Radar, RFID and Wireless Sensor Systems (RWS) - Exam

Aufgabe 1)

Ein Radarsystem verwendet Hochfrequenzsignale zur Erkennung und Entfernungsmessung von Objekten. Wesentliche Komponenten eines Radarsystems umfassen die Sendeantenne, die Empfangsantenne und die Signalverarbeitungseinheit. Radarsysteme nutzen den Dopplereffekt zur Geschwindigkeitsmessung und können in verschiedenen Architekturen wie Pulsradar, CW-Radar und FMCW-Radar implementiert werden. Die Systeme arbeiten in unterschiedlichen Frequenzbändern wie L-Band, S-Band und X-Band und werden in verschiedenen Anwendungen wie Verkehrsüberwachung, Wettervorhersage und Navigation eingesetzt. Eine grundlegende Beziehung für die Beschreibung der Radargeräte ist die Radargleichung:

a)

Erkläre das Funktionsprinzip eines Pulsradars und beschreibe dessen typische Anwendungen. Wie unterscheidet sich dieses von einem CW-Radar?

Lösung:

Funktionsprinzip eines Pulsradars

• Ein Pulsradar sendet kurze, leistungsstarke Hochfrequenzimpulse in Richtung eines Ziels.
• Zwischen den ausgesendeten Impulsen legt das Pulsradar Sendepause ein, in der es kein Signal sendet.
• Während dieser Sendepause horcht das Radar auf die zurückkehrenden Echosignale, die vom Ziel reflektiert werden.
• Durch Messung der Zeit, die zwischen der Aussendung des Impulses und dem Empfang des Echos verstrichen ist, kann die Entfernung des Ziels berechnet werden. Diese Zeit ist proportional zur zurückgelegten Entfernung.

Die Entfernung wird durch die folgende Beziehung beschrieben:

\[ R = \frac{{c \cdot t}}{{2}} \]

Hierbei ist:

• R: die Entfernung zum Ziel
• c: die Lichtgeschwindigkeit
• t: die gemessene Zeit zwischen Aussendung und Empfang des Impulses

Typische Anwendungen eines Pulsradars

• Flugverkehrskontrolle: Zur Überwachung und Steuerung von Flugzeugen in der Luft und bei der Landung.
• Militärische Anwendungen: Zur Erkennung und Verfolgung von feindlichen Flugzeugen, Schiffen und Raketen.
• Wetterradar: Zur Erfassung von Niederschlagsgebieten und zur Bestimmung der Intensität und Bewegung von Stürmen.

Unterschiede zwischen Pulsradar und CW-Radar

• Ein Continuous Wave (CW)-Radar verwendet kontinuierlich ausgesendete Hochfrequenzsignale anstelle von Pulsen.
• Ein CW-Radar kann die Entfernung nicht direkt messen, da es keine Sendepausen für die Messung der Laufzeit eines Impulses hat. Stattdessen verwendet es die Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt zur Geschwindigkeitsmessung.
• Pulsradar eignet sich besser für die Entfernungsmessung und die Erkennung von feststehenden Objekten, während CW-Radar vorzugsweise für die Geschwindigkeitsmessung von sich bewegenden Objekten verwendet wird.
• Ein weiterer Nachteil des CW-Radars ist die Unfähigkeit, zwischen verschiedenen Zielen zu unterscheiden, die sich in der gleichen Richtung aber in unterschiedlicher Entfernung befinden.

b)

Ein Radarsystem arbeitet im X-Band (Frequenzbereich 8-12 GHz) und verwendet eine Sendeleistung P_t von 1 kW, eine Sendeantennengewinn G_t von 30 dB, und eine Empfangsantennengewinn G_r von 30 dB. Die effektive Querschnittsfläche σ beträgt 1 m^2 , und die Entfernung zum Ziel beträgt 10 km . Berechne die empfangene Leistung P_r unter Verwendung der Radargleichung. Beachte, dass λ die Wellenlänge des Signals ist.

Lösung:

Berechnung der Empfangsleistung P_r unter Verwendung der Radargleichung

• Die Radargleichung lautet:

\[ P_r = \frac{P_t \, G_t \, G_r \, \left( \frac{\lambda}{4 \, \pi} \right)^2 \, \sigma}{R^4} \]

Hierbei ist:

• P_t: Sendeleistung
• G_t: Gewinn der Sendeantenne
• G_r: Gewinn der Empfangsantenne
• λ: Wellenlänge des Signals
• σ: Effektive Querschnittsfläche des Ziels
• R: Entfernung zum Ziel

Die Wellenlänge λ wird durch die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz f berechnet:

\[ \lambda = \frac{c}{f} \]

wobei c = 3 \times 10^8 \, \text{m/s}

Im X-Band (Frequenzbereich 8-12 GHz) verwenden wir den Durchschnittswert:

\[ f = 10 \times 10^9 \, \text{Hz}\]

