05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Performance Evaluation of Time-Based and Movement-Based Location Update Schemes(2006) Bachmaier, SebastianIn Personal Communications Service (PCS) networks, location management is a key issue. Mobility tracking operations are executed to maintain known the whereabouts of each mobile terminal. In this work, some modifications on the classical time-based and movement-based registration methods are evaluated. The goal is to provide a unified approach of the time-based and distance-based schemes on one hand, and the movement-based and distance-based strategies on the other hand. Furthermore what is achieved is that the Mobile Terminal sends less location update messages, which results in less contacts with the network and an increase in the uncertainty of the Mobile Terminal position. Although the Mobile Terminal Paging costs are lightly increased, the result is a significant reduction in the Location Update cost, and the net effect is a saving in the total location management cost per call arrival, i.e. the Location Update cost plus the Paging cost. The studied mechanisms will be compared with the original dynamic schemes by means of a performance evaluation method based on software simulation tools and contrasted to an analysis based on Markovian standard tools. The location management costs for all these dynamic policies will be evaluated.Item Open Access Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme(2002) Ringler, Thomas Karl; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Zeitgesteuerte Architekturen versprechen aufgrund ihrer deterministischen Eigenschaften die Anforderungen zukünftiger By-Wire-Systeme in Automobilen zu erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen ereignisgesteuerten Architekturen benötigen sie jedoch einen erheblich höheren Entwicklungsaufwand und erfordern deshalb neue Verfahren und Werkzeugkonzepte. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme erarbeitet. Aktivitäten zur Entwicklung zeitgesteuerter Systeme werden identifiziert und in den etablierten Entwicklungsprozess der Automobilindustrie eingegliedert. In den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses erfolgt die Planung des zeitlichen Ablaufs im verteilten System. In den späten Phasen wird durch die Zeitanalyse nachgewiesen, dass die implementierten Programme geplante Zeitbedingungen stets einhalten. Die Bestimmung der maximalen Ausführungszeit von Programmen durch die Worst-Case-Execution-Time-Analyse (WCET-Analyse) ist hierfür die Grundlage und bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Dem aktuellen Trend in der Automobilindustrie Software modellbasiert zu erstellen wird Rechnung getragen, indem ein Konzept der modellbasierten WCET-Analyse entwickelt wird. Die Analyse der erstellten Modelle wird dadurch ohne die Angabe zusätzlicher Informationen durch den Anwender möglich. Dazu werden aus den Modellen heraus Informationen über das Ausführungsverhalten des Codes gewonnen. Die Übertragbarkeit des Konzepts wird aufgezeigt, indem es bei den zwei unterschiedlichen Software-Entwicklungswerkzeugen ViPER und MATLAB/Simulink/Stateflow angewandt wird. Zum praktischen Nachweis des erstellten Konzepts wird eine Werkzeugumgebung entwickelt. Anhand eines Steer-by-Wire-Fallbeispiels wird die Anwendbarkeit des Konzepts aufgezeigt. Durch die grafische Spezifikation des zeitlichen Ablaufs wird die Entwicklung verteilter regelungstechnischer Anwendungen unterstützt. Die integrierte WCET-Analyse für den in der Automobilindustrie weit verbreiteten Siemens 80C167 Mikrocontroller erfolgt voll automatisiert und bietet dem Anwender wichtige Informationen für den modellbasierten Softwareentwurf.Item Open Access Universelle Fernservice-Infrastruktur für eingebettete Systeme(2003) Jazdi, Nasser; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Globalisierung ist ein Vorgang, durch den Märkte und Produktionen in verschiedenen Ländern immer mehr kooperieren, aber auch voneinander abhängig werden. Ursache hierfür ist die Dynamik des Handels mit Gütern und Dienstleistungen sowie die Bewegungen von Kapital und Technologie. Die Differenzierung erfolgt nicht mehr nur durch das Produkt selbst, sondern zunehmend durch dazugehörige Dienstleistungen, wie Wartung und Software-Updates. Die globale Bereitstellung solcher Dienstleistungen ist jedoch ein existentielles Problem für kleine und mittelständische Unternehmen. Das Internet als ein weltweiter Verbund von Computernetzwerken bietet eine globale Kommunikationsmöglichkeit für den Menschen. Computer mit Internet-Zugang werden zum festen Bestandteil jedes modernen Arbeitsplatzes, auch infolge der immer geringer werdenden Anschaffungskosten. Die mit dem Internet verbundenen Web-Technologien ermöglichen die