F r a u n h o F e r - e i n r i c h t u n g F ü r S y S t e m e d e r K o m m u n i K a t i o n S t e c h n i K e S K Jahresbericht 2011/2012

Transkript

1 F r a u n h o f e r - E i n r i c h t u n g f ü r S y s t e m e d e r K o m m u n i k a t i o n s t e c h n i k E S K Jahresbericht 2011/2012

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3 F r a u n h o f e r - E i n r i c h t u n g f ü r S y s t e m e d e r K o m m u n i k a t i o n s t e c h n i k E S K Jahresbericht 2011/2012

4 Vorwort Sehr geehrte Damen und Herren, liebe Geschäftspartner und Kunden, ich freue mich, mit Ihnen gemeinsam auf ein erfolgreiches Jahr 2011 zurückzublicken, in dem wir die in 2010 begonnenen Themen Smart Grid, Elektromobilität und eingebettete Systeme weiter entwickelt haben. Von den Arbeiten des Geschäftsfelds Automotive ist im Jahr 2011 insbesondere die Beteiligung an der Fraunhofer- System forschung Elektromobilität zu nennen, bei der wir das zen trale Steuergerät für ein Elektrofahrzeug entwickelt haben. Die zweijährige Forschungsarbeit haben wir mit der Präsen tation des ersten Fraunhofer-Elektrofahrzeugs Frecc0 bei der Fraunhofer ESK gekrönt. Das Thema IKT für Elektromobilität bauen wir aus, zum Beispiel im EU-Projekt Smart Vehicle to Grid. Hier erforschen wir, wie Elektrofahrzeuge intelligent in die künftigen Smart Grids eingebunden werden können. IKT für Smart Grids, also die Steuerung künftig intelli genter Stromnetze, sind ein Schwerpunkt des Geschäftsfelds Industrial Communication. Wir haben im November 2011 die Studie Smart Grid Communications 2020 Fokus Deutschland veröffentlicht. In dieser Studie zeigen wir auf, welche Kommunikationstechnologien für ein intelligentes Stromnetz benötigt werden. Um die Kommunikation über das Stromnetz zu verbessern, untersuchen die Wissenschaftler ebenfalls die Schmalband Powerline Technologie, mit der Daten über Stromkabel transportiert werden. Soll Powerline für die Inhaus-Kommunikation verwendet werden, muss sie breitbandig sein. Mit dieser Technologie beschäftigt sich das Geschäftsfeld Telecommunication, das 2012 aus der Gruppe Communication Solutions entstanden ist. Der Fokus liegt auf der Erforschung der Access & Inhouse Networks. Das junge Geschäftsfeld entwickelt sich kon tinuierlich thematisch weiter und erschließt neue Forschungsthemen für sich, wie die Untersuchung der Eignung von Satelliten kommunikation im Access-Netz. Die anwendungsorientierte Forschung bei der Fraunhofer ESK wird mit der Grundlagenforschung an meinem Lehrstuhl für Kommunikationssysteme an der Universität Augsburg verbunden. Bei der wissenschaftlichen Vernetzung sind wir im Jahr 2011 weitere Schritte gegangen. Prof. Dr. habil. Christian Prehofer Forschungsleiter für Software-intensive Systeme bei der Fraunhofer ESK ist seit 2011 Vertretungsprofessor an der Ludwig-Maximilians-Universität in München, so dass wir auch mit dem Lehrstuhl Programmierung und Softwaretechnik an der LMU eng zusammenarbeiten. Zusätzlich blicken wir auf einen Besuch von Prof. Dr. António Grilo zurück, der als Gastprofessor von der Technischen Universität in Lissabon ein halbes Jahr lang bei der Fraunhofer ESK zu drahtloser Kommunikation geforscht hat. Unser zentrales Anliegen ist es, Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) zuverlässig, flexibel und ressourceneffizient zu gestalten. Unsere Vision der IKT für vernetzte Systeme adressiert die technologischen Herausforderungen in den Marktsegmenten Automobil und Verkehr, Energietechnik, Automatisierungstechnik und Telekommunikation. Wir haben in 2011 unsere Strategieplanung abgeschlossen und Anfang 2012 in unserem Technologieaudit mit einem Fachkreis aus Wissenschaft und Industrie erfolgreich abgeschlossen. Ein Ergebnis unserer Strategieplanung ist die Fomulierung der sechs Kernkompetenzen der Fraunhofer ESK: Leitungsgebundene Übertragungstechnik, Lokale Funknetze, Ethernet/IP- Kommunikation, Adaptive Systeme, Modellbasierter Software- Test und Absicherung sowie Multicore-Software. Aufbauend auf diesen werden wir unsere F&E-Leistungen in den nächsten Jahren ausbauen. Unsere Ergebnisse präsentieren wir auf zahlreichen Messen und Veranstaltungen, zum einen, um unsere Forschung am Markt zu spiegeln, zum anderen, um mit unseren Kunden in intensiven Kontakt zu treten. In 2011 waren wir auf 15 Messen und Veranstaltungen vertreten, u. a. auf der Internationalen Automobil-Ausstellung IAA in Frankfurt am Main, der Embdedded World und auf der SPS/IPC/Drives in Nürnberg. 4 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

5 Bedanken möchte ich mich an dieser Stelle bei der regen Beteiligung unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter zur fraunhoferweiten Mitarbeiterbefragung Ende Mit einer Beteiligungsquote von 93 Prozent stand die Fraunhofer ESK Fraunhofer-intern mit an der Spitze. Diese hohe Teilnahme zeugt von großem Engagement der ESK-Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, bei denen ich mich gleichzeitig für die geleistete Arbeit bedanken möchte, ohne die eine exzellente Forschung und erfolgreiche Projektarbeit nicht möglich wäre. Meinen Dank aussprechen möchte ich auch allen unseren Partnern und Auftraggebern aus Wirtschaft, Wissenschaft, und Politik. Mit dem vorliegenden Jahresbericht 2011/2012 erhalten Sie einen Überblick über unsere Forschungstätigkeiten und Highlight-Projekte im Jahr 2011 und einen Ausblick auf Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Durchlesen unseres Jahresberichts.