Damit ist die Wellenlänge:

\[ \lambda = \frac{3 \times 10^8 \, \text{m/s}}{10 \times 10^9 \, \text{Hz}} = 3 \times 10^{-2} \, \text{m} = 0,03 \, \text{m}\]

Nun setzen wir die Werte in die Radargleichung ein. Zu beachten ist, dass die Antennengewinne in dB angegeben sind und umgerechnet werden müssen:

• \[ G_t \, (dB) = 30 \, \text{dB} \, \rightarrow \, G_t \, (linear) = 10^{30/10} = 10^3 = 1000\]
• \[ G_r \, (dB) = 30 \, \text{dB} \, \rightarrow \, G_r \, (linear) = 10^{30/10} = 10^3 = 1000\]

Sendeleistung:

• \[ P_t = 1 \, \text{kW} = 1000 \, \text{W}\]

Entfernung:

• \[ R = 10 \, \text{km} = 10,000 \, \text{m}\]

Effektive Querschnittsfläche:

• \[ \sigma = 1 \, \text{m}^2\]

Einsetzen in die Radargleichung:

\[ P_r = \frac{1000 \, \text{W} \times 1000 \times 1000 \times \left( \frac{0,03 \, \text{m}}{4 \times \pi} \right)^2 \times 1 \, \text{m}^2}{(10,000 \, \text{m})^4} \]

Berechnung einzelner Faktoren:

• \[ \left( \frac{0,03}{4 \pi} \right)^2 = \left( \frac{0,03}{12,56} \right)^2 = \left(0,00239\right)^2 = 5.7 \times 10^{-6} \]
• \[ (10,000 \, \text{m})^4 = 10^{16} \, \text{m}^4 \]

Jetzt setzen wir den berechneten Wert ein:

\[ P_r = \frac{1000 \times 1000 \times 1000 \times 5.7 \times 10^{-6}}{10^{16}} \]

\[ P_r = \frac{5.7 \times 10^3}{10^{16}} \]

\[ P_r = 5.7 \times 10^{-13} \, \text{W} \]

Die empfangene Leistung beträgt

• P_r = 5.7 \times 10^{-13} \, \text{W}

c)

Beschreibe, wie der Dopplereffekt in Radarsystemen verwendet wird, um die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zu messen. Welche Besonderheiten gibt es bei der Implementierung in CW- und FMCW-Radarsystemen?

Lösung:

Verwendung des Dopplereffekts in Radarsystemen zur Geschwindigkeitsmessung

• Der Dopplereffekt beschreibt die Veränderung der Frequenz oder Wellenlänge einer Welle, wenn die Quelle der Welle sich relativ zum Beobachter bewegt.
• In Radarsystemen nutzt man dieses Phänomen, um die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zu messen.
• Wenn sich das Objekt auf das Radar zubewegt, erhöht sich die Frequenz des zurückgesendeten Signals. Wenn sich das Objekt vom Radar entfernt, verringert sich die Frequenz des zurückgesendeten Signals.
• Die Frequenzverschiebung \( \Delta f \) ist proportional zur relativen Geschwindigkeit \( v \) zwischen dem Radar und dem Objekt und wird durch die Dopplergleichung beschrieben:

\[ \Delta f = \frac{2 \, v \, f_0}{c} \]

Hierbei ist:

• \( \Delta f \): Frequenzverschiebung
• \( v \): Geschwindigkeit des Objekts relativ zum Radar
• \( f_0 \): Originalfrequenz des ausgesendeten Signals
• \( c \): Lichtgeschwindigkeit

Besonderheiten bei der Implementierung in CW-Radar und FMCW-Radarsystemen

• CW-Radar (Continuous Wave Radar):
  • Ein CW-Radar sendet ein kontinuierliches Signal aus, ohne Unterbrechung.
  • Es analysiert die Frequenzverschiebung des zurückkommenden Signals, um die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zu bestimmen.
  • CW-Radare sind ausgezeichnet für die Geschwindigkeitsmessung geeignet, aber sie können die Entfernung zu einem Objekt nicht direkt messen.
  • Ein Nachteil von CW-Radaren ist, dass sie nicht zwischen verschiedenen Zielen unterscheiden können, die sich in derselben Richtung, aber in unterschiedlicher Entfernung befinden.
• FMCW-Radar (Frequency-Modulated Continuous Wave Radar):
  • Ein FMCW-Radar sendet ein kontinuierliches Signal aus, dessen Frequenz über die Zeit linear moduliert wird.
  • Dies führt zu einer frequenzabhängigen Verzögerung des zurückkommenden Signals, die verwendet werden kann, um sowohl die Entfernung als auch die Geschwindigkeit von Objekten zu bestimmen.
  • FMCW-Radare können somit gleichzeitig die Entfernung und die Geschwindigkeit von Objekten messen.
  • Diese Radare sind komplexer als einfache CW-Radare, bieten jedoch umfassendere Informationen über die überwachten Objekte.

