Kaiserslautern - Fachbereich Informatik
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Faculty / Organisational entity
Drahtlose Kommunikationssysteme dringen in immer mehr Anwendungsbereiche vor. Für einige Anwendungsszenarien, wie etwa die Prozessautomatisierung in Fabriken und Industrieanlagen, ist die Zuverlässigkeit vieler drahtloser Kommunikationssysteme wie IEEE 802.11 (WLAN) oder Bluetooth aber noch unzureichend. Daher wurden für diese Anwendungsbereiche spezielle Kommunikationssysteme wie WirelessHART oder ISA 100.11a entwickelt. Diese basieren meist auf Time Division Multiple Access (TDMA) und erreichen durch exklusive Reservierungen deterministische Zuverlässigkeit, falls kein anderes Kommunikationssystem die genutzten Kanäle stört.
Diese Arbeit behandelt geeignete Protokolle und Algorithmen, um die Zuverlässigkeit drahtloser Kommunikationssysteme zu verbessern. Im ersten Teil der Arbeit werden Verfahren für TDMA-basierte Kommunikationssysteme betrachtet. Basierend auf IEEE 802.15.4 werden mehrere Funktionalitäten für ProNet 4.0, einem an der Arbeitsgruppe Vernetzte Systeme der TU Kaiserslautern entwickelten Kommunikations-Stack für Industrie 4.0, entworfen und auf Imote 2 Sensorknoten implementiert. Zuverlässige Kommunikation bedarf Kenntnis von sowohl der Kommunikationstopologie, über die Knoten miteinander kommunizieren können, als auch der Interferenztopologie, die angibt, wie Knoten sich gegenseitig stören können. Dazu stellt die Arbeit mit dem Automatic Topology Discovery Protocol (ATDP) ein Verfahren zur automatischen Topologieerkennung vor. Anschließend wird QoS Multicast Routing betrachtet und mit dem QoS Multicast Routing Protocol (QMRP) ein Verfahren für partiell mobile Netzwerke entwickelt. Weiterhin wird mit ProMid eine Kommunikations-Middleware beschrieben, die ein hohes Abstraktionslevel aufweist und die darunter liegenden Schichten steuert. Die dienstorientierte Architektur nutzt eine verteilte Service Registry, wobei die Auswahl der Registry-Knoten anhand eines dafür entwickelten Clustering-Algorithmus erfolgt. Das Heterogeneous Network Clustering (HNC) genannte Verfahren berücksichtigt ein heterogenes Netzwerkmodell mit Knoten, die Clusterhead bzw. Gateway werden müssen, können bzw. nicht dürfen.
Der zweite Teil der Arbeit behandelt Protokolle und Algorithmen für zuverlässige wettbewerbsbasierte Kommunikationssysteme. Die in diesem Kapitel vorgestellten Verfahren sind in einem auf WLAN basierenden Kommunikations-Stack implementiert und evaluiert worden. Zunächst wird ein Verfahren für die Topologieerkennung in WLAN-Netzwerken vorgestellt. Anschließend wird ein auf dem Token Bucket-Mechanismus basierendes Verfahren zur Verkehrskontrolle entwickelt. Daraus wird mit der Unusable Wasted Bandwidth Ratio eine Metrik abgeleitet, die es erlaubt, die Auslastung des Mediums abzuschätzen. Aufbauend auf dem Verfahren zur Verkehrskontrolle wird eine kooperative faire Bandbreitenskalierung für WLAN vorgestellt. Das Verfahren verteilt die Bandbreite fair unter den internen Knoten unter Berücksichtigung der Quality of Service (QoS) Anforderungen. Dabei reagiert es dynamisch auf Änderungen des externen Verkehrs und verhindert so Überlastsituationen. Letztlich wird ein Clustering-Protokoll vorgestellt, welches durch das Anwendungsszenario der Überwachung von Güterzügen motiviert ist und Linientopologien bildet sowie dynamisch repariert. Das auf Bluetooth LE aufbauende Verfahren dient dazu, Energie einzusparen, und wurde in einer Kooperation mit der Bosch Engineering GmbH entwickelt.