6 Inhaltsverzeichnis n Jahresbericht 2011/2012 n Labore Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK Das Management-Team Die Fraunhofer ESK in Zahlen Unsere Kunden und Partner Automotive Lab Industrial Lab Enterprise Communication Lab DSL & Access Test Lab Lehrstuhl für Kommunikationssysteme n Automotive n Kernkompetenzen Leitungsgebundene Übertragungstechnik Lokale Funknetze Zuverlässige Ethernet-/IP-Kommunikation Geschäftsfeld Automotive Leistungsbereich Automotive Networks Fraunhofer fährt sicher elektrisch Einheitliche Schnittstellen für Infotainment-Anwendungen Adaptive Systeme Leistungsbereich Automotive Connectivity Modellbasierter Software-Entwurf und Absicherung Multicore-Software Prädiktive Lichttechnik Kommunikation für das Energiemanagement bei Elektrofahrzeugen Leistungsbereich Automotive Software Software mit garantierter Zuverlässigkeit Durchgängige Modellierung und Codegenerierung für eingebettete Systeme Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

7 n Industrial Communication n Namen, Daten, Ereignisse Geschäftsfeld Industrial Communication Veranstaltungen Leistungsbereich Industrial Networks Publikationen Zuverlässig funken durch Koexistenzmanagement Smart vernetzt mit softwarebasierten Funksteckdosen Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick So finden Sie uns Leistungsbereich Industrial Software Impressum Software-Methodik für eingebettete Multicore-Systeme Adaptive Automatisierungstechnik validieren und testen n Telecommunication Geschäftsfeld Telecommunication Leistungsbereich Access & Inhouse Networks Satellitengestützt kommunizieren Leistungsbereich Communication Solutions Mobiles Lernen Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012 7

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9 Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK Die Fraunhofer ESK forscht anwendungsorientiert an neuen Verfahren und Methoden der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) für vernetzte Systeme. Für die Fraunhofer ESK stehen Zuverlässigkeit, Flexibilität und Ressourceneffizienz bei der Gestaltung der zunehmend verteilten und heterogenen vernetzten Systeme im Vordergrund. Damit unterstützt sie die Industrie vor allem in den Marktsegmenten Automobil und Verkehr, Energie versorgung, Automatisierung, Gebäude- und Sicherheitstechnik sowie Tele kommunikation. Allein im Jahr 2011 arbeiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dazu mit über 60 Partnern zusammen das Kundenspektrum reicht dabei von großen, internationalen Konzernen über mittelständische Unternehmen bis zu kleinen Unternehmen sowie öffentlichen Auftraggebern. Die Fraunhofer ESK ist Teil des Fraunhofer-Netzwerks und beschäftigt inzwischen rund 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Der Leiter der Fraunhofer ESK, Prof. Dr.-Ing. Rudi Knorr, ist seit 2006 auch Ordinarius für Kommunikationssysteme an der Fakultät für Angewandte Informatik der Universität Augsburg. Seit 2011 hat zudem der Forschungsleiter für adaptive Software-intensive Systeme, Prof. Dr. habil. Christian Prehofer, die Vertretung des Lehrstuhls für Programmierung und Softwaretechnik an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München übernommen. Mit diesen Universitätsanbindungen gewährleistet die Fraunhofer ESK für ihre Forschungsund Entwicklungsleistungen einen umfassenden Zugang zur Grundlagenforschung. Die Kernkompetenzen Die steigende Komplexität der hochgradig vernetzten IKT- Systeme erfordert neue Systemarchitekturen und -methoden. Für ihre Angebote und Leistungen greift die Fraunhofer ESK dabei auf sechs Kernkompetenzen zurück, die das technologische Wissen der Einrichtung über die Geschäftsfelder hinweg bündeln: n Die Kernkompetenz Leitungsgebundene Übertragungstechnik umfasst Übertragungsverfahren und Protokolle für Access- und Inhaus-Netze. n Die Kernkompetenz Lokale Funknetze reicht von physikalischen Übertragungsverfahren über drahtlose Kanäle bis zur Anwendungsrealisierung. n Die Kernkompetenz Zuverlässige Ethernet-/IP-Kommunikation untersucht die Anwendung von Ethernet und IP-basierten Protokollen in eingebetteten Systemen. n Der Schwerpunkt der Kernkompetenz Adaptive Systeme liegt auf adaptiven, Software-intensiven und eingebetteten Systemen. n Die Kernkompetenz Modellbasierter Software-Entwurf und Absicherung bündelt modellbasierte Methoden für die Software-Entwicklung. n Die Kernkompetenz Multicore-Software untersucht, wie Software für Multicore-Systeme optimal angepasst und parallelisiert werden kann. Die Geschäftsfelder Mit dem bereichsübergreifenden fachlichen Wissen aus den Kernkompetenzen unterstützt die Fraunhofer ESK Unter nehmen und öffentliche Auftraggeber in den Geschäftsfeldern Automotive, Industrial Communication und Telecommunication. Das Geschäftsfeld Automotive bietet Fahrzeugherstellern sowie deren Zulieferern Forschungs- und Entwicklungsleistungen in den drei Leistungsbereichen Automotive Networks, Automotive Connectivity und Automotive Software an. Die Experten entwickeln zukünftige Bordnetzarchitekturen, Middleware-Technologien und Software-Architekturen für automobile Netzwerke sowie Konzepte und Lösungen für die Fahrzeug-Umwelt-Vernetzung und die Integration mobiler Endgeräte und Dienste. Zudem ist das Geschäftsfeld auf Software-Entwurfsmethodik, durchgehende Testkonzepte und eine frühzeitige Absicherung von Software-Spezifikationen in diesen Feldern spezialisiert. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012 9

10 Das Geschäftsfeld Industrial Communication arbeitet in den Leistungsbereichen Industrial Networks und Industrial Software. Themen wie lokale Funknetze, energieeffiziente Sensornetzlösungen oder Smart Grid Communication werden von den Wissenschaftlern bei Industrial Networks verfolgt. An neuen Architekturen und Performanceanalysen für Multicore- Software sowie an adaptiver Software in mecha tronischen Systemen arbeitet der Leistungsbereich Industrial Software. Zielgruppen des Geschäftsfelds sind Hersteller und Betreiber in der Automatisierungstechnik und Energieversorgung sowie der Gebäude- und Sicherheitstechnik. Das Geschäftsfeld Telecommunication arbeitet im Leistungsbereich Access & Inhouse Networks an der Weiterentwicklung und Optimierung von Highspeed-Wireline-Technologien (DSL, G.hn und Powerline) und an der adaptiven Nutzung aller Verkabelungssysteme in Gebäuden inklusive Stromleitungen. Zudem werden Technologien für hybride Accessnetze, einschließlich der Satellitenkommunikation, untersucht. Für Unternehmen und öffentliche Einrichtungen bietet der Leistungsbereich Communication Solutions fachliche Beratung und Analysen zu Kommunikationslösungen an. Das Spektrum reicht von Sicherheitsevaluationen über Patentgutachten bis zur Konzeption von Systemarchitekturen. 10 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