Zusammengefasst verwenden beide Radartechnologien den Dopplereffekt zur Geschwindigkeitsmessung, wobei FMCW-Radare zusätzlich zur Geschwindigkeitsmessung auch die Entfernung zum Objekt bestimmen können.

d)

Diskutiere die Vor- und Nachteile der Verwendung verschiedener Frequenzbänder (L-Band, S-Band, X-Band) in Radarsystemen. Welche Bandwürden Du für die Verkehrsüberwachung in städtischen Gebieten empfehlen und warum?

Lösung:

Vor- und Nachteile der Verwendung verschiedener Frequenzbänder in Radarsystemen

• L-Band (1-2 GHz):
  • Vorteile:
    • Geringe Dämpfung durch Atmosphäre, Nebel und Regen, wodurch das Signal über große Entfernungen stabil bleibt.
    • Gute Durchdringungsfähigkeit durch Vegetation und Gebäude.
    • Niedrige Frequenz ermöglicht größere Antennen, die für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein können.
  • Nachteile:
    • Geringere Auflösung aufgrund der längeren Wellenlängen.
    • Größere Antennen erforderlich, was im städtischen Raum unpraktisch sein kann.
• S-Band (2-4 GHz):
  • Vorteile:
    • Bessere Auflösung als L-Band.
    • Relativ niedrige Dämpfung durch Regen und Nebel.
    • Moderate Größe der Antennen, die für viele Anwendungen geeignet sind.
  • Nachteile:
    • Kann in städtischen Gebieten durch andere Kommunikationsfrequenzen gestört werden.
• X-Band (8-12 GHz):
  • Vorteile:
    • Sehr hohe Auflösung durch kurze Wellenlängen.
    • Kleinere Antennen möglich, was in städtischen Gebieten von Vorteil sein kann.
    • Wird oft in hochpräzisen Anwendungen wie Verkehrskontrolle und militärischer Überwachung genutzt.
  • Nachteile:
    • Höhere Dämpfung durch Atmosphäre, Regen und Nebel.
    • Kürzere Reichweite im Vergleich zu L- und S-Band.

Empfehlung für die Verkehrsüberwachung in städtischen Gebieten

• Für die Verkehrsüberwachung in städtischen Gebieten würde ich das X-Band empfehlen.
• Die Hauptgründe sind:
• Hohe Auflösung: Die kurze Wellenlänge des X-Bands ermöglicht eine sehr gute Auflösung, die für die präzise Erkennung und Überwachung von Fahrzeugbewegungen in dichten städtischen Gebieten notwendig ist.
• Kompakte Antennen: Kleinere Antennen sind in städtischen Umgebungen einfacher zu installieren und ästhetisch unauffälliger.
• Obwohl das X-Band eine höhere Dämpfung aufweist, ist dies in städtischen Gebieten weniger problematisch, da die Radargeräte relativ nahe an den zu überwachenden Bereichen platziert werden können.

Aufgabe 2)

RFID-Tag-Typen und -KategorienVerschiedene Arten von RFID-Tags, die nach ihrer Betriebsweise und Frequenzkategorie klassifiziert werden.

• Aktive Tags: Besitzen eigene Energiequelle, größerer Bereich
• Passive Tags: Werden durch das Lesegerät mit Energie versorgt, kürzerer Bereich
• Semi-passive Tags: Haben Batterie für Sensoren, Kommunikation wie passive Tags
• LF (Low Frequency, 30 kHz – 300 kHz): Kurze Reichweite, robust gegenüber Umwelteinflüssen
• HF (High Frequency, 3 MHz – 30 MHz): Mittlere Reichweite, oft in Zugangskontrollen
• UHF (Ultra High Frequency, 300 MHz – 3 GHz): Längste Reichweite, hohe Datentransferrate
• Microwave (2.4 GHz und höher): Sehr hohe Datenrate, empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen

a)

Erkläre den Hauptunterschied zwischen aktiven, passiven und semi-passiven RFID-Tags, und nenne jeweils zwei konkrete Anwendungsszenarien für jeden Tag-Typen.

