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The Apple ][ computer was one of the frst three completely assembled systems on the market. It was sold several million times from april 1977 to 1993. This 8 bit home computer was developed by Steve Wozniak and Steve Jobs. They paved the way for the Apple Macintosh computer and the nowadays well known brand Apple with its products.
This thesis describes the implementation of a software emulator for the complete Apple ][ computer system on a single Atmel AVR microcontroller unit (MCU). The greatest challenge consists of the fact that the MCU has only a slightly higher clock speed as the Apple ][. This requires an efcient emulation of the CPU and the memory management, which will be covered later on along with the runtime environment controlling the emulator. Furthermore the hardware implementation into a handheld prototype will be shown.
In summary this thesis presents a successful development of a portable Apple ][ emulator covering all aspects from software design over hardware design ending up in a prototype.
In dieser Arbeit wird untersucht, ob man einen Hardwareprototyp für Adhoc Netze auf Basis von Arduino erstellen kann, der für die Gewässerüberwachung geeignet ist. Ziel der Prototypentwicklung ist einen Sensorknoten mit modularem Aufbau zu entwickeln, der die Möglichkeit bietet Komponenten leicht auszutauschen. Zusätzlich sind bei diesem Einsatzgebiet einige Anforderungen an den Sensorknoten gestellt, die erfüllt werden müssen. Diese Anforderungen leiten sich von dem Tmote Sky Sensorknoten ab, somit soll der hier neu erstellte Sensorknoten eine Alternative zu diesem darstellen und alle seine Funktionen erfüllen. Dazu werden in dieser Arbeit verschiede erhältliche Arduino Mikrokontroller Versionen auf ihre Tauglichkeit zu einem Sensorknoten überprüft. In der weiteren Arbeit wird der Aufbau der Prototypen dokumentiert. Hierbei werden die verwendete Hardware und ihre Kosten veranschaulicht. Der Folgende erstelle Prototyp ermöglicht es, durch leicht austauschbare Funkmodule, Daten über die drei Funkfrequenzen von 433 MHz, 866 MHz und 2,40 GHz zu verschicken. Zum Abschluss der Arbeit wird der Prototyp einem Experiment unterzogen, die seine Tauglichkeit zur Gewässerüberwachung auf die Probe stellen. Dazu wurden Messungen auf Boden und auf dem Wasser durchgeführt und ausgewertet. Am Ende konnte der Prototyp fast alle gestellten Anforderungen erfüllen, nur die Kosten waren etwas zu hoch.
Eine systematische Literaturstudie zu beaconless Algorithmen für drahtlose Ad-hoc- und Sensornetze
(2014)
Drahtlose Sensornetzwerke (DSN) sind Rechnernetze von Sensorknoten. In positionsbasierten Protokollen senden solche Knoten ihre Positionsdaten periodisch als Nachrichten (Beacon) über Funk an umliegende Knoten. Beacons bringen jedoch Nachteile mit sich, die sog. "beaconless" Algorithmen zu lösen versuchen. Diese Algorithmen benutzen keine Beacons, sollen aber die gleichen Einsatzgebiete abdecken wie ihre Beacon-behafteten Gegenstücke. Trotz ihrer Wichtigkeit im Forschungsgebiet der Rechnernetze sind beaconless Verfahren nach unserem derzeitigen Kenntnisstand noch nicht systematisch untersucht worden.
Ziel dieser Arbeit ist eine möglichst umfassende und systematische Übersicht von beaconless Algorithmen seit der Jahrtausendwende. Relevante Artikel werden anhand ihrer Gemeinsamkeiten kategorisiert und ihre Unterschiede werden gegenübergestellt. Diese Arbeit dient somit als Nachschlagewerk zum aktuellen Forschungsstand von beaconless Algorithmen sowie als Basis zum Aufdecken von Forschungslücken.
Skalierbarkeit und garantierte Ausliererung sind essentielle Eigenschaften eines jeden Routingalgorithmus. Beides bietet bei drahtlosen Ad-hoc Netzwerken die Kombination aus Greedy- und Face- Routing, sofern ein planarer Graph zur Verfügung steht. Doch gerade die fehlerfreie Planarisierung bereitet bei realistischen Netzwerken Schwierigkeiten. Daher soll mit dieser Arbeit die Frage beantwortet werden, zu welcher Fehlerrate es führt, wenn der Graph lediglich mit lokalen Methoden teilplanarisiert wird. Dazu wurde eine Simulationsumgebung geschaffen, um unter Anwendung des Log-Normal-Shadowing-Modells zufällige Konnektivitätsgraphen zu generieren. Diese wurden anschließend durch zwei unterschiedliche, lokale Strategien teilplanarisiert. Es wurden neun verschiedene Settings definiert, die sich aus drei unterschiedlichen Graphendichten und drei unterschiedlichen Werten für den Sigmaparameter des Log-Normal-Shadowing-Modells ergeben. Für jedes Setting wurde in 2000 Simulationsdurchläufen das Verhalten von Greedy-, Face- und kombiniertem Greedy-Face-Routing untersucht und ausgewertet. Zum Abschluss wurden die Ergebnisse dieser Simulation bewertet und diskutiert.