weltweite, effektive und kostengünstige Bereitstellung von Dienstleistungen. Der Einsatz der Web-Tech-nologien beim Erbringen von Dienstleistungen für Automatisierungsprodukte und -anlagen verlangt jedoch neue, an die spezifischen Randbedingungen der Automatisierungssysteme zugeschnittene Konzepte. In der vorliegenden Arbeit wird eine flexible und erweiterbare Infrastruktur für den Einsatz von Web-Technologien in eingebetteten Systemen vorgestellt. Sie baut auf der bewährten Drei-Schichten-Architektur, bestehend aus dem eingebetteten System, dem universellen Fernzugriff-Server und dem Client, auf. Dabei wird eine systemübergreifende und allgemeingültige Schnittstelle für die Anbindung unterschiedlicher eingebetteter Systeme und den Zugriff auf deren Prozessdaten geschaffen. Das Verfahren ermöglicht außerdem ein flexibles Weiterverarbeiten der Gerätedaten, sodass sie für unterschiedliche Clients aufbereitet werden können. Um die Flexibilität - sowohl auf der Seite des eingebetteten Systems als auch beim Client - zu gewährleisten, wird eine neue, XML-basierte Beschreibungssprache (SDML) eingeführt. Die SDML-Dokumente beinhalten Informationen über angebundene eingebettete Systeme, abrufbare Gerätedaten und Präsentationsregeln für unterschiedliche Clients. Sie werden gerätespezifisch erstellt. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Anbindung unterschiedlicher eingebetteter Systeme an das Internet bei minimalem Hardware- und Softwareaufwand. Die einmalig entwickelten Software-Komponenten des Fernzugriff-Servers können für unterschiedliche Geräte verwendet werden und tragen damit zur Senkung der Diagnose- und Wartungskosten bei. Der Anwender kann einen gewöhnlichen Browser für die Kommunikation mit seinem Gerät verwenden und braucht somit keine zusätzliche Software auf seinem lokalen Rechner zu installieren.Item Open Access Computer-aided safety analysis of computer-controlled systems : a case example(2000) Biegert, UweComputer controlled systems consist of a complex interaction between technical process, human task and software. For the development of safety critical systems new method are required, which not only consider one of these parts of a computer-controlled system. In this paper a qualitative modeling method is presented. The method is called SQMA, Situationbased Qualitative Modeling and Analysis and it origin goes back to Qualitative Reasoning. First, all parts of a system are modeled separated and then combined to a unique model of a computer-controlled system. With this qualitative model a computer supported hazard analysis can be realised.Item Open Access Ionenassistierte Deposition von Siliciumschichten(2001) Oberbeck, Lars; Werner, Jürgen H. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit untersucht die Wachstumsvorgänge sowie die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von Si-Epitaxieschichten aus der ionenassistierten Deposition (IAD). Bei der IAD werden Si-Atome durch einen Elektronenstrahlverdampfer bereitgestellt und in der Gasphase durch Elektronenemission aus einem Glühdraht teilweise ionisiert; der Ionisationsgrad beträgt ca. 1 %. Eine angelegte Spannung beschleunigt diese Si+ Ionen zum Substrat hin. Die Ko-Evaporation von Bor bzw. Phosphor ermöglicht die in-situ Dotierung der Epitaxieschichten zur Herstellung von pn-Übergängen. Die epitaktische Abscheidung von Si mittels IAD ist auf beliebigen Substratorientierungen möglich. Die Defektdichte und die Minoritätsträgerdiffusionslänge hängen aber stark von der Substratorientierung und der Beschleunigungsspannung ab. Dieses Ergebnis ist auf Unterschiede in der Oberflächenrekonstruktion und in den Aktivierungsenergien für atomare Diffusionsprozesse zurückzuführen. Bei der Betrachtung der Wachstumsmechanismen bei der IAD müssen zwei Temperaturbereiche unterschieden werden: Im Temperaturbereich < 400 °C unterstützen interstitielle Atome das epitaktische Wachstum, bei höheren Temperaturen dominiert die direkte Erhöhung der Adatommobilität durch Ionenbeschuß der Wachstumsoberfläche. Die optimale Ionenenergie liegt im Bereich 8 ... 