11 Das Management-Team Prof. Dr.-Ing. Rudi Knorr ist seit 2003 Leiter der Fraunhofer ESK. Im August 2006 wurde er an die Universität Augsburg auf den Lehrstuhl für Kommunikationssysteme berufen. Die fachlichen Schwerpunkte seiner wissenschaftlichen Arbeit liegen insbesondere in der Selbstorganisation von Kommunikationssystemen, deren Methoden auch zunehmend in Systemen außerhalb der Kommunikationstechnik, wie dem Fahrzeug, dem Fahrzeugumfeld und bei der Steuerung und Überwachung von Industrieanlagen, an Bedeutung gewinnen. Dipl.-Ing. Sven Brandt leitet seit 2012 das Geschäftsfeld Telecommunication bei der Fraunhofer ESK. Zugleich ist er seit 2002 Leiter des Kompetenzzentrums Sprach- und Mobilkommunikation der Fraunhofer- Gesellschaft. Seine fachlichen Schwerpunkte konzentrieren sich auf Access- und Inhousenetze sowie Kommunikationslösungen für Unternehmen. Bevor er im Jahr 2000 zur Fraunhofer ESK wechselte, hatte er verschiedene Positionen in der Telekommunikationsbranche inne. Dr.-Ing. Dirk Eilers ist seit 1999 bei der Fraunhofer ESK und leitet seit 2007 das Geschäftsfeld Automotive. Zuvor war er verantwortlich tätig in der Forschung und Entwicklung in den Bereichen Automotive und Embedded Systems promovierte er zur dynamischen Rekonfigurierung adaptiver Echtzeitkommunikationssysteme. Seine fachlichen Schwerpunkte liegen in den Bereichen Automotive Kommunikationsprotokolle und Entwurf für Infotainment und eingebettete Systeme. Seit 2000 ist Dipl.-Ing. Martina Gerloff Verwaltungsleiterin der Fraunhofer ESK. Nach verschiedenen Tätigkeiten im Controlling begann Martina Gerloff 1992 ihre Tätigkeit in der Fraunhofer- Gesellschaft, wo sie in der Abteilung Forschungs- und Budgetplanung der Zentralverwaltung tätig war. Hier war sie für die Erstellung und Fortschreibung des Institutsbudgets für Deutschland und USA zuständig. Dipl.-Ing. Mike Heidrich ist seit 1999 bei der Fraunhofer ESK und leitet seit 2008 das Geschäftsfeld Industrial Communication. Sein Schwerpunkt liegt auf der Erforschung neuer Methoden für die industrielle Kommunikation und Softwareentwicklung. Nach seinem Studium der Elektrotechnik folgte eine dreijährige Industrietätigkeit, in der er sich mit der Entwicklung und Inbetriebnahme softwarebasierter SCADA-Systeme beschäftigte. Prof. Dr. habil. Christian Prehofer ist seit 2009 bei der Fraunhofer ESK und dort Forschungsleiter für Adaptive Software-intensive Systeme. Seit 1998 hatte er mehrere Forschungs- und Leitungspositionen in der Telekommunikationsbranche inne, zuletzt als Direktor bei Nokia Research. Zurzeit ist er zudem in Vertretung als Professor an der LMU München im Bereich Softwaretechnik tätig. Seine Forschungsinteressen liegen in adaptiven, selbstorganisierten Systemen sowie Multicore-Software. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

12 Die Fraunhofer ESK in Zahlen Personalentwicklung Am waren in der Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK insgesamt 58 Mitarbeiter angestellt. Davon arbeiteten ca. 78 % im wissenschaftlich-technischen Bereich und ca. 22 % im Verwaltungsbereich. 91 Praktikanten, Diplomanden und wissenschaftliche Hilfskräfte unterstützten die Wissenschaftler in 2011 bei ihrer Arbeit. Interne Dienste 22,4 % Technische Mitarbeiter 13,8 % Wissenschaftler und Ingenieure 63,8 % Aufwendungen (in Tausend Euro) Der finanzielle Aufwand für das Personal lag im Jahr 2011 bei etwas mehr als 3,4 Mio. Euro, der Sachaufwand betrug knapp über 1,7 Mio. Euro. Der Aufwand für Investition belief sich auf fast Euro Personalaufwand Sachaufwand Investitionen Erträge (in Tausend Euro) Insgesamt lagen die Erträge der Fraunhofer ESK im Jahr 2011 bei knapp 4,4 Millionen Euro Wirtschaftserträge Öffentliche Erträge EU-Erträge Interne Erträge Interne Programme Sonstige Erträge 12 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