Lösung:

Unterschiede zwischen aktiven, passiven und semi-passiven RFID-Tags

• Hauptunterschied: Aktive Tags besitzen eine eigene Energiequelle, z.B. eine Batterie. Dadurch haben sie einen größeren Lesebereich und können Signale über längere Distanzen senden.
• Anwendungsszenarien:
  • Fahrzeug-Tracking in großen Lagerhallen oder Häfen
  • Monitoring von Containern auf interkontinentalen Transportwegen

• Hauptunterschied: Passive Tags erhalten ihre Energie vom Lesegerät, das elektromagnetische Wellen aussendet. Sie haben eine kürzere Reichweite als aktive Tags.
• Anwendungsszenarien:
  • Inventarverwaltung im Einzelhandel
  • Zugangskontrollen in Gebäuden und Einrichtungen

• Hauptunterschied: Semi-passive Tags haben eine Batterie, die jedoch nur die Sensoren und nicht die Kommunikation versorgt. Die Kommunikation erfolgt, wie bei passiven Tags, durch die Energie des Lesegerätes.
• Anwendungsszenarien:
  • Feuchtigkeits- und Temperatursensoren in Versorgungsketten für temperaturempfindliche Güter
  • Tracking von wertvollen Materialien und Waren in Lagereinrichtungen

c)

Diskutiere die Vor- und Nachteile von LF-, HF- und UHF-RFID-Tags in Bezug auf Reichweite, Datenrate und Umweltanforderungen. Welche Tag-Frequenzkategorie würdest du für den Einsatz in einem Lagerhaus vorschlagen und warum?

Lösung:

Vor- und Nachteile von LF-, HF- und UHF-RFID-Tags

• Reichweite: Sehr kurze Reichweite, meist nur wenige Zentimeter bis maximal ein Meter.
• Datenrate: Niedrige Datenrate.
• Umweltanforderungen: Sehr robust gegenüber metallischen Umgebungen und Flüssigkeiten. Funktioniert gut unter schwierigen Umweltbedingungen.
• Vorteile:
  • Gute Leistung in Umgebungen mit hoher Metall- oder Flüssigkeithäufigkeit.
  • Kostengünstig.
• Nachteile:
  • Sehr kurze Lesereichweite.
  • Langsame Datenübertragungsrate.

• Reichweite: Mittlere Reichweite, typischerweise bis zu einem Meter.
• Datenrate: Moderate Datenrate.
• Umweltanforderungen: Funktioniert gut in nicht-metallischen Umgebungen. Sensibler gegenüber metallischen Materialien und Flüssigkeiten als LF-Tags.
• Vorteile:
  • Gut geeignet für Anwendungen wie Zugangskontrollen und kontaktlose Zahlungssysteme.
  • Moderate Leseraten und Datenübertragungsraten.
• Nachteile:
  • Weniger robust in Umgebungen mit viel Metall oder Flüssigkeiten.
  • Mittlere Reichweite kann in einigen Anwendungen begrenzend sein.

• Reichweite: Längste Reichweite, bis zu 10 Meter oder mehr.
• Datenrate: Höchste Datenübertragungsrate unter den drei Frequenzkategorien.
• Umweltanforderungen: Am empfindlichsten gegenüber metallischen Objekten und Flüssigkeiten. Allerdings gibt es spezielle UHF-Tags, die für diese Umgebungen optimiert sind.
• Vorteile:
  • Lange Lesereichweite.
  • Hohe Datentransferrate, geeignet für Anwendungen, die eine schnelle und große Datenübertragung erfordern.
• Nachteile:
  • Empfindlich gegenüber metallischen und flüssigen Umgebungen.
  • Kosten höher als bei LF- und HF-Tags.

Empfehlung für den Einsatz in einem Lagerhaus:

• Für den Einsatz in einem Lagerhaus würde ich UHF-RFID-Tags empfehlen. Die lange Reichweite von bis zu 10 Metern eignet sich ideal für die Inventarverwaltung und das Tracking von Waren auf großen Flächen ohne den Bedarf an vielen Lesegeräten. Zudem ermöglicht die hohe Datenrate schnelle und effiziente Prozesse, was insbesondere in einem geschäftigen Lagerhaus von Vorteil ist. Obwohl UHF-Tags empfindlicher gegenüber metallischen und feuchten Umgebungen sind, gibt es spezialisierte UHF-Tags, die für solche Bedingungen entwickelt wurden. Diese spezialisierte Tags können die Robustheit auch in schwierigen Umgebungen sicherstellen.

d)

Vergleiche die Anwendungsmöglichkeiten und Einschränkungen von RFID-Tags im Microwave-Bereich (2.4 GHz und höher) mit jenen im LF-Bereich (30 kHz – 300 kHz). Berücksichtige dabei Faktoren wie Reichweite, Datenübertragungsrate und Umwelteinflüsse.

Lösung:

Vergleich der Anwendungsmöglichkeiten und Einschränkungen von RFID-Tags im Microwave-Bereich und LF-Bereich

• Reichweite: Microwave-RFID-Tags haben eine längere Reichweite, typischerweise bis zu mehreren Metern.
• Datenübertragungsrate: Sehr hohe Datenübertragungsrate. Sie sind in der Lage, große Datenmengen in kurzer Zeit zu übertragen.
• Umwelteinflüsse: Sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere metallischen Materialien und Flüssigkeiten. Mikrowellenfrequenzen können leicht durch solche Materialien blockiert oder gestört werden.
• Anwendungsmöglichkeiten:
  • Einsatz in Bereichen, wo hohe Datenraten benötigt werden, wie z.B. bei der industriellen Automatisierung.
  • Nützlich für Anwendungen, die eine schnelle Kommunikation erfordern, wie z.B. in kontaktlosen Zahlungssystemen.
• Einschränkungen:
  • Empfindlich gegenüber Störungen durch Metall und Flüssigkeiten.
  • Höhere Kosten im Vergleich zu LF-RFID-Tags.
  • Benötigen sorgfältige Planung und Installation, um Störungen und Signalverluste zu minimieren.