Editorial
(2021)
Editorial
(2020)
Editorial
(2020)
In order to discuss the kinds of reasoning a visualization supports and the conclusions that can be drawn within the analysiscontext, a theoretical framework is needed that enables a formal treatment of the reasoning process. Such a model needs toencompass three stages of the visualization pipeline: encoding, decoding and interpretation. The encoding details how dataare transformed into a visualization and what can be seen in the visualization. The decoding explains how humans constructgraphical contexts inside the depicted visualization and how they interpret them assigning meaning to displayed structuresaccording to a formal reasoning strategy. In the presented model, we adapt and combine theories for the different steps intoa unified formal framework such that the analysis process is modelled as an assignment of meaning to displayed structuresaccording to a formal reasoning strategy. Additionally, we propose the ConceptGraph, a combined graph-based representationof the finite-state transducers resulting from the three stages, that can be used to formalize and understand the reasoning process.We apply the new model to several visualization types and investigate reasoning strategies for various tasks.
NoSQL-Datenbanken werden als Alternative zu klassischen relationalen Datenbanksystemen eingesetzt, um die Herausforderungen zu meistern, die „Big Data“ mit sich bringt. Big Data wird über die drei V definiert: Es sind große Datenmengen („Volume“), die schnell anwachsen („Velocity“) und heterogene Strukturen haben („Variety“). NoSQL-Datenbanken besitzen zudem meist nur sehr einfache Anfragemethoden. Um auch komplexe Datenanalysen durchzuführen, kommen meist Datenverarbeitungsframeworks wie MapReduce, Spark oder Flink zum Einsatz. Diese sind jedoch schwieriger in der Benutzung als SQL oder andere Anfragesprachen.
In dieser Arbeit wird die Datentransformationssprache NotaQL vorgestellt. Die Sprache verfolgt drei Ziele. Erstens ist sie mächtig, einfach zu erlernen und ermöglicht komplexe Transformationen in wenigen Code-Zeilen. Zweitens ist die Sprache unabhängig von einem speziellen Datenbankmanagementsystem oder einem Datenmodell. Daten können von einem System in ein anderes transformiert und Datenmodelle dementsprechend ineinander überführt werden. Drittens ist es möglich, NotaQL-Skripte auf verschiedene Arten auszuführen, sei es mittels eines Datenverarbeitsungsframeworks oder über die Abbildung in eine andere Sprache. Typische Datentransformationen werden periodisch ausgeführt, um bei sich ändernden Basisdaten die Ergebnisse aktuell zu halten. Für solche Transformationen werden in dieser Arbeit verschiedene inkrementellen Ansätze miteinander verglichen, die es möglich machen, dass NotaQL-Transformationen die vorherigen Ergebnisse wiederbenutzen und Änderungen seit der letzten Berechnung darauf anwenden können. Die NotaQL-Plattform unterstützt verschiedene inkrementelle und nicht-inkrementelle Ausführungsarten und beinhaltet eine intelligente Advisor-Komponente, um Transformationen stets auf die bestmögliche Art auszuführen. Die vorgestellte Sprache ist optimiert für die gebräuchlichen NoSQL-Datenbanken, also Key-Value-Stores, Wide-Column-Stores, Dokumenten- und Graph-Datenbanken. Das mächtige und erweiterbare Datenmodell der Sprache erlaubt die Nutzung von Arrays, verschachtelten Objekten und Beziehungen zwischen Objekten. Darüber hinaus kann NotaQL aber nicht nur auf NoSQL-Datenbanken, sondern auch auf relationalen Datenbanken, Dateiformaten, Diensten und Datenströmen eingesetzt werden. Stößt ein Benutzer an das Limit, sind Kopplungen zu Programmiersprachen und existierenden Anwendungen mittels der Entwicklung benutzerdefinierter Funktionen und Engines möglich. Die Anwendungsmöglichkeiten von NotaQL sind Datentransformationen jeglicher Art, von Big-Data-Analysen und Polyglot-Persistence-Anwendungen bis hin zu Datenmigrationen und -integrationen.