13 Unsere Kunden und Partner Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

14 Lehrstuhl für Kommunikationssysteme Der Institutsleiter der Fraunhofer ESK, Prof. Dr.-Ing. Rudi Knorr, ist gleichzeitig Ordinarius des Lehrstuhls für Kommunikationssysteme an der Fakultät für angewandte Informatik der Universität Augsburg. Der Lehrstuhl widmet sich der Erforschung von Grundlagen in den Zukunftsthemenfeldern selbstorganisierende Kommunikationssysteme in Verbindung mit Next Generation Networks wie Cyber- Physical-Systems oder dem Internet of Things. Im Mittelpunkt von Forschung und Lehre stehen die neuen Anforderungen an die Informations- und Kommunikationstechnik, die vor allem durch die Mobilität des modernen Menschen entstehen. U. a. wird untersucht, wie gewährleistet werden kann, dass lokale Netzwerke zum Beispiel in privaten und öffentlichen Gebäuden oder im PKW und öffentliche Netzwerke nahtlos ineinander übergehen. Schwerpunkte sind hier die Erforschung der drahtlosen Ad-hoc-Vernetzung und die Selbstorganisation von Netzwerken. Selbstorganisierende Systeme Zukünftig wird die Anzahl von Kommunikationsdevices (Endgeräte, Sensoren, Aktoren, eingebettete Systeme) sowie die Leistungsfähigkeit und die Komplexität der Geräte und der Infrastruktur für die Vernetzung stark ansteigen. Aspekte wie die Zuverlässigkeit, die Flexibilität sowie die Ressourceneffizienz von vernetzten Systemen stehen hier verstärkt im Fokus. Notwendig ist dafür, dass die Systeme intuitiv mit dem Menschen interagieren bzw. viele Aufgaben autonomer als bisher erfüllen, d. h. sich mehr und mehr selbst organisieren. Selbstorganisation umfasst die so genannten Self-X-Technologien, wie z. B. Self-management, Self-awareness, Self-[re]configuration, Self-optimisation, Self-healing, Self-protection, Self-adaption und Self-description. Im Rahmen der Forschung werden aktuell adaptive Verfahren zur dynamischen und effizienteren Ausnutzung drahtloser Kanäle über Verfahren und Protokolle der Selbstorganisation in drahtlosen Systemen bis hin zur Konzeption und Untersuchung von neuen dynamischen Automotive- Kommunikationsplattformen verfolgt. Next Generation Networks (NGN) Die Anforderungen an neue Kommunikationsnetze sind die Realisierung von Netz- und Standort-übergreifender Sprach-, Video- und Datenkommunikation. Je nach Bedarf des Teilnehmers sind ein dynamisches Bandbreitenmanagement, sehr kurze Verzögerungszeiten, hohe Bandbreiten und neue intelligente Dienste unter gleichzeitiger Minimierung der Kosten bei Endgeräten und dem Netzbetrieb notwendig. Diese Anforderungen erfüllt zukünftig ein Next Generation Network (NGN) ein Kommunikationsnetz, das durch die Konvergenz herkömmlicher Netze (Telefonnetze, Mobilfunknetze etc.) mit IP-basierten Netzen und offenen Kommunikationsplattformen entsteht und welches integrierte Multi media dienste und persönliche Informationen bedarfsorientiert bereitstellt. Aktuelle Forschungsprojekte untersuchen beispielsweise die Konzeption von zuverlässiger Ethernet- und IP-Kommunikation für neue Anwendungs bereiche wie die Onboard-Kommunikation in Fahrzeugen und die Gebäudekommunika tion oder die Fahrzeug-Umwelt-Vernetzung und die Integration mobiler Endgeräte und Dienste in das Fahrzeug. 14 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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16 Kernkompetenzen Leitungsgebundene Übertragungstechnik Lokale Funknetze Zuverlässige Ethernet-/IP-Kommunikation Adaptive Systeme Modellbasierter Software-Entwurf und Absicherung Multicore-Software

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18 Kernkompetenz Leitungsgebundene übertragungstechnik Die Fraunhofer ESK arbeitet seit ihrer Gründung an der Optimierung von breitbandigen Übertragungssystemen auf der Basis von Kupferleitungen. Aktuell betreibt sie als einziger Anbieter am freien Markt ein umfangreich ausgestattetes DSL & Access Mess- und Test labor für die breitbandige Übertragung mit Kupferdoppeladern. Parallel zu DSL werden leitungsgebundene Inhaus-Übertragungstechnologien untersucht, vor allem die Übertragung von Daten über Stromleitungen, Powerline Comunication (PLC). Darüber hinaus betrachtet die Fraunhofer ESK durch hochbitratige Übertragung bedingte Effekte realer Systeme, zum Beispiel das Abstrahlverhalten von Leitungen, die beim Einsatz breitbandiger Übertragungen in definierten Einsatzszenarien wie in Gebäuden und bei Energienetzen eine Rolle spielen. Breitbandige Übertragung auf Twisted-Pair Leitungen und DSL-Systemtechnik Bei der Fraunhofer ESK werden Verfahren des Dynamic Spectrum Managaments (DSM) erarbeitet. Ein Lösungsansatz ist das VDSL-Vectoring zur Kompensation von systembedingten Eigenstörungen (SELF-FEXT) der VDSL-Übertragungssysteme. Dieses kann sowohl mit Verfahren zum Bonding von Leitungen als auch der Gewinnung zusätzlicher Übertragungskapazitäten durch den Einsatz von Phantomschaltungen kombiniert werden, wodurch Datenraten von bis zu 300 Mbit/s erreicht werden. Die Untersuchung von Low Power Modi in Verbindung mit Algorithmen zur Verbesserung der Verbindungsstabilität einzelner DSL-Systeme rundet die F & E-Leistungen ab. Basierend auf Messungen wurden Modelle für Twisted Pair Leitungen und Kabel entwickelt sowie Simulationsumgebungen aufgebaut, mit dem Ziel der Energieoptimierung breitbandiger Übertragungssysteme. Neben der Untersuchung von Systemen durch Simulation können neue Übertragungssysteme, zum Beispiel auf Basis des G.hn-Standards, in das Labor und die dort installierte Testumgebung integriert und unter realen Bedingungen untersucht werden. Powerline Communication Zunehmend werden für den breitbandigen Internetzugang innerhalb von Gebäuden optimierte hochbitratige Übertragungsstrecken benötigt. Hier bieten sich aufgrund ihrer Penetration und Struktur Stromleitungen an. Die aktuellen Forschungsthemen unterteilen sich in die breitbandige Powerline-Übertragung (Broadband PLC) und die Schmalbandübertragung (High Bitrate Narrowband PLC). Bei der breitbandigen Powerline sind neue Übertragungs verfahren zu erforschen, die es erlauben Frequenzbereiche über 30 MHz für die Datenübertragung zu nutzen. Angestrebt werden Daten raten von über 100 Mbit/s bis zu 1 Gbit/s, die die Power line für die Multi media-übertragung und IPTV- Anwendungen in Mehrparteiengebäuden nutzbar machen. Im Bereich der schmalbandigen Übertragungsverfahren geht es um eine hohe Bandbreiten effizienz, d. h. Übertragungsraten von bis zu 1 Mbit/s unter Ausnutzung möglichst weniger Ressourcen im Frequenzband. Diese Übertragung muss für Dienste wie das Smart Metering oder Demand Side Management sehr robust möglich sein. Dipl.-Ing. (FH) Mathias Leibiger Telefon: mathias.leibiger@esk.fraunhofer.de 18 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