• Reichweite: Sehr kurze Reichweite, meist nur wenige Zentimeter bis maximal ein Meter.
• Datenübertragungsrate: Niedrige Datenübertragungsrate im Vergleich zu Microwave-RFID-Tags.
• Umwelteinflüsse: Sehr robust gegenüber Umwelteinflüssen. LF-Signale sind weniger anfällig für Störungen durch metallische Materialien und Flüssigkeiten.
• Anwendungsmöglichkeiten:
  • Ideal für Anwendungen, die eine hohe Robustheit und Zuverlässigkeit in schwierigen Umgebungen erfordern, wie z.B. in Tierverfolgungssystemen und Zugangskontrollen.
  • Geeignet für Anwendungen, die nur eine kurze Reichweite benötigen, wie z.B. die Inventarverwaltung in Lagerräumen.
• Einschränkungen:
  • Sehr kurze Reichweite, was den Einsatzbereich einschränkt.
  • Niedrige Datenübertragungsraten, was sie für Anwendungen mit hohen Datenanforderungen weniger geeignet macht.

Zusammenfassung:

• RFID-Tags im Microwave-Bereich bieten eine größere Reichweite und höhere Datenübertragungsrate, sind jedoch empfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen und teurer. Sie eignen sich für Anwendungen, die schnelle Kommunikation und große Datenmengen erfordern.
• RFID-Tags im LF-Bereich bieten kürzere Reichweite und niedrigere Datenraten, sind jedoch robuster und kostengünstiger. Sie eignen sich gut für Anwendungen in schwierigen Umgebungen, wo Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wichtig sind.

Aufgabe 3)

Antikollisionsverfahren bei RFID sind entscheidend, um sicherzustellen, dass Signale mehrerer RFID-Tags im Lesebereich eines Readers nicht miteinander interferieren. Es gibt verschiedene Methoden zur Vermeidung von Kollisionen, darunter:

• FDM (Frequency Division Multiplexing): Verwendet verschiedene Frequenzen für verschiedene Tags.
• TDM (Time Division Multiplexing): Tags senden zu verschiedenen Zeiten.
• Code Division Multiple Access (CDMA): Tags haben unterschiedliche Codes.
• ALOHA: Zufälliges Senden und erneutes Senden bei Kollision.
• Schlitz-ALOHA: Zeit wird in Slots unterteilt. Tags senden in zufälligen Slots.
• Baumverfahren: Hierarchische Identifikation der Tags.

a)

1. Erkläre das Prinzip von FDM (Frequency Division Multiplexing) und wie es dazu genutzt wird, Kollisionen bei RFID-Systemen zu vermeiden. Diskutiere dabei die Vor- und Nachteile dieser Methode in Bezug auf Effizienz und Implementierung.

Lösung:

1. Erkläre das Prinzip von FDM (Frequency Division Multiplexing) und wie es dazu genutzt wird, Kollisionen bei RFID-Systemen zu vermeiden.

FDM (Frequency Division Multiplexing) ist ein Antikollisionsverfahren, bei dem verschiedenen RFID-Tags unterschiedliche Frequenzen zugewiesen werden. Durch die Nutzung verschiedener Frequenzen zur Kommunikation können sich die Signale der einzelnen Tags nicht gegenseitig stören. Dies vermeidet Kollisionen, die auftreten, wenn mehrere Tags gleichzeitig auf der gleichen Frequenz senden.

Funktionsweise von FDM in RFID-Systemen:

• Jedem RFID-Tag wird eine eindeutige Frequenz zugewiesen, auf der es mit dem Reader kommuniziert.
• Der RFID-Reader kann mehrere Frequenzen gleichzeitig oder nacheinander überwachen und die Signale der Tags empfangen, ohne dass diese interferieren.
• Durch die klare Zuordnung der Frequenzen wird sichergestellt, dass die Kommunikation zwischen Reader und Tag störungsfrei bleibt.

Vorteile von FDM:

• Keine Kollisionen: Da jedem Tag eine eigene Frequenz zugewiesen ist, gibt es keine Signalüberlagerungen oder Kollisionen.
• Hohe Zuverlässigkeit: FDM bietet eine stabile und zuverlässige Kommunikation, da Interferenzen vermieden werden.

