Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
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Die fortschreitende Verbreitung von Ethernet-basierten Strukturen mit dezentralen und verteilten Anwendungen in der Automatisierung führt zu den so genannten netzbasier-ten Automatisierungssystemen (NAS). Diese sind zwar in Anschaffung und Betrieb kostengünstiger, moderner und flexibler als herkömmliche Strukturen, weisen jedoch nicht-deterministische Verzögerungen auf. Die genaue Analyse der resultierenden Antwortzeiten ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen, Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem ersten von zwei Beiträgen wird hierfür zunächst die für die speziellen Bedürfnisse der Strukturbeschreibung von netzbasierten Automatisierungssystemen entwickelte Modellierungssprache DesLaNAS vorgestellt und auf ein einführendes Beispiel angewendet. Im zweiten Beitrag wird darauf aufbauend gezeigt, welchen Einfluss die einzelnen System-komponenten (SPS, Netzwerk, I/O-Karten) sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse selbst wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) angewendet.
Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) sind das Ergebnis der zunehmenden Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mittels neuerer Netzwerkstrukturen. Eine ganze Fülle von Einflussfaktoren führt jedoch zu einem Spektrum von nicht-deterministischen Verzögerungen, die direkten Einfluss auf Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Automatisierungsanlagen haben. Eine genaue Analyse dieser Einflussfaktoren ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem Beitrag wird gezeigt, welchen Einfluss einzelne Komponenten sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) verwendet. Umfangreiche Messungen wurden zur Validierung der Ergebnisse durchgeführt.
Modern society relies on convenience services and mobile communication. Cloud computing is the current trend to make data and applications available at any time on every device. Data centers concentrate computation and storage at central locations, while they claim themselves green due to their optimized maintenance and increased energy efficiency. The key enabler for this evolution is the microelectronics industry. The trend to power efficient mobile devices has forced this industry to change its design dogma to: ”keep data locally and reduce data communication whenever possible”. Therefore we ask: is cloud computing repeating the aberrations of its enabling industry?
Hardware prototyping is an essential part in the hardware design flow. Furthermore, hardware prototyping usually relies on system-level design and hardware-in-the-loop simulations in order to develop, test and evaluate intellectual property cores. One common task in this process consist on interfacing cores with different port specifications. Data width conversion is used to overcome this issue. This work presents two open source hardware cores compliant with AXI4-Stream bus protocol, where each core performs upsizing/downsizing data width conversion.
Software defined radios can be implemented on general purpose processors (CPUs), e.g. based on a PC. A processor offers high flexibility: It can not only be used to process the data samples, but also to control receiver functions, display a waterfall or run demodulation software. However, processors can only handle signals of limited bandwidth due to their comparatively low processing speed. For signals of high bandwidth the SDR algorithms have to be implemented as custom designed digital circuits on an FPGA chip. An FPGA provides a very high processing speed, but also lacks flexibility and user interfaces. Recently the FPGA manufacturer Xilinx has
introduced a hybrid system on chip called Zynq, that combines both approaches. It features a dual ARM Cortex-A9 processor and an FPGA, that offer the flexibility of a processor with the processing speed of an FPGA on a single chip. The Zynq is therefore very interesting for use in SDRs. In this paper the
application of the Zynq and its evaluation board (Zedboard) will be discussed. As an example, a direct sampling receiver has been implemented on the Zedboard using a high-speed 16 bit ADC with 250 Msps.
Durch die stetige Zunahme von dezentralen Erzeugungsanlagen, den anstehenden Smart-Meter Rollout sowie die zu erwartende Elektrifizierung des Verkehrssektors (E-Mobilität) steht die Netzplanung und Netzbetriebsführung von Niederspannungsnetzen (NS-Netzen) in Deutschland vor großen Herausforderungen. In den letzten Jahren wurden daher viele Studien, Forschungs- und Demonstrationsprojekte zu den oben genannten Themen durchge-führt und die Ergebnisse sowie die entwickelten Methoden publiziert. Jedoch lassen sich die publizierten Methoden meist nicht nachbilden bzw. validieren, da die Untersuchungsmodelle oder die angesetzten Szenarien für Dritte nicht nachvollziehbar sind. Es fehlen einheitliche Netzmodelle, die die deutschen NS-Netze abbilden und für Ver-gleichsuntersuchungen herangezogen werden können, ähnlich dem Beispiel der nordamerikanischen Verteilnetzmodelle des IEEE.
Im Gegensatz zum Übertragungsnetz, dessen Struktur hinreichend genau bekannt ist, sind passende Netzmodelle für NS-Netze wegen der hohen Anzahlen der NS-Netze und Verteilnetzbetreiber (VNB) nur schwer abzubilden. Des Weiteren ist eine detaillierte Darstellung realer NS-Netze in wissenschaftlichen Publikationen aus daten-schutzrechtlichen Gründen meist nicht erwünscht. Für Untersuchungen im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden darum möglichst charakteristische synthetische NS-Netzmodelle erstellt, die sich an gängigen deutschen Siedlungsstrukturen und üblichen Netzplanungsgrundsätzen orientieren. In dieser Arbeit werden diese NS-Netzmodelle sowie ihre Entwicklung im Detail erklärt. Damit stehen erstmals für die Öffentlichkeit nachvollziehbare NS-Netzmodelle für den deutschsprachigen Raum zur Verfügung. Sie können als Benchmark für wissenschaftliche Untersuchungen sowie zur Methodenentwicklung verwendet werden.
