinek értékelése: Szenzorhálózatok kommunikációs problémáinak bemutatása a hagyományos adatátviteli feladatokkal szemben (beltéri kommunikáció, energiaellátás). Megoldási alternatívák vizsgálata a fenti problémákra (szórt spektrumú átvitel, frekvenciaugratás, UWB). A szenzorhálózatokban használt tipikus kommunikációs IC-kel szemben támasztott követelmények és megoldások. Az IC-kben használt modulációs technikák, adó és vevőarchitektúrák bemutatása.

 

• ZigBee fizikai rétegének ismertetése: modulációs előírások, teljesítményadatok. Intelligens szenzorok szoftver architektúrái: Programszervezési módszerek bemutatása és elemzése. Ütemezési módszerek ismertetése. Preemptív és nem-preemptív folyamatkezelés sajátosságai. Beágyazott operációs rendszerek általános feladatai, eltérések a hagyományos operációs rendszerektől.

 

• uC-OS beágyazott operációs rendszer bemutatása. Konfigurációs lehetőségek és szolgáltatások ismertetése. eCos beágyazott operációs rendszer bemutatása. Az operációs rendszer architektúrájának bemutatása, konfigurálási lehetőségei. nesC (network embedded systems C) nyelv bemutatása. Nyelvi sajátosságok (command, event struktúra, folyamatkezelés stb.). TinyOS operációs rendszer ismertetése. Szolgáltatások, ütemezések bemutatása. Kapcsolat a nesC nyelvvel.

 

• nesC nyelvű példaprogramok bemutatása, hálózatkezelés sajátosságai a TinyOS operációs rendszerben. Óraszinkronizáció szenzorhálózatokban: Óraszinkronizációt igénylő feladatok bemutatása (időmérés, események sorrendiségének meghatározása, hálózatkezelés, adatfúzió). Általános, szinkronizációval kapcsolatos fogalmak megismerése (külső/belső, explicit/implicit stb.). Szinkronizáció alapproblémáinak bemutatása, óramodell ismertetése (referencia, pontos, korlátozott driftű stb.).

 

• Szinkronizáció megvalósításának lehetőségei (órahangolás, időbélyeg konverzió) ezek előnyei, hátrányai és megvalósítási technikái. Eltérés a hagyományos és szenzorhálózatokban használandó szinkronizációs technikákkal szemben támasztott követelményekben, ad-hoc struktúra hatása. Szenzorhálózatokban elterjedten használt szinkronizációs protokollok ismertetése: Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN). Reference-Broadcast Synchronization (RBS) Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP). Intervallumaritmetikán alapuló szinkronizálás. Az algoritmusok összehasonlítása.

 

• Adatkapcsolati réteg: közeghozzáférés-vezérlés (MAC) kérdések, csatornakiosztás.  Többszörös hozzáférés, ütközések elkerülése, feloldása, lekérdezési technikák. MD (Mediation Device) protokoll, szenzorhálózati megoldások (PicoRadi, WINS) Szenzor-MAC (SMAC) protokoll ismertetése mint konkrét esettanulmány. S-MAC építőelemek, működés, implementációs kérdések, teljesítményelemzés.


• Hálózati réteg: szenzorhálózati sajátosságok, hálózati struktúrák (elosztott, hierarchikus), klaszterképzés. Útvonalválasztás szenzorhálózatokban: routing feladata, definíciója. Routing tervezési kérdések szenzorhálózatokban. Hálózat és útvonalválasztás modellezése.


• Útvonalválasztási protokollok csoportosítása. Elosztott (flat) routing; adatközpontú útvonalválasztás, irányított diffúzió, pletyka routing, gradiens alapú routing, energiatakarékos megoldások. Hierarchikus útvonalválasztás. LEACH algoritmus, protokoll. Önszerveződő protokollok; elhelyezkedés-alapú útválasztás. Egyéb routing megoldások: többutas, lekérdezés alapú, QoS-routing. LEACH esettanulmány.


• Lokalizáció és nyomkövetés: fizikai/szimbolikus, abszolút/relatív, „lokális” lokalizáció. Pontosság kontra precízió. Lokalizációs technikák: centralizált/elosztott, távolságmérésen alapuló megoldások, érkezési idők, jelcsillapítás, irányszögmérés. Illusztratív példák, konkrét megvalósítások.


• Mobilitás szenzorhálózatokban: bázisállomás mobilitás, szenzorok mobilitása; előre jelezhető, adaptív mozgatási stratégiák az energiatakarékos működéshez. Követelmények, korlátok tipikus szenzorhálózati alkalmazásokban.


• Adatgyűjtés és –fúzió: hálózaton belüli adat-egyesítés, tömörítés. Adattömörítés és útvonalválasztás egymásra hatása. Adat-aggregációs protokollok, centralizált és elosztott megoldások.


• Szenzorhálózati alkalmazások, esettanulmányok. A „Great Duck Island” projekt bemutatása.


• Szenzorhálózatok alkalmazása jelfeldolgozó környezetben: Valósidejű rendszerek problémái, alkalmazási lehetőségek szenzorhálózatokban (determinisztikusság kérdése, kommunikációs jellemzők, adatvesztés). Mintavétel szinkronizálásának lehetőségei (fizikai szinkronizáció és interpolációs technikák). Visszacsatolás lehetőségének vizsgálata szenzorhálózatokban (open loop, closed loop). Példaalkalmazás bemutatása (vezetéknélküli zajcsökkenő rendszer). Adattömörítés előfeldolgozással.

9. A tantárgy oktatásának módja (előadás, gyakorlat, laboratórium) Előadás heti négy órában.
10. Követelmények
  • A szorgalmi időszakban: Egy nagy házi feladat elkészítése min. 50%-os eredménnyel.
  • A vizsgaidőszakban:  írásbeli és szóbeli vizsga.
  • Elővizsga: megegyezés szerint
11. Pótlási lehetőségek A házi feladat különeljárási díj ellenében a pótlási időszakban pótolható.
12. Konzultációs lehetőségek Házi feladat konzultáció a szorgalmi időszakban. Vizsga előtti konzultáció a vizsgaidőszakban.
13. Jegyzet, tankönyv, felhasználható irodalom
  • Edgar H., Jr. Callaway, Edgar H. Callaway, "Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols", Auerbach Publications; (August 2003), ISBN: 0849318238
  • Feng Zhao, Leonidas Guibas, "Wireless Sensor Networks: An Information Processing Approach", Morgan Kaufmann Publishers, (May 2004), ISBN 1-55860-914-8

A tárgy feldolgozását ezen kívül kiadott segédletek, cikkek segítik.

14. A tantárgy elvégzéséhez átlagosan szükséges tanulmányi munka
Kontakt óra56
Félévközi készülés órákra10
Felkészülés zárthelyire0
Házi feladat elkészítése24
Kijelölt írásos tananyag elsajátítása0
Vizsgafelkészülés30
Összesen120
15. A tantárgy tematikáját kidolgozta
 Név:Beosztás: Tanszék, intézet: 
 dr. Simon Gyula docens Pannon Egyetem, Rendszer- és Számítástudományi Tanszék
 dr. Vidács Attila  docens BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék (TMIT)
 Dr. Kolumbán Géza egyetemi tanár MIT
 dr. Sujbert László docens MIT
Egyéb megjegyzések A tantárgy neve angolul: Sensor networks