Nachteile von FDM:

• Hoher Frequenzbedarf: Da jedem Tag eine eigene Frequenz zugewiesen wird, benötigt FDM eine große Bandbreite und viele verfügbare Frequenzen.
• Komplexe Implementierung: Die Verwaltung und Zuordnung der Frequenzen kann komplex und teuer sein, insbesondere in Umgebungen mit vielen Tags.
• Skalierbarkeit: Bei einer großen Anzahl von Tags kann es schwierig sein, genügend Frequenzen zur Verfügung zu stellen. Dies kann die Skalierbarkeit des Systems einschränken.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass FDM eine effektive Methode zur Vermeidung von Kollisionen in RFID-Systemen ist, jedoch Herausforderungen in Bezug auf Frequenzbedarf und Implementierung mit sich bringt.

b)

2. Bei der Verwendung von TDM (Time Division Multiplexing) kann es zu unterschiedlichen Verzögerungen kommen, bis ein Tag erfolgreich gelesen wird. Berechne die maximale Verzögerung, wenn 10 Tags im Lesebereich eines Readers vorhanden sind, und die Lesedauer eines einzelnen Tags 1 ms beträgt.

Nimm an, dass die Tags in einem perfekten Zeitplan ohne zusätzliche Signalbearbeitung oder Fehlerrahmen gesendet werden.

Lösung:

2. Bei der Verwendung von TDM (Time Division Multiplexing) kann es zu unterschiedlichen Verzögerungen kommen, bis ein Tag erfolgreich gelesen wird. Berechne die maximale Verzögerung, wenn 10 Tags im Lesebereich eines Readers vorhanden sind, und die Lesedauer eines einzelnen Tags 1 ms beträgt.

Nimm an, dass die Tags in einem perfekten Zeitplan ohne zusätzliche Signalbearbeitung oder Fehlerrahmen gesendet werden.

Lösung:

Zeitmultiplexverfahren (TDM) ordnet jedem RFID-Tag einen spezifischen Zeitabschnitt zu, in dem es gesendet werden darf. Die Tags senden also nacheinander zu verschiedenen Zeitpunkten.

Die maximale Verzögerung für einen Tag tritt auf, wenn er als letzter in der Reihenfolge der Übertragungen eingeplant ist. Das bedeutet, bevor dieser Tag senden kann, müssen alle anderen 9 Tags gesendet haben.

Die Berechnung erfolgt wie folgt:

• Es gibt insgesamt 10 Tags.
• Jeder Tag hat eine Lesedauer von 1 ms.
• Die maximale Verzögerung tritt bei dem letzten (10.) Tag auf, nachdem die ersten 9 Tags gesendet wurden.

Die maximale Verzögerung für den letzten Tag ist:

• Maximale Verzögerung = Anzahl der vorhergehenden Tags × Lesedauer pro Tag
• Maximale Verzögerung = (10 - 1) × 1 ms = 9 × 1 ms = 9 ms

Daher beträgt die maximale Verzögerung, bis der letzte Tag gelesen wird, 9 ms.

d)

4. Erkläre das Baumverfahren und vergleiche es mit ALOHA und CDMA. Welche Vor- und Nachteile ergeben sich für den praktischen Einsatz in einem geschäftigen RFID-Umfeld? Gehe insbesondere auf den Aspekt der Skalierbarkeit und Fehlertoleranz ein.

Lösung:

4. Erkläre das Baumverfahren und vergleiche es mit ALOHA und CDMA. Welche Vor- und Nachteile ergeben sich für den praktischen Einsatz in einem geschäftigen RFID-Umfeld? Gehe insbesondere auf den Aspekt der Skalierbarkeit und Fehlertoleranz ein.

Baumverfahren:

Das Baumverfahren, auch als Tree-Based oder Binary Tree-Algorithmus bekannt, ist eine Methode zur Antikollision in RFID-Systemen. Es zielt darauf ab, die Tags hierarchisch zu identifizieren, indem der Leser Anfragen in Form von bitweisen Verzweigungen sendet. Tags antworten nur auf Anfragen, die mit ihrer eigenen ID übereinstimmen, wodurch Kollisionsmöglichkeiten systematisch aufgelöst werden.

Funktionsweise des Baumverfahrens:

• Zu Beginn sendet der Reader eine allgemeine Anforderung an alle Tags im Bereich.
• Tags antworten und eine Kollision kann auftreten.
• Der Reader erkennt die Kollision und teilt die Tags in Gruppen auf, basierend auf dem ersten Bit (0 oder 1) ihrer IDs.
• Der Prozess wird rekursiv wiederholt, indem der Reader die Anfrage-Bits schrittweise verfeinert, bis keine Kollisionen mehr auftreten und alle Tags identifiziert wurden.