20 eV für (100)-orientierte Epitaxieschichten. Diese Arbeit vertieft wesentlich das Verständnis der Wachstumsvorgänge bei der ionenassistierten Deposition von Si-Epitaxieschichten bei Depositionstemperaturen unterhalb von 650 °C und bietet erstmals eine grundlegende Evaluierung des Potentials von Si-Niedertemperaturepitaxieschichten. Eine umfassende Untersuchung struktureller und elektrischer Eigenschaften der Epitaxieschichten hat zur Herstellung von Schichten mit sehr guten Majoritäts- und Minoritätsträgereigenschaften bei einer Rekord-Depositionsrate von 0,8 µm/min geführt.Item Open Access Process model for the development of system requirements specifications for railway systems(2002) Bitsch, FriedemannIn this paper a process model for the development of system requirements specifications for railway systems is introduced. Demands of the approval of system requirements specifications, which arise from recent European railway standards, are taken into account. The aim is to obtain a system specification, which is unambiguous and easy to understand for all parties involved and in which safety aspects are considered in detail. Correlations between the development of a precise system specification, the performance of safety relevant correctness checks and the performance of risk analysis are presented. Especially the identification, specification and formalisation of safety requirements are treated with regard to correctness checks referred to safety aspects by using model checking. It is also demonstrated how different techniques of risk analysis can be supported by a system model in diagrams of the Unified Modelling Language (UML). This work has been developed in close co-operation with the Institute of Railway Systems Engineering and Traffic Safety (IfEV), Technical University of Braunschweig, Germany within the scope of the project SafeRail (see http://www.ias.uni-stuttgart.de/projekte/saferail/).Item Open Access Ganzheitliche modellbasierte Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen(2003) Biegert, Uwe; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Der Betrieb von Prozessautomatisierungssystemen ist immer mit einem gewissen Risiko verbunden. Ein Prozessautomatisierungssystem gilt dann als sicher, wenn das vorhandene Risiko zu keiner Zeit ein so genanntes Grenzrisiko überschreitet. Wird das Grenzrisiko überschritten, so droht Menschen und Umwelt unmittelbar ein Schaden. Mit Hilfe von Sicherheitsanalysen kann das vorhandene Risiko untersucht und abgeschätzt werden. Klassische Sicherheitsanalysen betrachten in der Regel nur einzelne Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems, welches aber im Allgemeinen aus drei verschiedenen Bestandteilen besteht: dem technischen System, dem Rechnersystem und dem Bedienpersonal. Was passiert aber, falls im technischen System ein Bauelement ausfällt, die Automatisierungssoftware Fehler enthält und zur gleichen Zeit das Bedienpersonal falsche Bedieneingriffe ausführt? Solche Fragen können mit klassischen Sicherheitsanalysen nur unzureichend beantwortet werden. Hinzu kommt, dass bei den meisten klassischen Sicherheitsanalysen die eigentliche Analyse des Systems in Form von Brainstorming-Prozessen durchgeführt wird. Dabei kann der Mensch niemals alle möglichen Kombinationen des Zusammenspiels zwischen den Bestandteilen überblicken und bewerten. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Durchführung einer ganzheitlichen Sicherheitsanalyse vorgestellt, welche alle Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems berücksichtigt. Die Ausführung erfolgt rechnergestützt. Auf Grund der Komplexität von Prozessautomatisierungssystemen wird eine qualitative komponentenorientierte Modellierungsmethode gewählt. Die Systemgrößen werden durch qualitative Intervallvariablen beschrieben, wobei die definierten Intervallbereiche zusätzlich durch qualitative Ausdrücke kommentiert werden. Durch Kombination von Intervallbereichen entstehen kommentierte Situationen, die das Verhalten wiedergeben. Dabei wird sowohl der bestimmungsgemäße als auch der fehlerhafte Betrieb berücksichtigt. Anhand der Systemstruktur werden die Modelle der Bestandteile miteinander kombiniert, um alle möglichen Situationen des gesamten Prozessautomatisierungssystems zu erhalten. Anschließend werden die ermittelten sicherheitskritischen Situationen des Prozessautomatisierungssystems bewertet und es wird entschieden, ob Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Durch das rechnergestützte Vorgehen lassen sich im Unterschied zu klassischen Methoden beliebig viele Fehlerkombinationen analysieren und damit Sicherheitslücken im Prozessautomatisierungssystem ermitteln. Das komplexe Zusammenspiel der Bestandteile wird mit Hilfe des qualitativen Modells transparent und analysierbar. Das Modell ist auf Grund seines qualitativen Charakters einfach anzuwenden und die Ergebnisse können leicht interpretiert werden.Item Open Access Die digitale Zukunft - mobil und multimedial(2000) Speidel, JoachimDie Informations- und Kommunikationstechnik durchdringt alle Lebensbereiche des modernen Menschen. Neue Entwicklungen schreiten kräftig voran. Das Telefon mit Wählscheibe ist schon Geschichte, das Kabel hindert unseren Bewegungsdrang. Lautlos sind die Netze und Systeme der Telekommunikation zur Grundlage für die Internationalisierung und Globalisierung des modernen Wirtschaftens geworden. „E-Commerce “ und „E-Business “ heißen die Zauberworte dieser Tage, welche die Börsen der Welt zu Höhenflügen