BATS fliegt weit­er: Die DFG-Forscher­gruppe BATS wurde er­fol­greich ver­längert

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Die DFG-Forschergruppe Betriebs-Adaptive Tracking-Sensorsysteme (BATS) hatte sich als Ziel gesetzt, Technologien zur effizienten Vernetzung energiesparsamer, miniaturisierter, hochmobiler Sensoren wissenschaftlich voranzutreiben und mit diesen Technologien einen wissenschaftlich beachteten Meilenstein bei der Zielanwendung Fledermausverhaltensforschung zu setzen. Ein stationäres Netz aus bodengestützten Sensoren empfängt Funksignale ressourcenarmer, aber intelligenter Transceiver auf Fledermäusen. Das heterogene Netz aus mobilen und bodengestützten Sensoren organisiert und managt sich selbst, die Auswertung der Daten geschieht in einem zentralen Knoten. Phase 1 hat die Machbarkeit des angestrebten energiesparsamen heterogenen Tracking-Systems belegt, das einen nur 2g schweren mobilen Sensorknoten als Kernkomponente besitzt. In Phase 2 soll dieses Tracking-System schrittweise zu einem Betriebs-Adaptiven Tracking-Sensorsystem ausgebaut werden.

Die Ziele des interdisziplinären Forscherverbunds können wie folgt zusammengefasst werden:

1. Sicht der Biologie: Mit BATS soll demonstriert werden, was ein heterogenes Sensornetz im Hinblick auf Studien zum Verhalten kleinerer Lebewesen leisten kann. Am Beispiel der artenreichen Gruppe der Fledermäuse sollen soziale Netzwerke erfasst, das Jagdverhalten untersucht und die Habtitatnutzung ermittelt werden. Dadurch können einerseits grundlegende Fragestellungen zur Evolution sozialer Gruppen und zur ökologischen Anpassung und Einnischung von Arten untersucht werden. Für die Gesellschaft ergeben sich unmittelbare Erkenntnisse über die Ökosystemleistungen durch Fledermäuse z.B. in Form der biologischen Schädlingsbekämpfung, der Bestäubung von Pflanzen durch nektarfressende Fledermäuse und der Samenausbreitung durch fruchtfressende Fledermäuse. Genauere Kenntnisse zum Flugverhalten von Fledermäusen sind wichtig für die Beurteilung von Eingriffen in die Landschaft wie dem Bau von Straßen oder von Windkraftanlagen, die wegen Fledermausaktivität teilweise temporär abgeschaltet werden. Soziobiologische Untersuchungen an Fledermäusen, die als natürliche Reservoire für Zoonosen wie Ebola, SARS oder Tollwut bekannt sind, tragen zu einem besseren Verständnis von Infektionswegen dieser Krankheiten bei.
    
2. Sicht der Elektrotechnik: Mit BATS soll ausgelotet werden, was bei einem 2g schweren mobilen Knoten unter Energiegesichtspunkten hinsichtlich Sensorik und Kommunikations- sowie Ortungsfunktionaliät erreichbar ist. Bei den Sensoren ist an Temperatur, Beschleunigung, Magnetfeld, Herzschlag und dergleichen gedacht. Hinzu kommt Energy Harvesting. Bei der Kommunikation ist an energiesparsamste Verfahren gedacht, wobei große Distanzen von z.B. 5km zu überbrücken sind. Ein Weckrufempfänger soll hierbei genutzt werden. Mit Hilfe des ICs soll auch die Leistungsfähigkeit der Multiton-Ortungssignale hinsichtlich Energieeinsatz, Genauigkeit und Robustheit demonstriert werden. Letztendlich soll BATS wegweisend für die Entwicklung weiterer Kommunikations- und Tracking-Sensorsysteme sein, die andere Anwendungen erschließen.
    
3. Sicht der Informatik: BATS soll am Beispiel der Fledermäuse Impulse setzen, wie sich komplexe Verhaltensweisen aus diversen Datenströmen extrahieren, beschreiben und darstellen lassen. Dem energieeffizienten Datenmanagement kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. In Phase 2 gehört der Weckrufempfänger dazu und die Ausnutzung von Diversity im Bodennetz. Die Erfassung des Energieverbrauchs im heterogenen Sensornetz und die Bereitstellung energieeffizienter Service-Routinen sind hierbei essentiell. Dass hierbei stromintensive Komponenten wie Sensorik, Empfänger, Leistungsverstärker im Sendepfad und Mikrokontroller ins Kalkül gezogen werden müssen, wird beispielgebend sein.

Für die Forscher des Lehrstuhls für Verteilte Eingebettete Systeme an der Universität Paderborn stehen folgende Aufgaben im Vordergrund: Nachdem grundsätzlich die Funktionalität der Kommunikation im Bodennetz sowie zwischen den mobilen Knoten und dem Bodennetz in der ersten Projektphase konzeptionell modelliert und letztendlich in prototypischer Weise realisiert wurde, stehen in der zweiten Projektphase die folgenden Kernziele im Vordergrund:

1. Kommunikation zwischen den mobilen Knoten: Protokollentwurf für den Austausch von IDs bzw. kompletter Kontaktinformationen. Dazu ist das aktuelle Wake-Up-System zu erweitern bzw. teilweise komplett neu zu entwerfen, um einerseits Kontakte zwischen den mobilen Systemen von solchen zu Bodenstationen zu unterscheiden, andererseits aber auch, um weitestgehend ohne Aktivierung der kompletten Digitallogik einfach Begegnungen zu identifizieren. Herausforderungen bestehen insbesondere in der Wahl adaptiver Algorithmen für die Frequenz der Aufweckversuche im Flug.
    
2. Verbesserung der Zuverlässigkeit: Nach ersten Arbeiten zur Nutzung von Erasure Codes auf Paketebene, die nur teilweise die Erwartungen erfüllten, soll jetzt der Fokus auf Verbesserungen auf der physikalischen Schicht untersucht werden. Besonders vielversprechend sind hier Möglichkeiten der Kanalkodierung sowie durch Diversitätsgewinn mehr Zuverlässigkeit zu erlangen. Der Forschungsfokus liegt hierbei darauf, Diversity Combining auf Symbolebene anzuwenden und im BATS-Kontext zu erforschen. Der Vorteil ist, dass zwischen den Bodenstationen nur sehr geringe Daten- mengen (die empfangenen Symbole) ausgetauscht werden müssen.
    
3. Skalierbarkeit und Bedienbarkeit: Für die Optimierung der Datenstromanfragen werden Laufzeitinformationen sowohl von den Bodenstationen als auch von den mobilen Knoten benötigt. Hierzu wird das VCP-Bodensystem erweitert. Für Softwareaktualisierungen ist das bisherige Protokoll für die Kommunikation zwischen Bodenstation und mobilem Knoten neu zu bewerten und für den Transport größerer Datenmengen (bis zu einigen Kilobyte) nutzbar zu machen. Insbesondere Fountain Codes stellen eine geeignete Basis für diese Übertragungen dar.