Vergleich mit ALOHA und CDMA:

• ALOHA:ALOHA ist ein einfaches Verfahren, bei dem Tags zufällig senden und bei einer Kollision nach einer zufälligen Zeit erneut senden.Vorteile: Einfach zu implementieren, kein komplizierter Algorithmus.Nachteile: Hohe Wahrscheinlichkeit von Kollisionen, ineffizient bei hohen Tag-Dichten.
• CDMA:Beim Code Division Multiple Access (CDMA) erhält jeder Tag einen eindeutigen Code. Tags senden gleichzeitig und der Reader kann die verschiedenen Codes entschlüsseln.Vorteile: Gute Skalierbarkeit, hohe Fehlertoleranz bei geringem Rauschen.Nachteile: Komplexe Implementierung, höherer Energieverbrauch und Rechenaufwand.

Baumverfahren:Vorteile:

• Systematische und effiziente Kollisionsauflösung.
• Geeignet für Umgebungen mit einer hohen Anzahl von Tags.

Nachteile:

• Komplexer als ALOHA, vor allem bei der Implementierung des Algorithmus.
• Kann ineffizient sein, falls die IDs der Tags ähnliche Präfixe haben, da dann viele Iterationen notwendig sind.

Skalierbarkeit:

Das Baumverfahren ist gut skalierbar, da es systematisch und unabhängig von der Anzahl der Tags arbeitet. CDMA skaliert ebenfalls gut, erfordert jedoch mehr Rechenleistung. ALOHA skaliert schlecht, da die Anzahl der Kollisionen mit der Anzahl der Tags zunimmt.

Fehlertoleranz:

CDMA bietet eine hohe Fehlertoleranz durch die Nutzung eindeutiger Codes. Das Baumverfahren kann Kollisionssituationen effizient bewältigen, hat jedoch Schwierigkeiten bei sehr großen Präfixähnlichkeiten. ALOHA bietet die geringste Fehlertoleranz, da es auf zufälliges Senden setzt.

In einem geschäftigen RFID-Umfeld kann somit das Baumverfahren oder CDMA je nach konkreter Anwendung und technischen Voraussetzungen gewählt werden, wobei das Baumverfahren durch seine systematische Herangehensweise überzeugt.

Aufgabe 4)

Du arbeitest an einem Sensornetzwerkprojekt, dessen Hauptziel darin besteht, die Lebensdauer des Netzwerks durch energieoptimierende Methoden zu maximieren. Dieses Netzwerk besteht aus mehreren Knoten, die verschiedene Umweltparameter messen und Daten entweder direkt oder über Zwischenknoten an eine zentrale Basisstation weiterleiten. Um den Energieverbrauch zu mindern, nutzt das Netzwerk Techniken wie Duty Cycling, Data Aggregation und Adaptive Sampling. Deine Aufgabe ist es nun, basierend auf diesen Methoden und einem Verständnis von Energieverbrauchsmodellen, spezifische Anforderungen und Berechnungen durchzuführen, um die Effizienz des Sensornetzwerks zu verbessern.

b)

Erkläre, wie die Data Aggregation-Technik zur Energieeinsparung in einem Sensornetzwerk beiträgt. Berücksichtige dabei ein Szenario, in dem 10 Sensorknoten jeweils 10 Datenpakete pro Tag an eine Basisstation senden. Berechne den Unterschied im Energieverbrauch, wenn Data Aggregation verwendet wird, sodass die Knoten ihre Daten zuerst an einen zentralen Knoten übertragen, der die Daten anschließend zusammengefasst weiterleitet. Angenommen, die Übertragung eines Datenpakets kostet 1 mJ Energie.

Lösung:

Die Technik der Data Aggregation hilft dabei, den Energieverbrauch in einem Sensornetzwerk zu senken, indem sie die Menge der zu übertragenden Daten reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass die Sensorknoten ihre Daten an einen zentralen Knoten senden, der diese Daten zu größeren Paketen zusammenfasst, bevor er sie an die Basisstation weiterleitet. So werden weniger kleine Datenpakete gesendet, was die Anzahl der notwendigen Übertragungen und damit den Energieverbrauch verringert.

1. Szenario ohne Data Aggregation:

• Es gibt 10 Sensorknoten.
• Jeder Sensorknoten sendet 10 Datenpakete pro Tag direkt an die Basisstation.
• Übertragungsenergie pro Datenpaket: 1 mJ

Der tägliche Energieverbrauch ohne Data Aggregation beträgt:

\( E_{\text{ohne Aggregation}} = \text{Anzahl der Knoten} \times \text{Datenpakete pro Knoten} \times \text{Energie pro Paket} \)

\( E_{\text{ohne Aggregation}} = 10 \times 10 \times 1 \text{ mJ} = 100 \text{ mJ} \)