anregen. Für solche Unternehmen reichen Telefon und Telefax schon lange nicht mehr. Internet, das „Netz der Netze “, verschafft uns Zugang zu vielerlei Informationen. Es kostet uns leider noch viel Zeit – oft zu viel Zeit. Durch Kommunikationssysteme sehr hoher Bitraten wird das „World Wide Wait “ bald zum wirklichen World Wide Web (www).Item Open Access Novel network architecture for optical burst transport(2006) Gauger, Christoph; Kühn, Paul (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Transport networks form the backbone of communication networks by cost-efficiently offering huge bandwidth and by guaranteeing a high service quality and availability. These requirements can best be met by using optical communication technologies. Currently, wavelength-switching is the most prominent network technology employing optical fiber communication and wavelength division multiplexing. While for years progress in optical networks has been defined by ever increasing transmission bit-rates, higher flexibility and manageability as well as multi-service and multi-layer integration are equally important criteria today. Accounting for these trends, optical burst switching (OBS) has been proposed as highly dynamic optical network architecture. It offers fine-granular transport of different packet-switched services and applies statistical multiplexing directly in the optical layer. This thesis presents the design, modeling, and evaluation of the optical burst transport network architecture (OBTN). The architecture is motivated by the need for flexible, scalable, and cost-efficient transport in next generation networks. In addition, it is stimulated by the research activities towards highly dynamic optical network infrastructures. OBTN defines a network architecture to transport and switch optical burst data in a core network. The design objectives for the OBTN architecture are (i) an overall high quality of service, (ii) a network design allowing for cost-efficiency and scalability, and (iii) a network evolution perspective based on the current wavelength-switched networks. These objectives are achieved by combining selected concepts, architectures, and strategies of optical burst and optical packet switching as well as of multi-layer traffic engineering. The method of event-driven simulation is used to evaluate OBTN regarding its node and network resource requirements and QoS performance. Chapter 2 introduces the general characteristics, requirements, and trends for next generation transport networks in general and optical networks in particular. It describes architectural constraints and classification criteria for highly dynamic optical network architectures. These criteria are used to characterize the fast optical circuit switching, optical burst switching, and optical packet switching architectures as well as hybrid optical network architectures. Chapter 3 discusses the state of research and technology for optical burst switching. It presents the requirements for key functions in an OBS network and classifies the proposed architectures and mechanisms. Particularly, it addresses contention resolution which is necessary to achieve a high QoS in burst-switched networks. This is supported by Appendix A which analyzes the performance of nodes with fiber delay line buffers. Finally, architectures and realization aspects for burst-switched core nodes are presented to explain their resource and scalability constraints. Chapter 4 motivates and introduces the fundamental concepts of OBTN, namely the dense virtual topology, constrained alternative routing, and shared overflow capacity. These components are analyzed regarding their consequences for the overall node and network architecture. Finally, OBTN is compared qualitatively with optical burst switching and hybrid optical networks. Chapter 5 describes a unified resource model which allows dimensioning and evaluating burst-switched architectures with different virtual topologies. Then, it addresses the simulation methodology, the reference evaluation scenario used in Chapter 6 as well as the metrics for node and network resources and QoS performance. Chapter 6 evaluates OBTN and compares it with the two burst-switched reference architectures OBS and Burst-over-Circuit-Switching (BoCS). OBS uses a sparse virtual topology while BoCS employs a full-mesh virtual topology. The evaluations show that for the same high target QoS, suitable OBTN dimensionings require substantially less resources in burst-switched nodes than OBS and slightly less than BoCS. This improvement comes at the cost of higher resource requirements compared to OBS in the underlying wavelength-switched server layer. However, applying the cost relations for lambda grid networks, in which bandwidth is considered a