Die folgende Arbeit zeigt eine Möglichkeit auf, Lokalisierung eines Objektes mittels Ultraschall zu realisieren. Dazu werden drei bis fünf im Raum verteilte Sensoren genutzt, um anhand von Distanzinformationen die Position eines Objekts relativ zu den Positionen der Sensoren zu bestimmen. Eine Besonderheit besteht dabei darin, dass die Sensoren nahezu beliebig in der Ebene verteilt sein können. Ihre Anordnung wird vom System in der Kalibrierungsphase mit Unterstützung des Anwenders ermittelt. Dabei dürften ein gleichseitiges Dreieck, ein Quadrat oder Pentagramm je nach Sensoranzahl die besten Ergebnisse liefern. Um die relative Bewegung in eine Absolute zu übertragen, findet eine Umrechnung in Meter anhand der Taktung der Mikrocontroller, des Prescalers des verwendeten Timers und der Schallgeschwindigkeit statt.
Die voranschreitende Vernetzung von Fahrzeugen wird einen erheblichen Einfluss auf die Mobilitätslösungen von Morgen haben. Solche Systeme werden stark auf den zeitnahen Austausch von Informationen angewiesen sein, um die funktionale Zuverlässigkeit, Sicherheit von Fahrfunktionen und somit den Schutz von Insassen zu gewährleisten. Allerdings zeigt sich bei näherer Betrachtung der verwendeten Kommunikationsmodelle heutiger Netzwerke, wie beispielsweise dem Internet, dass diese Modelle einem host-zentrierten Prinzip folgen. Dieses Prinzip stellt das Management von Netzwerken mit einem hohen Grad an mobilen Teilnehmern vor große Herausforderungen hinsichtlich der effizienten Verteilung von Informationen. In den vergangen Jahren hat sich das Information-Centric Networking (ICN) Paradigma als vielversprechender Kandidat für zukünftige datenorientierte mobile Netzwerke empfohlen. Basierend auf einem lose gekoppelten Kommunikationsmodell unterstzützt ICN Funktionen wie das Speichern und Verarbeiten von Daten direkt auf der Netzwerkschicht. Insbesondere das aktive, gezielte Platzieren von Daten nahe der Benutzer stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Erhöhung der Datenbereitstellung in mobilen Netzen dar. Die vorliegende Arbeit legt den Fokus auf die Erforschung von Strategien zum orchestrieren und aktiven Platzieren von Daten für Fahrzeuganwendungen im Netzwerk für mobile Teilnehmer. Im Rahmen einer Analyse unterschiedlicher Fahrzeugapplikationen und deren Anforderungen, werden neue Strategien für das aktive Platzieren vorgestellt. Unter Verwendung von Netzwerksimulationen werden diese Strategien umfangreich untersucht und in im Rahmen eines prototypischen Aufbaus unter realen Bedingungen ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen Verbesserungen in der zeitnahen Zustellung von Inhalten (die Verfügbarkeit spezifischer Daten wurde im Vergleich zu existierenden Strategien um bis zu 35% erhöht), während die Auslieferungszeiten verkürzt wurden. Allerdings bedingt das aktive Platzieren und Speichern von Daten auch Risiken der Datensicherheit und Privatsphäre. Auf der Basis einer Sicherheitsanalyse stellt der zweite Teil der Arbeit ein Konzept zur Zugriffskontrolle von gespeicherten Daten in verteilten Fahrzeugnetzwerken vor. Abschließend werden offene Problemstellungen und Forschungsrichtungen im Kontext Sicherheit von verteilten Berechnungsarchitekturen für vernetze Fahrzeugnetzwerke diskutiert.
Geographisches Cluster-basiertes Routing ist ein aktueller Ansatz, wenn es um das Entwicklen von effizienten Routingalgorithmen für drahtlose ad-hoc Netzwerke geht. Es gibt bereits eine Anzahl an Algorithmen, die Nachrichten nur auf Basis von Positionsinformationen durch ein drahtloses ad-hoc Netzwerk routen können. Darunter befinden sich sowohl Algorithmen, die auf das klassische Beaconing setzen, als auch Algorithmen, die beaconlos arbeiten (keine Informationen über die Umgebung werden benötigt, außer der eigenen Position und der Position des Ziels). Geographisches Routing mit Auslieferungsgarantie kann auch auf Overlay-Graphen durchgeführt werden. Bisher werden die dafür benötigten Overlay-Graphen nicht reaktiv konstruiert.
In dieser Arbeit wird ein reaktiver Algorithmus, der Beaconless Cluster Based Planarization Algorithmus (BCBP), für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen vorgestellt, der die benötigte Anzahl an Nachrichten für die Konstruktion eines planaren Overlay-Graphen, und demzufolge auch Cluster-basiertes geographishes Routing, deutlich reduziert. Basierend auf einem Algorithmus für Cluster-basierte Planarisierung, konstruiert er beaconlos einen planaren Overlay-Graphen in einem unit disk graph (UDG). Ein UDG ist ein Modell für ein drahtloses Netzwerk, bei dem alle Teilnehmer den gleichen Senderadius haben.
