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Diploma and Master Theses (authored and supervised):

B. Huber:
"Wireless Real-Time Communication for Smart Transducer Networks";
Supervisor: H. Kopetz, W. Elmenreich; Institut für Technische Informatik, 2004.



English abstract:
Due to the increasing demand for mobility and flexibility in the area of distributed control systems, wireless communication onwardly gain importance in automation engineering. However, especially in the field of real-time systems, wireless communication is not well established yet. A main reason therefore is the variable network structure caused by mobile communication nodes, which impairs predictability and dependability. Furthermore, the retransmission of erroneous data - a common approach in wireless networks - is not well-suited for real-time systems.
This thesis describes the approach and the implementation of a wireless real-time communication protocol for the establishment of mobile smart transducer networks. The conceptual basis has been mainly inspired by TTP/A, a real-time communication protocol for non-safety critical sensor and actuator networks, which has been developed at the Vienna University of Technology.
The wireless protocol is based on the time-triggered paradigm, which means that all communication activities are derived from the progression of physical time. A single dedicated master node is responsible for establishing a synchronized time base among all communication participants. This thesis presents a synchronization algorithm that is suitable for wireless communication networks. An important feature of the proposed algorithm, which highly enhances dependability, is the ability to tolerate certain failures of the master, the communication channel, and the communication links.
Monitoring and configuration support of individual networked nodes is a crucial demand for distributed control applications. A fixed amount of bandwidth, assigned to the monitoring and configuration service, guarantees that the real-time service is not disturbed in any case.
The design of the protocol aims at the use of commercial off-the-shelf components for implementation. The practicability of the proposed protocol is shown in a case study: An autonomous mobile robot, consisting of several smart transducer nodes, is used for the exploration of an indoor environment. The gathered information is transmitted to a host PC, where a representation of the environment is generated.

German abstract:
Flexibilität und Mobilität sind Anforderungen die in verteilten Steuerungs- und Kontrollsystemen immer mehr an Bedeutung gewinnen. Damit verbunden steigt in diesem Anwendungsbereich die Notwendigkeit von drahtlosen Kommunikationssystemen. Jedoch gerade für Echtzeitsysteme ist die Akzeptanz und Verbreitung drahtloser Kommunikation noch gering. Eine Ursache dafür ist eine mögliche Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit solcher Systeme aufgrund der variablen Netzwerkstruktur, die sich aus der Mobilität des Systems ergibt. Zusätzlich sind in drahtlosen Netzwerken gängige Datenkorrekturmechanismen wie das wiederholte Übermitteln von fehlerhaften Daten für Echtzeitsysteme nicht sehr geeignet.
Diese Arbeit beschreibt den Ansatz und die Implementierung eines drahtlosen Echtzeitkommunikationsprotokolls für den Aufbau mobiler Smart Transducer Netzwerke. Die Basis vieler Designentscheidungen bildet hierbei TTP/A, ein Echtzeitkommunikationsprotokoll für nicht sicherheitskritische Anwendungen, das an der Technischen Universit ät Wien entwickelt wurde.
Das in dieser Arbeit beschriebene Protokoll basiert auf dem zeitgesteuerten Paradigma: Alle Kommunikationsabläufe werden ausschließlich vom Fortschreiten der physikalischen Zeit gesteuert. Ein einzelner dedizierter Masterknoten ist für den Aufbau einer synchronisierten Zeitbasis verantwortlich. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Synchronisationsalgorithmus, der die gesteigerten Anforderungen in drahtlosen Netzwerken berücksichtigt. Eine wichtige Eigenschaft dieses Algorithmus ist die Fähigkeit, bestimmte Ausfälle des Masterknotens sowie des Kommunikationskanals zu tolerieren, um damit die Verlässlichkeit des Systems zu steigern.
Die Möglichkeit zur Überwachung und Konfiguration einzelner Knoten des Systems während des Betriebs ist eine entscheidende Anforderung an Kommunikationsprotokolle für Smart Transducer Netzwerke. Um ein störungsfreies Arbeiten des Echtzeitservices zu garantieren, wurde ein fixer Anteil der Bandbreite des Kommunikationskanals für das Überwachungs- und Konfigurationsservice reserviert.
Anhand einer Fallstudie wird die Praxistauglichkeit des Protokolls gezeigt: Ein aus mehreren Smart Transducern bestehender mobiler autonomer Roboter wird verwendet, um die Form und etwaige Hindernisse eines Raumes zu erkunden. Die gesammelten Informationen werden zentral zu einer grafischen Darstellung der Umgebung verarbeitet.