Übersichtsgrafik
Teilprojekt 1
Fledermäuse lassen sich aufgrund ihrer nächtlichen Lebensweise, ihrer Fähigkeit zum aktiven Flug und ihrer kleinen Körpergröße im Freiland bisher nur sehr eingeschränkt direkt verfolgen. Wir wissen daher nur wenig über individuelle Bewegungsmuster von Fledermäusen außerhalb der Quartiere, während das Verhalten von Fledermäusen in ihren Quartieren bei einer Reihe von Arten vergleichsweise gut untersucht ist. Die Möglichkeit, Fledermäuse auch im Freiland individuell verfolgen zu können, ist jedoch die Voraussetzung für ein breites Spektrum an Untersuchungen in den Bereichen Tierökologie, Verhaltensökologie, Sinnesökologie und Naturschutz. Das im Rahmen der Forschergruppe zu entwickelnde Sensornetzwerk mit hoher Lokalisationsgenauigkeit soll erstmals an frei beweglichen Fledermäusen angewandt werden, um einerseits die technische Leistungsfähigkeit des Sensornetzwerks unter Freilandbedingungen zu testen und zu optimieren und um andererseits kleinräumige Muster der Habitatnutzung und die Interaktion zwischen Individuen zu untersuchen.
Teilprojekt 2
Im Kontext der Gesamtvision der Forschergruppe BATS ist es das Ziel des Teilprojekts ARTE (adaptive run-time environment, TP 2) eine flexible Systemsoftwareunterstützung zu entwickeln. Diese soll es ermöglichen, für die Verhaltensbeobachtungen von Fledermäusen (TP 1) verteilte Datenstromanfragen (TP 3) auf einem heterogenen Sensornetzwerk (TP 4), bestehend aus stationären (TP 5) und mobilen (TP 7) Sensornetzwerkknoten, zu etablieren. Eine besondere Herausforderung stellen hierbei die knappen Ressourcen dar, im speziellen Speicher und Energie, sowie die wechselhafte Konnektivität der nur 2 g schweren mobilen Knoten. In Anbetracht dieser vielfältigen und teilweise konfligierenden Anforderungen soll ARTE in Form einer hochkonfigurierbaren Softwareproduktlinie realisiert werden. Ziel ist es, sowohl die unterschiedlichen funktionalen Anforderungen zwischen mobilen und stationären Knoten zu unterstützen, als auch wichtige nichtfunktionale Eigenschaften, wie niedriger Speicherverbrauch und Energieeffizienz. Entsprechend soll schon bei der Entwicklung von ARTE der Konfigurationsraum werkzeuggestützt und gezielt auf nichtfunktionale Eigenschaften untersucht werden, um gemäß der Anforderungen an das Projekt später im Einsatz eine optimierte Auswahl von Implementierungsartefakten zu bieten. Dabei ist explizit die dynamische Anpassbarkeit von Anwendungs- wie auch von Systemfunktionen zu berücksichtigen. Auf funktionaler Ebene wird ARTE Systemdienste in Gestalt einer Middleware bereitstellen, die Anpassung und Erweiterung zur Laufzeit unterstützt und auf Datenstromverarbeitung zugeschnitten ist, um eine ressourceneffiziente und flexible Ausführung von Datenstromanfragen zu ermöglichen.