Entwicklung von TDMA-basierten QoS-Routing-Protokollen und Simulationskomponenten für Ad-Hoc-Netze
(2016)
Ad-Hoc-Netze sind selbstorganisierende Netze ohne zentrale Infrastruktur, die heutzutage in vielen Bereichen Verwendung finden. Sie bestehen aus drahtlosen Knoten, die zur Erfüllung ihrer Aufgaben miteinander kommunizieren. Jedoch befinden sich nicht notwendigerweise alle Knoten in Reichweite zueinander. Damit entfernte Knoten einander erreichen können, werden Routingverfahren benötigt. Die Etablierung einer beliebigen Route ist jedoch oft nicht ausreichend, denn viele Anwendungen stellen spezielle Dienstgüteanforderungen (QoS-Anforderungen) an die Verbindung, beispielsweise die Gewährleistung einer Mindestbandbreite. Um diese QoS-Anforderungen erfüllen zu können, werden sie bereits bei der Ermittlung einer Route berücksichtigt, und die benötigten Ressourcen werden entlang der Route reserviert. Dazu dienen QoS-Routing- und Reservierungsprotokolle.
In dieser Arbeit wird zunächst der Aspekt der deterministischen Reservierung von Bandbreite in Form von konkreten Zeitslots einer TDMA-basierten MAC-Schicht betrachtet. Da sich die Übertragungen verschiedener Knoten in drahtlosen Netzen gegenseitig stören können, wurde ein Interferenzmodell entwickelt. Dieses identifiziert Bedingungen, unter denen Zeitslots innerhalb eines Netzes für mehr als eine Übertragung verwendet werden können. Zudem definiert es durch Aggregation der Informationen anderer Knoten Möglichkeiten zur Ermittlung der benötigten Informationen, um zu entscheiden, welche Zeitslots für eine störungsfreie Übertragung verwendet werden können.
Weiterhin werden existierende QoS-Routing- und Reservierungsprotokolle auf inhärente Probleme untersucht, wobei der Schwerpunkt auf Protokollen liegt, die deterministische Reservierungen von Zeitslots vornehmen. In diese Kategorie fällt auch das im Rahmen der Arbeit entwickelte Protokoll RBBQR, dessen Hauptziel darin besteht, die identifizierten Probleme zu eliminieren. Ferner wird das ebenfalls zu dieser Kategorie gehörende Protokoll QMRP beschrieben, welches zentralisiert Multicast-Routen inklusive der zugehörigen Reservierungen in teilstationären Netzen ermittelt.
Ein weiterer Bestandteil der Arbeit behandelt die Entwicklung von Simulationskomponenten, welche beispielsweise zur Evaluation von QoS-Routing- und Reservierungsprotokollen genutzt werden können. Das existierende Simulationsframework FERAL wurde um eine Komponente erweitert, die die Verwendung von Kommunikationstechnologien des Netzwerksimulators ns-3 ermöglicht. Weiterhin wurde ein Modul zur Simulation eines CC2420-Transceivers entwickelt, welches in eigenständigen ns-3-Simulationen und in Simulationen mit FERAL verwendet werden kann.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.
Modellgetriebene Entwicklung von Kommunikationsprotokollen für drahtlos vernetzte Regelungssysteme
(2013)
Funkvernetzte Sensorsysteme sind heutzutage allgegenwärtig.
Sie werden sowohl in Rauchmeldern, in Raumtemperaturüberwachungen und Sicherheitssystemen eingesetzt.
Das Sensorsystem soll seine Aufgabe zuverlässig und über viele Jahre ohne Batteriewechsel erfüllen.