19 Kernkompetenz Lokale Funknetze Funknetze sind längst nicht mehr auf Telefone und Computer beschränkt, sondern breiten sich in neue Anwendungsbereiche aus. Prägnante Beispiele sind die Vernetzung von Fahrzeugen mit ihrer Umgebung, Car-to-X Kommunikation und die Funkvernetzung in industriellen Anlagen, Industrial Wireless und Machine-to-Machine (M2M). Standardtechnologien sind hier oft nicht direkt einsetzbar. Beispielsweise ist eine mangelnde Zuverlässigkeit von drahtlosen Verbindungen ein Kriterium, das potentielle Nutzer davon abhält, Funktechnologien für ihre Anwendungen einzusetzen. Auf der anderen Seite verfügen Funknetze über Eigenschaften, allen voran die Flexibilität und Mobilität, die Anwendungen wie Car-to-X und Sensorvernet zungen in der Industrie erst ermöglichen. Dies und die mög lichen Einsparpotentiale durch den geringeren Installations aufwand von Funksystemen machen Funk attraktiv. Die Übertragung von Daten in Funknetzen unterliegt besonderen physikalischen Randbedingungen. Im Vergleich zur leitungsgebundenen Übertragung ergeben sich spezifische Eigenschaften, wie eine starke Übertragungsdämpfung, externe Störungen und Mehrwegeausbreitungen, die zu Interferenzen führen. Die Umgebung, im Freien oder in Gebäuden, bestimmt die Kanaleigenschaften. Beim Entwurf von Sender- und Empfängersystemen und der Implementierung von Protokollstacks müssen diese Eigenschaften entsprechend berücksichtigt werden. Cognitive Radio in lokalen Netzen Durch den zunehmen Funkverkehr wird eine höhere Ressourceneffizienz im Funkspektrum benötigt. Gleichzeitig muss durch Vermeidung von Kollisionen und Interferenzen eine höhere Robustheit der Übertragung erreicht werden. Die Fraunhofer ESK setzt auf die Cognitive Radio-Technologie und hat Verfahren für Spectrum Sensing und Channel Prediction untersucht und implementiert. Hier kommen Software Defined Radio (SDR) Plattformen zum Einsatz. Wichtige Ergebnisse sind der Aufbau eines Funkmessplatzes für die Analyse und Überwachung von Funkspektren sowie der Aufbau einer Biblio thek von Softwarekomponenten für Cognitive Radio. Wireless Sensor Actor Networks Die Fraunhofer ESK konzentriert sich bei Sensornetzen auf Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Echtzeitfähigkeit. Mit dem ESK-eigenen Sensornetz-Baukasten wurde ein Protokollstack entwickelt, der insbesondere für Anwendungen mit hoher Energieeffizienz konzipiert ist. Implementiert wurden vor allem energieoptimierte MAC Verfahren, die sowohl im 868 MHz als auch im 2,4 GHz Bereich einsetzbar sind. Weiterhin werden Arbeiten zu robusten und skalierbaren Routingprotokollen sowie zu Sensornetz Middleware durchgeführt. Car-to-X Kommunikation Die Car-to-X Kommunikation für sicherheitsrelevante Anwendungen findet im dafür reservierten 5,9 GHz-Band statt. Auf drei 10 MHz breiten Kanälen wird die Kommunikation abgewickelt. Auch bei starker Verkehrsbelastung müssen sicherheitskritische Nachrichten rechtzeitig und zuverlässig von allen relevanten Verkehrsteilnehmern empfangen und ggf. weitergeleitet werden. Daher untersucht die Fraun hofer ESK zuverlässige und echtzeitfähige Kommunikation für kooperative Verkehrssicherheitsanwendungen. Dazu gehören hetero gene drahtlose Übertragungstechnologien, zuverlässige Routingprotokolle, Multihop- und Multichannel-Kommunikation sowie Mechanismen zur Überlastvermeidung (Distributed Congestion Control). Für eine schnelle Entwicklung und reale Tests wurde ein Car-to-X Framework implementiert, das neben dem Kommunikationsstack auch Basisdienste beinhaltet. Dipl.-Ing. Günter Hildebrandt Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