Teilprojekt 3
In ressourcenarmen Sensornetzen ist eine effiziente Datensammlung besonders wichtig. Dafür wird ein verteiltes Datenstromsystem eingesetzt, dessen Anfragesprache die folgenden vier Komponenten aktivieren und steuern kann. Die erste ist ein zentrales Datenmanagement, das gemeinsam mit TP 4 (Netzwerkmanagement) erstellt wird und das die Heterogenität des Sensornetzes verbirgt. Die mobilen und bodengestützten Sensorknoten können unterschiedliche Software- und Energiezustände aufweisen. Wegen der Ressourcenknappheit sind die Anwendungen über verschiedene Knoten verteilt. Die zweite Komponente ist ein abstraktes Modell einer Auswertung, das sich einfach erstellen lässt und sehr viel Flexibilität für die Realisierung bietet. Modellgestützt lassen sich globale Anfragen an das Sensornetz vielfältig transformieren und so effizient auswerten. Die dritte Komponente ist ein Kostenmodell für eine quantitative Bewertung der Datenstromanfragen, z. B. bezüglich der Energieeffizienz. Unterschiedliche Optimierungsziele sind hier vorstellbar, beispielsweise auch im Hinblick auf die Genauigkeit bei der Ermittlung der Flugtrajektorien. Und die vierte Komponente schließlich besteht aus neu entwickelten Spezialoperatoren und einer Beschreibung der erforderlichen Genauigkeit, die eine weitergehende Optimierung zur Erhöhung der Batterielebensdauer ermöglicht
Teilprojekt 4
Im Rahmen der Forschergruppe BATS stellt sich das Teilprojekt E2SO (TP 4) den Herausforderungen der effizienten, d. h. Energie- und Ressourcen-optimierten, Kommunikation mit integriertem selbstorganisierenden Datenmanagement in hochdynamischen heterogenen Sensornetzen. Dabei stehen drei Teilbereiche im Vordergrund der Forschungsaktivitäten, welche sich nahtlos mit den anderen Teilprojekten integrieren: Zum einen gilt es, kleine mobile Knoten mit extremen Anforderungen an energiesparsame Kommunikation an ein stabiles Bodennetz anzubinden. Im Bereich der Elektrotechnik werden diese mobilen Knoten (TP 7) sowie die Bodensysteme (TP 5) entworfen, wobei sich insbesondere die knappen Ressourcen (Speicher und Energie, Knotengewicht inkl. Batterie von ca. 2 g) sowie die eingeschränkte Konnektivität (Mobilität der Fledermäuse) als interdisziplinär zu lösende Herausforderungen darstellen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die temporäre Speicherung dynamisch generierter Informationen und der effiziente Zugriff auf diese Daten. Die Messdaten werden durch das integrierte Datenstromsystem (TP 3) im Netzwerk verarbeitet und letztendlich zur Beantwortung verhaltensbiologischer Fragestellungen (TP 1) herangezogen. Der dritte Teilbereich des Teilprojekts E2SO ist ein kontinuierliches Ressourcen- und Topologiemonitoring im Sensornetz, um die Lebenszeit des Netzes zu bewerten und Engpässe frühzeitig erkennen und durch Rekonfiguration der Datenströme beheben zu können (TP 2 und TP 3).
Teilprojekt 5
Das Teilprojekt Tracking4BATS (TP 5) stellt eine sensornetzbasierte, flächendeckende Trajektorienschätzung auf Basis von Feldstärkemessungen bereit. In diesem Kontext werden wissenschaftliche Fragestellungen aus drei Bereichen beantwortet: Erstens wird die Frage adressiert, wie die Architektur eines Sensornetzes aussehen sollte, um über längere Zeit flächendeckend Fledermäuse in ihrem Bewegungsverhalten zu beobachten. Topologiefragen wie die Raumaufteilung durch gerichtete Antennen werden hier adressiert. Zweitens wird der Frage nachgegangen, ob sich Feldstärkemessungen zur Ortung äußerst energiesparsamer, leichter mobiler Knoten bei einer geforderten Genauigkeit im Bereich weniger Meter eignen. Je nach Ausbreitungsbedingungen wird man hier auf Grenzen stoßen. Die Herausforderung liegt in einer Lösung, die auch unter Kostengesichtspunkten noch in vielen bodengestützten Sensorknoten umsetzbar bleibt und somit flächendeckend eingesetzt werden kann. Drittens gilt es Wege zu finden, wie die erwartungsgemäß sehr fehlerhaften Feldstärkemessungen vieler bodengestützter Sensorknoten sich zu einer konsistenten Trajektorienschätzung zusammensetzen lassen. Fusionsalgorithmen und Glättungsverfahren, die auf Fledermausbewegungsmodellen basieren sind zu entwerfen. Ferner ist die Kommunikation zwischen Fledermausknoten und bodengestützter Infrastruktur bereitzustellen. Zusammen mit dem Teilprojekt Scalability4BATS (TP 6) werden die infrastrukturseitigen Komponenten zur Trajektorienschätzung bereitgestellt. Besonders enge Kooperationen sind auch mit den beiden elektrotechnischen Teilprojekten erforderlich, in denen der mobile Fledermausknoten entworfen wird (TP 7&8), und mit den Informatikprojekten, die im Kern die Kommunikationsfunktion im Sensornetz bereitstellen (TP 3&4). Die Verifikation des gesamten Systems ist eine Gemeinschaftsaufgabe aller Teilprojekte.