2. Szenario mit Data Aggregation:

• Es gibt 10 Sensorknoten.
• Jeder Sensorknoten sendet 10 Datenpakete pro Tag an einen zentralen Knoten.
• Der zentrale Knoten fasst die Daten zusammen und sendet ein einziges Aggregationspaket an die Basisstation.
• Übertragungsenergie pro Datenpaket: 1 mJ

Der tägliche Energieverbrauch mit Data Aggregation beträgt:

\( E_{\text{mit Aggregation}} = \text{Anzahl der Knoten} \times \text{Datenpakete pro Knoten} \times \text{Energie pro Paket} + \text{1 Aggregationspaket} \)

\( E_{\text{mit Aggregation}} = 10 \times 10 \times 1 \text{ mJ} + 1 \times 1 \text{ mJ} = 100 \text{ mJ} + 1 \text{ mJ} = 101 \text{ mJ} \)

3. Berechnung der Energieeinsparung:

\( E_{\text{Einsparung}} = E_{\text{ohne Aggregation}} - E_{\text{mit Aggregation}} \)

\( E_{\text{Einsparung}} = 100 \text{ mJ} - 101 \text{ mJ} = -1 \text{ mJ} \)

In diesem speziellen Beispiel gibt es tatsächlich keine Energieeinsparung, sondern einen minimal höheren Energieverbrauch durch die zusätzliche Aggregationsoperation. Dies deutet darauf hin, dass der Energieverbrauch von Data Aggregation in konventionellen Anwendungen situationsabhängig ist. In Szenarien mit wesentlich mehr Datenpaketen oder höheren Übertragungsentfernungen kann Data Aggregation erheblich zur Energieeinsparung beitragen.

c)

Diskutiere die Anwendung von Adaptive Sampling in einem Sensornetzwerk zur weiteren Energieeinsparung. Beispiel: Ein Sensorknoten überwacht die Umgebungstemperatur und passt die Abtastrate basierend auf der Temperaturänderungsrate an. Wenn die Temperatur über 10 Minuten konstant bleibt, kann die Abtastrate auf die Hälfte reduziert werden. Berechne die potenzielle Energieeinsparung, wenn der Knoten normalerweise 1 W bei einer kontinuierlichen Abtastrate von 10 Samples pro Minute verbraucht, aber durch Adaptive Sampling die Abtastrate auf 5 Samples pro Minute reduzieren kann, bei gleichbleibendem Energieverbrauch pro Sample.

Lösung:

Die Technik des Adaptive Sampling ermöglicht es, die Abtastrate eines Sensorknotens basierend auf den Umgebungsbedingungen dynamisch anzupassen. Dabei können Perioden konstanter Umgebungsparameter erkannt werden, um die Abtastrate und folglich den Energieverbrauch zu reduzieren.

Beispiel-Szenario:

• Der Sensorknoten überwacht die Umgebungstemperatur.
• Die normale Abtastrate beträgt 10 Samples pro Minute.
• Der Knoten verbraucht im kontinuierlichen Modus 1 W bei 10 Samples pro Minute.
• Wenn die Temperatur über 10 Minuten konstant bleibt, wird die Abtastrate auf 5 Samples pro Minute reduziert.

Gegeben:

• Leistungsaufnahme bei kontinuierlicher Abtastrate: 1 W
• Kontinuierliche Abtastrate: 10 Samples pro Minute
• Reduzierte Abtastrate: 5 Samples pro Minute
• Beobachtungszeitraum: T = 10 Minuten

Die reduzierten Samples pro Minute bedeutet, dass die Energieaufnahme ebenfalls halbiert wird, da die Energieaufnahme proportional zur Anzahl der Samples ist.

1. Energieverbrauch im kontinuierlichen Modus:

• Leistungsaufnahme: 1 W
• Zeitraum: 10 Minuten

\( E_{\text{kontinuierlich}} = P_{\text{normal}} \times t \)

\( E_{\text{kontinuierlich}} = 1 \text{ W} \times 10 \text{ Minuten} = 10 \text{ Wh} \)

2. Energieverbrauch im Adaptive Sampling Modus:

• Die Abtastrate und der Energieverbrauch werden auf die Hälfte reduziert.
• Neue Leistungsaufnahme: 0,5 W

\( E_{\text{reduziert}} = P_{\text{reduziert}} \times t \)

\( E_{\text{reduziert}} = 0,5 \text{ W} \times 10 \text{ Minuten} = 5 \text{ Wh} \)

Energieeinsparung:

\( E_{\text{Einsparung}} = E_{\text{kontinuierlich}} - E_{\text{reduziert}} \)

\( E_{\text{Einsparung}} = 10 \text{ Wh} - 5 \text{ Wh} = 5 \text{ Wh} \)

Durch den Einsatz von Adaptive Sampling kann eine Energieeinsparung von 5 Wh über einen Zeitraum von 10 Minuten erreicht werden. Diese Einsparung kann erheblich zunehmen, wenn der Knoten über längere Zeiträume hinweg betrieben wird.