20 Kernkompetenz Zuverlässige Ethernet-/IP- Kommunikation Ethernet und IP sind voneinander unabhängige Technologien, werden aber trotzdem häufig in einem Atemzug genannt. Beide profitieren stark voneinander und sind quasi Monopolisten im Bereich lokaler Netzwerke. Da die Technologien ursprünglich für den reinen Datentransport konzipiert wurden, sind erst im Laufe der Zeit Mechanismen für eine Dienstgüteabsicherung für verschiedene Anwendungsgebiete, zum Beispiel Telefonie und Multimedia-Übertragung, hinzugekommen. Bisher wurden aber noch keine Mechanismen für Echtzeitanforderungen integriert. Zudem ist neben der Dienstgüte im Embedded Umfeld der Ressourcenverbrauch, wie Energie-, CPU- und Speicherbedarf, von großer Bedeutung. Dies wird bisher nur unzureichend von Ethernet-/IP-Technologien und Implementierungen abgedeckt. Daher haben sich Einzel- oder Speziallösungen, wie FlexRay oder MOST im Marktsegment Automotive und EtherCat oder ProfiNet im Marktsegment Automatisierung, etabliert. Derartige Speziallösungen sind meist mit einem hohen technischen und finanziellen Aufwand verbunden und besitzen nur wenig Evolutionspotential. Dem gegenüber steht der Wunsch nach preisgünstigen Ethernet- und IP-Lösungen mit hohen Bandbreiten. Automotive Ethernet-/IP-Netze Infotainment- und Fahrerassistenz-Systeme zeichnen sich durch einen hohen Bedarf an Vernetzung und einer signifikant gestiegenen Bandbreitenanforderung aus. Deswegen hat die Fraunhofer ESK eine für den Transport von Medienströmen erforderliche Zeitsynchronisierung im Ethernet auf Basis des IEEE P1588 bzw. IEEE 1722 Standard untersucht. Neben der Reali sierung von Echtzeit-Ethernet besteht ein hoher Forschungsbedarf in der Kommunikations- und Netzwerkplanung und in der zuverlässigen Verwaltung von Ressourcen. Vor allem der Test von Zeitsynchronisations-Mechanismen erweist sich in der Praxis als zunehmend schwierig. Zusammen mit einer genauen Netzwerkplanung und spezifischen Tests zur Einhaltung der angenommen Verhaltensmuster wird die Verlässlichkeit der Kommunikation mittels Ethernet sichergestellt. Um in allen Systemzuständen eine ausreichende Zuverlässigkeit und Dienstgüte sicherzustellen, wird der Ansatz eines adaptiven Ressourcen-Managements zur Laufzeit verfolgt. Ebenfalls nicht ausreichend untersucht sind das Management funktionaler Sicherheit und das Energie-Management bei sich verändernden Netzen. Die Fraunhofer ESK forscht auf dem Gebiet des adaptiven Ressourcenmanagements und erarbeitet Lösungsansätze für autonome Parametrierung und Systembeschreibung. Gebäudekommunikation auf Ethernet-/IP-Basis Bei der Gebäudekommunikation sind die Innovationszyklen länger als bei Automobilen, so dass sich die marktreife Umsetzung mit Industriepartnern über einen längeren Zeitraum verteilt. Die Fraunhofer ESK hat bereits vor zirka zehn Jahren einen Ansatz entwickelt, bestehende und neue gebäudespezifische Dienste auf einer einheitlichen Vernetzungsplattform abzubilden. Für Mehrparteiengebäude müssen solche Plattformen verteilt aufgebaut werden, woraus sich der Bedarf einer echtzeitfähigen breitbandigen Backbonevernetzung ergibt. Auf der Ebene der IP-Kommunikation geht es vor allem um die Abbildung von spezifischen Diensten, z. B. Intercom und Tür kommunikation, auf die Protokolle in der IP-Welt. Hierfür müssen Protokolle wie SIP um einige Spezifika erweitert werden. Mit einem Industriepartner wurde ein Komplettkonzept für ein integriertes IP-basiertes Gebäudekommunikationssystem erarbeitet, das sich bereits in der Produktumsetzung befindet. Dipl.-Ing. Falk Langer Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

21 Kernkompetenz Adaptive Systeme Adaptivität kann die Ressourceneffizienz und Flexibilität von software-intensiven, eingebetteten Systemen verbessern. Adaptivität bedeutet, dass sich ein System an Veränderungen in der Umgebung, den Anforderungen und den Ressourcen intern und extern anpasst. Die Kontrolle der Adaptivität muss dabei die Zuverlässigkeit sicherstellen, was für viele eingebettete Systeme essentiell ist. Darüber hinaus sind viele dieser Systeme verteilt, d. h. mehrere Recheneinheiten sind vernetzt und erbringen gemeinsam Dienste. Die Herausforderungen sind die Koordination, Effizienz und Konsistenz der Adaption in solchen verteilten Systemen, die durch Entwurf und Analyse der Systeme sicher gestellt werden müssen. Adaptivität muss bereits im Entwurfs- und Designprozess betrachtet werden, was neue Konzepte im Entwurf von verteilten Diensten und der Verteilung von Funktionalität in vernetzten Systemen erfordert. Derzeit werden Features und Aspekte eines Systems, auch Variabilität genannt, im Entwurf festgelegt und können zur Laufzeit nicht angepasst werden. Ein Forschungsziel der Fraunhofer ESK ist daher eine durchgängige Methodik und Modellierung für adaptive Systeme, die Variabilität und Adaptivität und deren Kontrollmechanismen integriert. prozesse effizient und korrekt durchzuführen. Das bedeutet, dass Rekonfigurationen nur in der richtigen Situation stattfinden, und dann auch unter den zeitlichen Rahmenbedingungen von eingebetteten Systemen, die oft hohen Anforderungen bzgl. Verfügbarkeit und Echtzeit unterliegen. Daneben muss im Fall einer Rekonfiguration eine gültige neue Konfiguration ermittelt werden. Abschließend muss ohne Beeinträchtigung des Systems in diese neue Konfiguration gewechselt werden. Entwicklung Adaptiver Systeme Für den Entwicklungsprozess werden von der Fraunhofer ESK Methodik und Architekturkonzepte entwickelt, die auf Basis von featureorientiertem Design den Übergang zu adaptiven Systemen ermöglichen. Ziel ist, die einzelnen Features eines Systems zu modellieren und systematisch durch Entwurfs- und Designentscheidungen im Entwicklungsprozess ein Produkt zu entwickeln. Durch die Modellierung der Abhängigkeiten zwischen den Features und den Systemressourcen, auch nichtfunktionale Eigenschaften genannt, wird es möglich, systematisch die mögliche Variabilität im Design und zur Laufzeit zu behandeln. Den Kern ihrer Arbeiten zu adaptiven Systemen sieht die Fraunhofer ESK in der Konzeption, Implementierung und Evaluierung von Systemkonzepten für verteilte, eingebettete Systeme. Adaptive Software-Systeme Der Schwerpunkt liegt auf Adaptivität in vernetzten, verteilten Systemen. Hierfür hat die Fraunhofer ESK Konzepte erarbeitet, die eine effiziente und zuverlässige Rekonfiguration von verteilter Software ermöglichen. Diese wurden in Simulationen evaluiert und auf Steuergeräten im Automobil demonstriert. Die Arbeiten umfassen sowohl System- und Architektur konzepte von adaptiven Systemen als auch den Rekonfigurationsprozess an sich. Adaptivität durch Rekonfiguration von Software-Komponenten hat mehrere wichtige Aspekte: Zum einen muss die Kontrollstruktur des Systems in der Lage sein, Entscheidungs- Prof. Dr. habil. Christian Prehofer Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