Teilprojekt 6
Der wissenschaftliche Beitrag des Teilprojekts Scalability4BATS zur Forschergruppe liegt in Antworten, wie sich die flächendeckende Trajektorienschätzung des Teilprojekts Tracking4BATS (TP 5) bei Bedarf oder unzuverlässigen Feldstärkemessungen örtlich und zeitlich begrenzt verbessern lässt. Das Ziel ist ein robustes, skalierbares Ortungssystem, das den Energieverbrauch in den mobilen Fledermausknoten minimiert und das am Ende einer noch zu beantragenden zweiten Projektphase voll funktionstüchtig sein soll. Auf drei aufeinander aufbauenden Ebenen sollen in der ersten Phase die dazu notwendigen grundlegenden Erkenntnisse gewonnen werden: Erstens, auf der untersten Ebene - dem Signalentwurf - soll geklärt werden, wie die Mehrtonsignale hinsichtlich Frequenzlage und Pulsdauer organisiert werden müssen? Zweitens, auf der darauf aufbauenden Messebene soll untersucht werden, welche phasenkohärenten Messmethoden sich in Ergänzung zur Feldstärkemsessung aus TP 5 eignen, um eine verbesserte Ortungsgenauigkeit zu erzielen? Gruppenantennen zur phasenkohärenten Richtungsschätzung und verteilte Phasenmessungen zur phasenkohärenten Distanzschätzung sind die zu untersuchenden Kandidaten. Drittens, auf der obersten Ebene - der Fusionsebene - sind alle Ortungsinformationen für eine optimierte Trajektorienschätzung zusammenzuführen. Zusammen mit dem Teilprojekt Tracking4BATS, das in seiner Struktur und in seinem Zeitplan eng auf dieses Teilprojekt abgestimmt ist, werden die infrastrukturseitigen Komponenten zur Trajektorienschätzung in BATS bereitgestellt. Besonders enge Kooperationen sind mit den beiden elektrotechnischen Teilprojekten erforderlich, in denen der mobile Fledermausknoten entworfen wird (TP 7&8), und mit den Informatikprojekten, die im Kern die Kommunikationsfunktion im Sensornetz bereitstellen (TP 3&4). Die Verifikation des gesamten Systems ist eine Gemeinschaftsaufgabe aller Teilprojekte, wobei das Augenmerk auf den Anforderungen liegen muss, die im ersten Teilprojekt, d. h. seitens der Biologie formuliert werden.
