Kai-Steffen Hielscher

Die Kooperation bestehend aus Airbus Defence and Space GmbH, Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg und der ZF Friedrichshafen AG hat das gemeinsame Ziel, die Konnektivität für automobile Anwendungen in hybriden Satelliten und terrestrischen 5G Netzwerken mittels künstlicher Intelligenz zu erforschen und optimieren.

Die FAU arbeitet hierzu schwerpunktmäßig an Konzepten zur Integration automobiler Anwendungen, der Erstellung eines Simulationsmodells zur Kombination von Fahrzeug- und Satellitenkommunikation, der Einbindung von KI-Algorithmen, der Leistungsbewertung und Optimierung von Quality-of-Service relevanten Netzwerk- und Protokollaspekten sowie der Umsetzung in einem Echtzeit-Demonstrator. Ergebnisse sollen bei wissenschaftlichen Konferenzen vorgestellt werden und in die Standardisierung von 5G und zukünftigen 6G Netzwerken eingebracht werden.

Die Kooperation der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg mit der ND SatCom GmbH hat im Vorhaben QUICSAT das gemeinsame Ziel, Internetprotokolle und Anwendungen für geostationäre Satellitenverbindungen zu verbessern.

Hierzu soll das Potenzial neuer Technologien (AQM, ECN, BBR und insbesondere QUIC) untersucht werden. Ultimatives Ziel ist es, dass Internet über Satellit eine ähnliche Performance wie terrestrische Internetanschlüsse aufweist.

Die hohe Latenz bei Internet mit geostationären Satelliten, die momentane Architektur von Internetprotokollen sowie die stets steigende Komplexität von Internetanwendungen (insbesondere bei Webseiten) sind der Grund dafür, dass die Performance von Satelliteninternet geringer als die Performance von terrestrischen Internetanschlüssen ist, auch wenn die Datenraten vergleichbar sind. Neuere Quality of Service-Mechanismen (QoS), wie sie für das Internet entwickelt wurden, finden bei der Satellitenkommunikation momentan noch keine Anwendung. Bei QUIC (potenzieller Nachfolger für TCP) besteht zudem die Gefahr, dass sich aufgrund der Nichtanwendbarkeit von PEPs die Performance von Satelliteninternet sogar verschlechtert.

Das Projekt liefert einen Beitrag zur Protokollerforschung, Standardisierung und bei begleitenden Referenz-Implementierungen.

Als Teil eines großen Konsortiums befasst sich der Lehrstuhl Informatik 7 im Rahmen des Projekts mit dem modellbasierten Systementwurf der Fahrzeug-Kommunikationssysteme unter Einbezug von Variantenvielfalt. Hierfür wird zum einen eine Optimierung für die Konfiguration und die Ressourcenauslegung der Netzwerkarchitektur für verschiedene Kommunikationsprotokolle und -mechanismen realisiert. Zum anderen werden Safety-Analysen unter Verwendung von Fehlerbäumen und Erweiterung dieser für Produktlinien durchgeführt.

Für den formalen Nachweis der erforderlichen Echtzeiteigenschaften wird Network Calculus herangezogen. Dafür müssen geeignete Ansätze für die in den Vernetzungstechnologien verwendeten Scheduling-Verfahren (z.B. TAS, prioritätsbasiert, CBS, usw.) formuliert werden.

Für eine automatisierte und beschleunigte Erstellung der Netzwerkoptimierungen und der Safety- und Echtzeit-Analysen werden Modell- und Codegeneratoren entwickelt. Die Ergebnisse dieser Auswertungen werden in die Modellierung des Gesamtsystems zurückgeführt.

In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit verschiedener Anwendungen über verschiedene Internetzugänge bewertet, mit Fokus auf den Internetzugang über Satellit.

Konkret wurden folgende Zugangstechnologien ausgewählt:

• Geostationäre Satelliten (Konnect/Eutelsat, skyDSL/Eutelsat, Bigblu/Eutelsat, Novostream/Astra)

• Satelliten-Megakonstellation in niedriger Umlaufbahn (Starlink)

• Terrestrische Systeme als Referenz (o2 DSL, Congstar LTE)

Mit den sich entwickelnden Technologien und Methoden im Bereich der Echtzeitkommunikation und der stetig steigenden, zu übertragenden Datenmenge ist die Bahnindustrie auf den Zug der Modernisierung ihrer Prozesse aufgesprungen.

Bei den Bahnanwendungen liefern verschiedene Hersteller bis heute unterschiedliche und meist nicht kompatible Lösungen.  Diese Lösungen werden für eine bestimmte Konstellation eines Zuges spezifiziert, sind in den meisten Fällen aber nicht in der Lage, bei einer Veränderung der Zugkonstellation die korrekte Funktionalität zu bieten.  Um sicherheits- und zeitkritische Bereiche von unkritischen Bereichen zu trennen, die z. B. Dienstleistungen für Fahrgäste wie Wireless LAN anbieten, müssen darüber hinaus getrennte Netze mit einer eigenen Infrastruktur aufgebaut werden, die für den Zug und seine Hersteller mehr Gewicht und Kosten bedeuten.