22 Kernkompetenz Modellbasierter software-entwurf und absicherung Mit Software entstehen interaktive Funktionen in vernetzten Systemen, z. B. in Autos oder Industriesteuerungsanlagen. Die zunehmende Komplexität der Vernetzung und Interaktion dieser Funktionen erfordert neue Ansätze in der Software-Entwicklung und Absicherung. Insbesondere die Sicherstellung des funktionalen und nicht-funktionalen Kommunikationsverhaltens stellt eine grund legende Herausforderung dar. Mit Hilfe modellbasierter Verfahren ist eine Abstraktion möglich, durch welche die Komplexität der Vernetzung und Interaktion beherrscht werden kann. So helfen ausführbare Spezifikationsmodelle in sehr frühen Phasen der Entwicklung, um Spezifikationsschwächen und -lücken zu lokalisieren und zu identifizieren. Diese wurden bereits erfolgreich zur Validierung von Schnittstellenverhalten von Infotainment Software-Funktionen im Auto eingesetzt. Exploration des Entwurfsraums und Analyse In vernetzten Systemen müssen neben den funktionalen Eigen schaften sogenannte nicht-funktionale Eigenschaften, wie Zeitverhalten oder Verlässlichkeit, berücksichtigt werden. Mit Modellierungserweiterungen wie MARTE ist die Spezifikation nicht-funktionaler Eigenschaften von UML Software- Komponenten möglich. So wird beispielsweise im Projekt CHESS die automatisierte Generierung eines Analysemodells zur simulationsbasierten Validierung des Zeitverhaltens mit dem eigenen DynaSim Framework untersucht. Speziell bei eingebetteten Systemen ist eine frühe Exploration des Entwurfsraums unerlässlich, um ressourcen- und somit kosteneffiziente Systeme zu entwickeln. Hierbei ist die Integration verschiedener Verfahren zu Entwurfsraumexploration für die spezifischen Anwendungsgebiete wichtig. Dabei müssen neben der reinen Software-Modellierung auch die Charakteristiken der Zielplattformen in den Entwicklungsmodellen berücksichtigt werden. Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK setzen auf iterative Verfahren, die das mehrmalige Feedback aus Simulationen und anderen Analysen beinhalten. Ein Hauptpunkt ist hierbei, dass Analyseergebnisse direkt in den Modellen angereichert bzw. zu deren Verbesserung herangezogen werden. Absicherung mit Modellen Auch in der Integrations- und Absicherungsphase können modellbasierte Verfahren gewinnbringend eingesetzt werden. Für die Absicherung vernetzter Systeme wird der Schwerpunkt auf das Kommunikationsverhalten gelegt. Diese Phase umfasst u. a. Modelle zur Testspezifikation, gezielt entwickelte ausführbare Testmodelle sowie Modelle zur Testfallabdeckung, -generierung und -bewertung. Die Fraunhofer ESK erforscht passive Validierungsmodelle, die (teil-)automatisiert aus Spezifikationsmodellen generiert werden können. Diese werden parallel zum System oder zur Komponente, welche getestet werden sollen, ausgeführt und erkennen durch ein sich aktuell in der Patentierung befindendes Verfahren Abweichungen vom spezifizierten Verhalten, also Fehler. Werkzeugplattformen für die Entwicklung Indem sie die Verfahren zur Verbesserung von domänenspezifischen Testmethoden in Werkzeugplattformen integriert, macht die Fraunhofer ESK diese für die praktische Entwicklung nutzbar. Hierzu werden häufig Modelltransformationen zur Integration verschiedener Modelle und Verfahren entwickelt. Durch diese können verschiedene Implementierungen von Kommunikationsschnittstellen sowohl generiert als auch überprüft werden. Dipl.-Inform. Gereon Weiß Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

23 Kernkompetenz Multicore-Software Die zunehmende Verbreitung von Multicore-Prozessoren führt zu einem Paradigmenwechsel in der Software- Entwicklung. Diese können die Rechenleistung deutlich erhöhen, wenn die Software an die parallele Verarbeitung in den Rechenkernen optimal angepasst wird. Während bislang die Software-Performanz durch die steigenden Taktraten der Hardware automatisch stieg, ist nun ein erheblicher Aufwand nötig, um die in Form mehrerer Rechenkerne zur Verfügung stehende Rechenleistung auszunützen. Dies betrifft sowohl die Neuentwicklung von Software als auch die Portierung bereits bestehender Software auf neue Multicore- Plattformen. Entwicklung von Multicore-Software Performanzoptimierung von Multicore-Software Ziel der Performanzanalyse ist es, die Verursacher zu hoher Antwortzeiten oder zu geringer Durchsätze zu identifizieren, um diese Defizite im weiteren Verlauf zu beheben. Um die internen Abläufe der Software zu erfassen, werden oft Profiler mit instrumentationsbasierten Verfahren genutzt. Sie beeinflussen das Zeitverhalten, weshalb bei ihrer Implementierung besonders viel Wert auf eine geringe Laufzeit gelegt werden muss. Die Beschränkungen von Hardware- und Software- Tracing erschweren zudem die Performanzanalyse von Multicore-Software. So liegt deren Problem zum einen darin, dass Softwareperformanz oft schwer zu messen ist, ohne durch die Instrumentierung die Ergebnisse zu verfälschen. Die Entwicklung von Software für parallele Systeme ist aufgrund der hohen Komplexität schwer und fehleranfällig. Da die Implikationen einer parallelen Ausführung verschiedener Programmteile vom Programmierer schwer zu erfassen sind und auch die geeigneten Werkzeuge fehlen, bleibt ein wesentlicher Teil des Potentials von Multicore-Prozessoren ungenutzt. Werden eingebettete Systeme mit Echtzeit-Anforderungen betrachtet, verschärfen sich diese Probleme noch. Durch gemeinsam genutzte Ressourcen innerhalb eines Multicores, z. B. Caches und Speicher, lassen sich kaum Aussagen zum Laufzeitverhalten machen, wie sie im Bereich der sicherheitskritischen Systeme erforderlich sind. Es zeigt sich auch, dass besonders im Embedded-Bereich die bestehenden Entwicklungswerkzeuge nicht ausreichend an die Anforderungen der Multicore-Programmierung angepasst sind. Zum anderen ist es oft sehr schwer, die genauen Performanzengpässe zu analysieren und die genauen Ursachen im Software design zu finden. Dies ist Gegenstand einiger For schungsarbeiten der Fraunhofer ESK mit Industrie partnern, aus denen mehrere Publikationen entstanden sind. Zu erwähnen ist hier das Projekt MucoS, in welchem mit Lantiq die Verbesserung der Toolkette für Multicore-Entwicklung auf eingebetteten Prozessoren untersucht und verbessert wird. Der Fokus der Fraunhofer ESK liegt in der Modellierung, Performanzmessung und -analyse als auch in Entwicklungswerkzeugen für Multicore-Systeme. Die Entwicklungswerkzeuge sollen dabei die speziellen Anforderungen für Multicore berücksichtigen, vor allem für Performanzevaluierung, Test und Debugging. Prof. Dr. habil. Christian Prehofer Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