Teilprojekt 7
Zur Erforschung des Verhaltens von Fledermäusen soll im Projekt ein Sensorsystem entworfen werden. Diese Sensoren müssen auf der Fledermaus angebracht werden, um die Fledermaus im Flug zu orten. Damit sie unbeeinträchtigt ist, muss der Sensorknoten leicht und sehr kompakt sein. In dem hier vorgestellten Teilprojekt soll die Modul-Integration der miniaturisierten drahtlosen Sensorknoten mit Ortungsfunktionalität erfolgen. Für den avisierten Einsatz auf einer fliegenden Fledermaus sind dabei die wichtigsten Randbedingungen ein minimales Gesamtgewicht (max. 2 g inklusive Batterie, Schaltungsträger und Antenne) und ein Formfaktor, der die Fledermaus in ihren natürlichen Bewegungen nicht einschränkt. Für dieses Teilprojekt stellen diese beiden Vorgaben eine große Herausforderung an den Entwurf einer Multiband-Antennenlösung dar, die sowohl in ihrer Geometrie stark verkürzt als auch dreidimensional an den Körper der Fledermaus anzupassen ist. Auch die Aerodynamik muss hierbei berücksichtigt werden. Neben einer Ortungsfunktionalität, die durch Integration des in TP8 entworfenen Ortungs-ICs realisiert wird, soll auch eine Kommunikation zwischen verschiedenen Sensorknoten möglich sein. Um die Lebensdauer der eingesetzten Batterie zu maximieren und das zu entwerfende Energiemanagement des Moduls zu entlasten sollen energieeffiziente Übertragungsprotokolle untersucht werden. Durch die Staffelung der Arbeitspakete wird nach einer Realisierung der Grundfunktionalität im ersten Schritt die Komplexität des mobilen Sensorknotens durch Hinzunahme weiterer Funktionen nach und nach erhöht und gipfelt zum Projektende in einem leichten und miniaturisierten drahtlosen Sensorknoten mit Lokalisierungs- und Kommunikationsschnittstelle für den Einsatz auf einer fliegenden Fledermaus.
Teilprojekt 8
Zur Untersuchung des Verhaltens von Fledermäusen soll in dieser Forschergruppe eine Sensorplattform mit Lokalisierungsfunktionalität entwickelt werden. Auf die Fledermäuse wird hierzu ein Sensorknoten montiert. Dieser Knoten muss sehr leicht und kompakt sein, um die Fledermäuse in ihrem natürlichen Verhalten nicht zu beeinflussen. Daher kann die Implementierung der Schaltungen nur in einem integrierten Schaltkreis erfolgen. Das Ziel dieses Teilprojektes ist die Analyse und der Entwurf der analogen Hardware für Sender und Empfänger des mobilen Sensorknotens. Aufgrund des niedrigen möglichen Gesamtgewichts des Systems muss die Batterie und damit die Energieaufnahme der elektronischen Schaltungen minimiert werden. Hierzu werden in diesem Teilprojekt neue Schaltungskonzepte untersucht. Für eine weniger genaue, aber sehr energiearme Lokalisierung wird in AP 2 ein Festfrequenzoszillator untersucht. In AP 3 und 4 werden Konzepte zur Synthese von phasenstarr gekoppelten Mehrfrequenzsignalen untersucht und realisiert. Zusätzlich zu Erzeugung der Signale für die Lokalisierung der Sensorknoten werden auch die Sender- und Empfängerschaltung für die Integration auf denselben IC integriert. Hierbei wird eine energieeffiziente Senderschaltung in AP 5.1 entwickelt. Weiterhin wird ein mehrstufiges Konzept für einen Aufweck-Empfänger betrachtet, um unnötige Aktivierungen der Schaltung zu minimieren. Das Ziel dieses TP ist die Integration aller Schaltungen zur Kommunikation und zur Lokalisierung der mobilen Sensorplattform auf einen monolithisch integrierten Schaltkreis.
Teilprojekt Z
Die Durchführung von BATS erfordert einen Wissenschaftlichen Koordinator für die Bearbeitung folgender Aufgaben: Steuerung und Unterstützung der Vernetzung der Teilprojekte; Unterstützung bei der Durchführung von Messkampagnen; Inhaltliche und methodische Synchronisation der Teilprojekte; Organisation der wissenschaftlichen Aktivitäten der Forschergruppe; Organisation der Gleichstellungsaktivitäten; Organisation von Gastwissenschaftleraufenthalten; Administrative Aufgaben.