Im Bereich der Echtzeitkommunikation hat sich Time-Sensitive Networking (TSN) als mögliche Lösung zur Überwindung der oben genannten Probleme herausgestellt.  Es stellt Verfahren und Mechanismen für die Ethernet-Technologie bereit, die sie mit Aspekten des Determinismus und der Zuverlässigkeit bereichern.

Mit Time-Sensitive Networks (TSN) können die sicherheits- und zeitkritischen Domänen mit unkritischen Bereichen zusammengeführt werden, so dass den sicherheitskritischen und zeitsensiblen Domänen noch genügend Zuverlässigkeit und Determinismus garantiert werden kann und die Bedürfnisse der Passagiere befriedigt werden.

Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, die Eignung von TSN im Bahnbereich zu testen.  Vorrangiges Ziel des Projekts ist es, zu analysieren, ob die Anforderungen der sicherheits- und zeitkritischen Anwendungen in Bezug auf eine deterministische Netzwerkkommunikation und beschränkte Latenzen im Netzwerk erfüllt werden können und gleichzeitig nachzuweisen, dass die Erfüllung der Ansprüche der kritischen Anwendungen nicht zu einer signifikanten Beeinträchtigung unkritischer Anwendungen führt.

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit Anwendungsmöglichkeiten von Dienstgütegarantien in Time-Sensitive Networking, insbesondere mithilfe von Network Calculus. Echtzeit-Systeme werden zunehmend in der Industrie, z.B. der Automobil-, Automatisierungs- oder Unterhaltungsbranche benötigt. Klassisches Ethernet garantiert jedoch keine Echtzeitfähigkeit, weshalb die Time-Sensitive Networking Task Group (IEEE 802.1) Standards für die Echtzeitübertragung von Daten über Ethernet-Netzwerke entwickelt. Diese Standards werden unter dem Begriff Time-Sensitive Networking (TSN) zusammengefasst. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wird nun die Anwendung von Network Calculus für TSN untersucht. Network Calculus (NC) ist eine Systemtheorie zur deterministischen Leistungsbewertung. Dabei werden mathematische Methoden verwendet, um Leistungsgarantien für Kommunikationssysteme zu bieten.  NC kann dabei helfen, Echtzeit-Eigenschaften von TSN zu bewerten, erforderliche Latenz-Grenzen einzuhalten und Aufschlüsse über die optimale Konfiguration der Netzwerke liefern. Außerdem ermöglicht es die Dimensionierung der Puffer und kann existierende oder neue Scheduling-Algorithmen bewerten.

Satellite communication is a way to provide broadband internet access all over the world. However, with geostationary satellites the propagation delay leads to very high delays in the magnitude of several hundred milliseconds. In order to improve the interactivity and responsiveness of communication systems, utilizing a second communication link can be highly beneficial.

The Transparent Multichannel IPv6 (TMC-IPv6) Project aims to combine the advantages of multiple heterogeneous communication links. An illustrative example is the combination of a rural DSL connection with low data rate/low latency and a satellite connection with high data rate but high latency, which results in a user internet access with high data rate and low latency providing a better Quality of Experience (QoE).

Satellite-based internet access from different operators is provided by our project partners in order to experience realistic satellite communication environment and test potential solutions. The outdoor unit (parabolic antenna) is mounted on the roof of the Wolfgang-Händler-Hochhaus.

Das elektrische Energienetz befindet sich durch Digitalisierung und Integration dezentraler Energiequellen im Wandel. Die Durchdringung und informationstechnische Vernetzung mit Sensorik und Aktorik lassen komplexe virtuelle Steuerungssysteme entstehen.
Liegt dem ein leistungsfähiges Kommunikationsnetz zugrunde, können innovative Dienste und Anwendungen eine ökologische, ökonomische, stabile und hochwertige Energieversorgung ermöglichen. Die vielfältigen, teils echtzeitkritischen, Anforderungen und Verkehrsmuster der gegebenenfalls großräumig verteilten Anwendungen stellen dabei eine besondere Herausforderung dar.
Untersuchungsgegenstand dieses Forschungsprojekts ist der Ersatz proprietärer Lösungen durch ein programmierbares Kommunikationsnetz mit Standardkomponenten. Diese ermöglichen einen wirtschaftlichen Betrieb und hohe Kompatibilität, individuellen Anforderungen werden durch Software erfüllt. Übergeordnetes Ziel ist dabei, die Infrastruktur der Energie- und Kommunikationsnetze gleichermaßen optimal zu nutzen und Überdimensionierung zu minimieren.