Durch die Vernetzung der Sensorsysteme und ihre immer komplexer werdenden Aufgaben wird die Programmierung in einer maschinennahen Sprache immer aufwändiger.
Die modellgetriebene Entwicklung erhöht die Wartbarkeit und reduziert die Entwicklungszeit wodurch im Allgemeinen die Produktqualität steigt.
In Folge der höheren Komplexität, der Abstraktion von der konkreten Hardwareplattform und den immer kürzere Produktentwicklungszeiten bleibt oft keine Zeit für Energieoptimierung, wodurch die Batterielaufzeit geringer ausfällt, als dies möglich wäre.
In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze vorgestellt, die es ermöglichen, bereits während der Modellierung den Stromverbrauch zu berücksichtigen und diesen zu optimieren.
Am Beispiel des inversen Pendels, einem sehr instabilen Regelungssystem, wird dazu mit Hilfe der modellgetriebenen Entwicklung eine funkvernetzte, verteilte Regelung spezifiziert.
Der aus der Spezifikation erzeugte Kode wird direkt auf den Sensorknoten ausgeführt und muß dazu performant und zuverlässig sein, um die Echtzeitanforderungen des Regelungssystems zu erfüllen, aber gleichzeitig so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen.
m die Zuverlässigkeit der verteilten Regelung zu gewährleisten ist eine deterministische kollisionsfreie Datenübertragung über das drahtlose Kommunikationsmedium erforderlich.
Die Synchronisation ist eine weitere Voraussetzung zur Ermittlung eines konsistenten Systemzustands.
Im Bereich der Automobilelektronik ist eine Zunahme an Fahrerassistenzsystemen zu bemerken, die den Fahrer neben einer warnenden Funktion durch autonomes aktives Eingreifen in seiner Fahraufgabe unterstützen. Dadurch entsteht eine hohe Anforderung an die funktionale Sicherheit dieser Systeme, um ein einwandfreies Verhalten in allen Fahrsituationen zu garantieren und sicherheitskritische Situationen zu vermeiden oder zu entschärfen. Die funktionale Sicherheit derartiger Fahrerassistenzsysteme muss u. a. durch adäquate Testmethoden und einen effizienten Umgang damit innerhalb der etablierten industriellen Entwicklungsprozesse erhöht und sichergestellt werden.
Diese Arbeit bietet einen Überblick über existierende wissenschaftliche wie industrielle Ansätze zum Testen von Automobilelektronik sowie über aktive Fahrerassistenzsysteme. Der Schwerpunkt wird dabei auf diejenigen Systeme gelegt, die Informationen über ihre Umgebung aus Kamerasensoren gewinnen. Aus der Herausforderung, die funktionale Absicherung derart sicherheitskritischer Systeme zu gewährleisten, werden spezifische Anforderungen abgeleitet. Aus dem „Delta“ zwischen Anforderungen und Stand der Technik ergibt sich ein Handlungsbedarf, um neue Methoden und für deren Anwendung nötige Vorgehensweisen und Werkzeuge zu erforschen bzw. bestehende zu erweitern.
Die Methode des „Visual Loop Tests“ wird dafür vorgestellt. Sie kann durch die Anwendung sog. Grafik-Engines als neuer Bestandteil der Test-Technologien zur Absicherung eingesetzt werden. Dabei werden fotorealistische Grafiken zur Stimulation der Assistenzsysteme erzeugt. Die für die effiziente Anwendung dieser Technologien benötigten neuen Vorgehensweisen zur Beschreibung und Erzeugung von Testfällen in einem visuell repräsentierbaren Format werden erarbeitet.
Dadurch können moderne Assistenzfunktionen gleichzeitig effizienter, zuverlässiger, sicherer und kostengünstiger entwickelt werden und die Sicherheit auf den Straßen wird erhöht. Die erste empirische Bewertung im Rahmen der prototypischen Umsetzung bestärkt diese Einschätzung.