commodity and client layer resources the major cost driver, OBTN yields an overall cost reduction. Concluding, OBTN is shown to offer an overall high QoS, to effectively reduce the node resources of the burst-switched client layer, and to perform well in a wavelength-switched network context.Item Open Access Monolithische Integration von Millimeterwellenbauelementen auf rückseitenstrukturiertem Silizium(2007) Hasch, Jürgen; Kasper, Erich (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit untersucht die monolithische Integration aktiver und passiver Millimeterwellen-Komponenten auf hochohmigem Silizium in der sogenannten Silicon Millimeter Wave Integrated Circuit (SIMMWIC)-Technologie. Ziel ist es, mit Hilfe von Standard-Prozessen aus der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, ein Integrationskonzept darzustellen, mit dem sich der Hochfrequenzteil eines Radar-Sensors als monolithisch integrierte Schaltung im Millimeterwellenbereich realisieren lässt. Ein solcher Hochfrequenzteil besteht zumindest aus Sendesignalerzeugung, passiven Strukturen zur Signalverteilung, einem Antennenelement als Schnittstelle zu den elektromagnetischen Wellen im Freiraum und einer Empfängerschaltung, die typischerweise in Form eines Mischers ausgeführt wird. Der Einsatz eines solchen "Radar-ICs" als komplett monolithisch integrierte Schaltung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bisher verbreiteten Aufbau aus diskreten Komponenten. So kann durch den Wegfall diskreter Hochfrequenz-Komponenten die Anzahl der eingesetzten Bauelemente reduziert und die Baugröße des Sensors verringert werden. Durch die Integration aller Hochfrequenz-Komponenten ist außerdem eine wesentlich vereinfachte elektrische Kontaktierung möglich, da keine Hochfrequenzsignale von der Halbleiterschaltung nach außen geführt werden müssen. Dies ermöglicht auch den Einsatz einer einfachen Leiterplattentechnologie für die umgebenden Schaltungskomponenten. Durch den Einsatz einer Standard-Backend-Technologie aus der Mikroelektronik können Leiterstrukturen im Mikrometerbereich realisiert werden. Dies erlaubt die präzise Herstellung von Schaltungskomponenten mit sehr geringen Abmessungen, eine Voraussetzung für Arbeitsfrequenzen oberhalb von 100 GHz. Zusätzlich zur Strukturierung der Leiterstrukturen auf der Oberseite des Siliziumwafers, wird mit Hilfe eines Verfahrens zum anisotropen Ätzen von Silizium (dem sogenannten Bosch-Prozess) die Rückseite des Siliziumwafers selektiv rückgedünnt, damit dort partiell eine dünne Siliziummembran entsteht. Im Bereich dieser Membran können Mikrostreifenleitungsstrukturen mit sehr günstigen Hochfrequenzeigenschaften und einer Leitungsdämpfung von weniger als 0,3 dB/mm für den Frequenzbereich von 90-140 GHz realisiert werden. Diese günstigen Eigenschaften konnten durch messtechnische Untersuchung nachgewiesen werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Integrationskonzeptes ist die Verfügbarkeit eines integrierten Antennenelements. Erst damit ist eine vollständige monolithische Integration der grundlegenden Millimeterwellenkomponenten auf der Siliziumschaltung erreicht. Dazu wurde eine Mikrostreifen-Patchantenne untersucht und charakterisiert. Trotz der hohen Permittivität von Silizium konnte gezeigt werden, dass sich ein Patch-Antennenelement auf Basis von Mikrostreifenleitungen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50% realisieren lässt. Die Integration aktiver Bauelemente wurde anhand einer Impatt-Diode untersucht, die mittels Molecular Beam Epitaxy direkt auf dem Siliziumwafer hergestellt wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Halbleiterschichten mit einer genau definierten Schichtdicke und Dotierung erzeugt werden. Durch aufeinander folgendes Abscheiden mehrerer dotierter Halbleiterschichten und anschließendem selektiven Ätzen konnten Impatt-Dioden mit Lawinenfrequenzen von bis zu 110 GHz hergestellt und gemessen werden. Die Impatt-Dioden wurden bis 140 GHz messtechnisch in ihren Kleinsignaleigenschaften charakterisiert. Durch Parameterextraktion konnte ein einfaches Ersatzschaltbild für die Impatt-Diode bestimmt und das Hochfrequenzverhalten der Diode in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt untersucht werden. Basierend auf einer Impatt-Diode als aktivem Element wurden Oszillatoren auf Basis von Koplanarleitungen entworfen und charakterisiert. Es konnten Oszillatoren mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 124 GHz bei 1dBm Ausgangsleistung realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung wurde für einen 104 GHz-Oszillator mit 11,4dBm erreicht. Abschließend wurde eine Transmitterschaltung entworfen und realisiert, die mikromechanisch strukturierte passive Strukturen und aktive Bauelemente in Form von Impatt-Dioden enthält.