As a result of the integration of increasingly elaborate and distributed functionality in modern automobiles the amount of installed electronic and software continuously grows. The associated growth in system complexity makes it inevitable that the test methods used for verification and validation keep pace with this development. Nowadays the test routine in industry usually requires each test case to be crafted manually by a test designer. The test case execution itself and test result evaluation usually are performed in an automated manner. This procedure has many drawbacks, as the crafting of single test cases is apparently awkward and error-prone and it is impractical to calculate test management criteria such as test coverage. Within this project a method is developed that overcomes these drawbacks. Markov chain usage models (MCUM) constitute the central role within this project. MCUMs are employed to describe the possible usage of the System-under-test and to derive test cases from them. On the one hand the integration of MCUMs makes it possible to develop methods to integrate test requirements formally, as to improve traceability. On the other hand they provide the basis to incorporate algorithms or strategies that allow the generation of test cases fitting to various test requirements in the automotive domain. These comprise e.g. different coverage criteria under usage or system oriented aspects. Moreover established methods exist that allow the calculation of dependability measures based on results obtained from test cases automatically generated from MCUMs. Also the test planning can be supported by indicators that are derived during the test process. The project aims for developing a method to describe test requirements formally by building a model. This model allows the derivation of test suites considering various testing aims and constraints. The tools themselves should form a part of the ITF (Integrated Testing Framework) and the process extend the current one described by EXAM and employed within the Volkswagen AG.

Network Calculus (NC) ist ein systemtheoretischer Ansatz zur deterministischen Leistungsanalyse. Dabei kommen mathematische Methoden zum Einsatz, um Leistungsgarantien für Kommunikationssystemen bestimmen zu können. Die Methode kann sowohl in der Planungsphase für zukünftige Systeme als auch bei der Analyse bestehender Systeme eingesetzt werden. In Echtzeitsystemen spielt die Rechtzeitigkeit bestimmter Ereignisse eine entscheidende Rolle. Daher ist es wichtig, die Ergebnisse klassischer Leistungsanalyse, die stochastische Erwartungswerte wie etwa Mittelwerte liefert, durch mathematische Methoden zu ergänzen, die garantierte Schranken für Worst-Case-Szenarien liefern können. Network Calculus ermöglicht die Bestimmung von oberen Grenzen für Ende-zu-Ende-Verzögerungen für einzelne Netzwerkknoten und Folgen von Knoten in einem Netzwerk, Obergrenzen für die benötigten Puffer und Grenzen für den ausgehenden Verkehr. Diese analytischen Grenzen charakterisieren das Verhalten im Worst-Case und erlauben eine korrekte Dimensionierung der Systeme.

Aktuell studieren wir die Grenzen der Anwendbarkeit von Network Calculus für das Multiplexen von Datenströmen, insbesondere, wenn die Aggregation von Strömen nicht nach dem FIFO-Prinzip erfolgt. Die Aggregation von Strömen spielt eine wichtige Rolle, wenn Multiplex-Verfahren modelliert werden. Wir setzen Network Calculus beim Multiplexen an einzelnen Knoten und bei der Hintereinanderschaltung mehrerer Knoten in einem Netzwerk ein.

Wir haben Methoden des Network Calcus erfolgreich in industriellen Anwendungen der internen Fahrzeugkommunikation eingesetzt. Eingebettete Netze in Fahrzeugen müssen harte Echtzeitbedingungen erfüllen. Während TDMA-Verfahren wie in FlexRay die Erfüllung von Grenzen garantieren, erlaubt das stochastische Multiplexen in CAN-Netzen lediglich die Bestimmung von Grenzen für die höchste Priorität. Durch die Anwendung von Network Calculus können wir Grenzen für alle Prioritätsklassen bestimmen, ohne dass wir einen konkreten Kommunikationsablauf vorgeben müssen. Es genügt für die Bestimmung der harten Echtzeitgrenzen, wenn lediglich obere Grenzen für die Menge der an den Knoten ankommenden Daten bekannt sind.

Ein weiteres Einsatzgebiet für Network Calculus ist die industrielle Kommunikation. In der Industrieautomatisierung sind meist auch harte Grenzen für die Ende-zu-Ende-Verzögerung gefordert. Der Einsatz von Ethernet mit unterschiedlichen Prioritätsklassen erlaubt eine kostengünstige Implementierung solcher Fabrikautomatisierungssysteme. Aber ohne strikte Planung der Netze können die geforderten Verzögerungsgrenzen aufgrund des statistischen Multiplexens nicht garantiert werden. Wird Network Calculus bereits in der Planungsphase solcher Netze eingesetzt, können die Netze so dimensioniert werden, dass alle nötigen Grenzen eingehalten werden können. Neben den Verzögerungszeiten können auch die benötigten Puffergrößen in Knoten wie etwa in Industrial Ethernet Switches begrenzt werden. Aktuell fordern einige Anwender von Industieautomatisierungslösungen die einfache Integration von nicht echtzeitfähigen Komponenten in bestehende Netze, sei es von IP-Kameras oder von Bedienterminals. Ohne zusätzliche Analysen kann der Verkehr der zusätzlichen Geräte die Echtzeitkommunikation derart stören, dass bestehende Grenzen für die Verzögerung und den Puffer von Echtzeitverkehr nicht mehr eingehalten werden können. Durch Berücksichtigung des Nicht-Echzeitverkehrs in Network Calculus und durch Verkehrsformung dieser Datenströme können die Netze so dimensioniert werden, dass die Grenzen weiterhin eingehalten werden. Aktuell werden Netwok-Calculus-Berechnungen in ein bestehendes automatisiertes Netzwerkplanungswerkzeug integriert.