The design of the fifth generation (5G) cellular network should take account of the emerging services with divergent quality of service requirements. For instance, a vehicle-to-everything (V2X) communication is required to facilitate the local data exchange and therefore improve the automation level in automated driving applications. In this work, we inspect the performance of two different air interfaces (i.e., LTE-Uu and PC5) which are proposed by the third generation partnership project (3GPP) to enable the V2X communication. With these two air interfaces, the V2X communication can be realized by transmitting data packets either over the network infrastructure or directly among traffic participants. In addition, the ultra-high reliability requirement in some V2X communication scenarios can not be fulfilled with any single transmission technology (i.e., either LTE-Uu or PC5). Therefore, we discuss how to efficiently apply multi-radio access technologies (multi-RAT) to improve the communication reliability. In order to exploit the multi-RAT in an efficient manner, both the independent and the coordinated transmission schemes are designed and inspected. Subsequently, the conventional uplink is also extended to the case where a base station can receive data packets through both the LTE-Uu and PC5 interfaces. Moreover, different multicast-broadcast single-frequency network (MBSFN) area mapping approaches are also proposed to improve the communication reliability in the LTE downlink. Last but not least, a system level simulator is implemented in this work. The simulation results do not only provide us insights on the performances of different technologies but also validate the effectiveness of the proposed multi-RAT scheme.
Motivation: Mathematical models take an important place in science and engineering.
A model can help scientists to explain dynamic behavior of a system and to understand
the functionality of system components. Since length of a time series and number of
replicates is limited by the cost of experiments, Boolean networks as a structurally simple
and parameter-free logical model for gene regulatory networks have attracted interests
of many scientists. In order to fit into the biological contexts and to lower the data
requirements, biological prior knowledge is taken into consideration during the inference
procedure. In the literature, the existing identification approaches can only deal with a
subset of possible types of prior knowledge.
Results: We propose a new approach to identify Boolean networks fromtime series data
incorporating prior knowledge, such as partial network structure, canalizing property,
positive and negative unateness. Using vector form of Boolean variables and applying
a generalized matrix multiplication called the semi-tensor product (STP), each Boolean
function can be equivalently converted into a matrix expression. Based on this, the
identification problem is reformulated as an integer linear programming problem to
reveal the system matrix of Boolean model in a computationally efficient way, whose
dynamics are consistent with the important dynamics captured in the data. By using
prior knowledge the number of candidate functions can be reduced during the inference.
Hence, identification incorporating prior knowledge is especially suitable for the case of
small size time series data and data without sufficient stimuli. The proposed approach is
illustrated with the help of a biological model of the network of oxidative stress response.
Conclusions: The combination of efficient reformulation of the identification problem
with the possibility to incorporate various types of prior knowledge enables the
application of computational model inference to systems with limited amount of time
series data. The general applicability of thismethodological approachmakes it suitable for
a variety of biological systems and of general interest for biological and medical research.
Im Gegensatz zum Übertragungsnetz, dessen Struktur hinreichend genau bekannt ist, sind passende Netzmodelle
für Mittelspannungsnetze (MS-Netze) wegen der hohen Anzahlen der MS-Netze und Verteilnetzbetreiber (VNB)
nur schwer abzubilden. Des Weiteren ist eine detaillierte Darstellung realer MS-Netze in wissenschaftlichen Publikationen
aus datenschutzrechtlichen Gründen meist nicht erwünscht. In dieser Arbeit werden MS-Netzmodelle
sowie ihre Entwicklung im Detail erklärt. Damit stehen erstmals für die Öffentlichkeit nachvollziehbare MS-Netzmodelle
für den deutschsprachigen Raum zur Verfügung. Sie können als Benchmark für wissenschaftliche Untersuchungen
sowie zur Methodenentwicklung verwendet werden.
The fifth-generation mobile telecommunication network is expected to support multi-access edge computing (MEC), which intends to distribute computation tasks and services from the central cloud to the edge clouds. Toward ultra-responsive, ultra-reliable, and ultra-low-latency MEC services, the current mobile network security architecture should enable a more decentralized approach for authentication and authorization processes. This paper proposes a novel decentralized authentication architecture that supports flexible and low-cost local authentication with the awareness of context information of network elements such as user equipment and virtual network functions. Based on a Markov model for backhaul link quality as well as a random walk mobility model with mixed mobility classes and traffic scenarios, numerical simulations have demonstrated that the proposed approach is able to achieve a flexible balance between the network operating cost and the MEC reliability.