Die Evaluierung des Algorithmus zeigt, dass er wesentlich effizienter ist als die Baecon-basierte Variante. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein weiterer beaconloser Algorithmus (Beaconless LLRAP (BLLRAP)), für\r\nden zwar die Planarität, aber nicht die Konnektivität nachgewiesen werden konnte.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Realisierung eines Schrittmo- tortreibers auf einem 8-Bit Mikrocontroller des Unternehmens Atmel. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der Entwicklung einer Stromregelung, welche neben den grundlegenden Betriebsmodi wie Voll- und Halbschritt auch den Mikroschritt ermöglicht. Hierfür wird mithilfe physikalischer und regelungs- technischer Grundlagen ein PI-Regler hergeleitet, welcher auf dem Mikro- controller implementiert wird. In diesem Zusammenhang wird auf die erfor- derlichen Kenntnisse für die praktische Umsetzung eingegangen. Zusätzlich wird die Entwicklung der Hardware dokumentiert, welche für die benötigte Strommessung von großer Bedeutung ist.
Reaktiv lokale Algorithmen sind verteilte Algorithmen, die den Anforderungen großer, batteriebetriebener, Drahtloser Ad Hoc und Sensornetzwerke im besonderen Maße gerecht werden. Durch Vermeidung überflüssiger Nachrichtenübertragungen sowie Verzicht auf proaktive Ermittlung von Nachbarschaftstabellen (d.h. beaconing) minimieren solche Algorithmen den Kommunikationsaufwand und skalieren gut bei wachsender Netzgröße. Auf diese Weise werden Ressourcen wie Bandbreite und Energie geschont, es kommt seltener zu Nachrichtenkollisionen und dadurch zu einer Erhöhung der Paketempfangsrate, sowie einer Reduktion der Latenzen.
Derzeit wird diese Algorithmenklasse hauptsächlich für Geografisches Routing, sowie zur Topologiekontrolle, insbesondere zur Ermittlung der Adjazenzliste eines Knotens in zusammenhängenden, kantenschnittfreien (planaren) Repräsentationen des Netzgraphen, eingesetzt. Ersteres ermöglicht drahtlose multi-hop Kommunikation auf Grundlage von geografischen Knotenpositionen ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Netzwerkinfrastruktur, wohingegen Letzteres eine hinreichende Grundlage für effiziente, lokale Lösungen einer Reihe algorithmischer Problemstellungen ist.
Die vorliegende Dissertation liefert neue Erkenntnisse zum Forschungsgebiet der reaktiven Algorithmen, zum Einen auf einer abstrakten Ebene und zum Anderen durch die Einführung neuer Algorithmen.
Erstens betrachtet diese Arbeit reaktive Algorithmen erstmalig im Ganzen und als eigenständiges Forschungsfeld. Es wird eine umfangreiche Literaturstudie zu dieser Thematik präsentiert, welche die aus der Literatur bekannten Algorithmen, Techniken und Anwendungsfelder systematisch auflistet, klassifiziert und einordnet. Weiterhin wird das mathematische Konzept der O- und Omega-reaktiv lokalen Topologiekontrolle eingeführt. Dieses Konzept ermöglicht erstmals die eindeutige Unterscheidung reaktiver von konventionellen, beacon-basierten, verteilten Topologiekontrollalgorithmen. Darüber hinaus dient es als Klassifikationsschema für existierende, sowie zukünftige Algorithmen dieser Art. Zu guter Letzt ermöglicht dieses Konzept grundlegende Aussagen über die Mächtigkeit des reaktiven Prinzips, welche über Entwurf und Analyse von Algorithmen hinaus reichen.
Zweitens werden in dieser Arbeit neue reaktiv lokale Algorithmen zur Topologiekontrolle und Geografischem Routing eingeführt, wobei drahtlose Netze durch Unit Disk bzw. Quasi Unit Disk Graphen modelliert werden. Diese Algorithmen berechnen für einen gegebenen Knoten die lokale Sicht auf zusammenhängende, planare, Euklidische bzw. Topologische Spanner mit konstanter Spannrate bzgl. des Netzgraphen und routen Nachrichten reaktiv entlang der Kanten dieser Spanner, wobei die Nachrichtenauslieferung garantiert wird. Alle bisher bekannten Verfahren sind entweder nicht reaktiv oder gewährleisten keine konstanten Euklidischen oder Topologischen Spannraten. Ein wesentliches Teilergebnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass die partielle Delaunay Triangulierung (PDT) ein Euklidischer Spanner mit konstanter Spannrate für Unit Disk Graphen ist.
Die in dieser Dissertation gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für grundlegende und strukturierte Forschung auf diesem Gebiet und zeigen, dass das reaktive Prinzip ein wichtiges Werkzeug des Algorithmenentwurfs für Drahtlose Ad Hoc und Sensornetzwerke ist.