24 Labore Automotive Lab Das Automotive Lab der Fraunhofer ESK bietet eine umfangreiche Werkzeuglandschaft für entwicklungsbegleitende Projekte mit Herstellern und Zulieferern. Die Wissenschaftler forschen hier an neuen Technologien für Netzwerke im Automobil, der funkbasierten Vernetzung von Fahrzeugen, an Echtzeitbetriebssystemen sowie Infotainmentsystemen und Virtualisierungs-Plattformen. Die Testaufbauten erlauben es, effizientere Software-Entwurfsmethodiken zu testen und die Ergebnisse mittels Prototypen zu verifizieren. Die neue ARTiS-XT-Plattform der Fraunhofer ESK ermöglicht ein schnelles Prototyping von Fahrzeugfunktionen sowie die Inte gration und den Test der Ergebnisse in realen Umgebun gen. Mit der ARTiS-XT können auch Infotainment-Anwendun gen durch den Einsatz einer schnelleren CPU mit einem leistungsfähigen Grafikprozessor erstellt werden. Der Echtzeit-Ethernet Testaufbau hilft, künftige Szenarien für den Einsatz von Ethernet im Automobil zu realisieren und eventuelle Risiken abzusichern. Das von der Fraunhofer ESK entwickelte SystemC Framework DynaSim für Hardware/Software-Co-Simulation dient der Absicherung von Kommunikationsbeziehungen. Ausstattung n Ausstattung für das Prototyping von Steuergeräten und das Messen an Fahrzeugbussen (CAN, MOST, FlexRay, Ethernet) n Steuergeräte-Test-Rack für Automotive Bordnetze n ESK DynaSim Framework für den Entwurf und die Simulation von adaptiver Bordnetzsoftware n ESK ARTiS-RT und ARTIS-XT-Plattformen: Zielsystem für u. a. CAN, MOST, FlexRay, RT-Ethernet und Infotainment-Anwendungen n Car-to-X Kommunikationshardware diverser Hersteller für Interoperabilitätstests und Optimierung der Funkübertragung n Test und Evaluierung von verschiedenen Betriebssystemen wie AUTOSAR oder Linux in verschiedenen Anwendungsbereichen n Durchführung von Konformitäts-Tests für MOST mit dem RUETZ Testerlyzer n Durchführung von TCP/IP Konformitäts-Tests mit zertifizierter TCP/IP Test-Suite n Werkzeuge für die Fahrzeug- und Restbussimulation wie die Vector CANOe Prototyping-Umgebung und das modellbasierte MODENA- Framework auf Basis von Rhapsody n Hardware-Plattformen für verschiedene Anwendungsszenarien z. B. FPGA Prototyping Plattformen für Xilinx und Altera Bausteine n Umfangreiches Entwicklungs- und Messequipment wie InCircuit- Debugger, Logic-State-Analyzer, Entwicklungswerkzeuge und Ethernet Performance-Analyse 24 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

25 Industrial Lab Das Industrial Lab der Fraunhofer ESK bietet umfangreiche Möglichkeiten zum Messen, Testen und Entwickeln von Kommunikationssystemen. Der Funkmessplatz untersucht die Funkumgebung, was ein Management der Frequenzen ermöglicht. So kann ein effizienter und robuster Betrieb von Funksystemen garantiert werden. Die Messdaten informieren darüber, welche Interferenzen zu erwarten sind und helfen bei der Auswahl der optimalen Funklösung. Für die vielen Anwendungsbereiche der Gebäudekommuni kation, z. B. Türkommunikation, Smart Metering oder Lokalisie rung, kann die Fraunhofer ESK anhand umfangreicher Aufbauten Vergleichsstudien und Bewertungen durchführen und Unternehmen bei der Entwicklung, der Auswahl und der Installation von solchen Systemen unterstützen. Mit den selbstentwickelten, energiesparenden Softwaremodulen lassen sich schnell anwendungsspezifische Sensornetzlösungen erstellen und implementieren. Mit den Software Defined Radios (SDR) können Realisierbarkeit und Implementierbarkeit neuartiger kognitiver Übertragungsverfahren einfach nachgewiesen werden. Ausstattung Messumgebung zur Analyse der Funkspektren und Funkausbreitung sowie drahtloser Protokolle n Breitbandiges Sende- und Empfangs-Antennensystem (300 MHz 7 GHz) n Spectrum Analyzer (auch Handheld) n Vector Network Analyzer n Oszilloskope n Signalgenerator n Logic Analyzer n SDR-basierter Wireless Sensor Network Analysator Software Defined Radio n Hardware: USRP2 mit 2,4/5 GHz und 868 MHz Daughterboard n Entwicklungsumgebung: GNURadio Sensornetz-Entwicklung n CC11xx, CC24xx und CC25xx n IEEE , Zigbee ISA100/Wireless HART n TinyOS, FreeRTOS, Contiki, Linux n MicroController: ATmega, MSP, EFM32 n Softwaremodule ( u. a. MAC, Routing, Bootloader) Softwarearchitekturen und -methoden n Multicoreumgebungen: Intel, AMD, Cavium Octeon n Mechatronische Simulationen: WinMod, SIMIT n SPS: Siemens Simatic n Modell eines mechatronischen Fertigungsprozesses Im Bereich der Softwarearchitekturen und -methoden verfügt das Labor über Systeme zur Erforschung und Erprobung n von neuen Architekturansätzen und Entwurfsverfahren für parallele Multicore-Anwendungen, n der virtuellen Inbetriebnahme mechatronischer Fertigungsprozesse und n von adaptiver und rekonfigurierbarer Automatisierungs- Software. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

26 Enterprise Communication Lab Im Enterprise Communication Lab analysiert die Fraunhofer ESK Kommunikationssysteme, testet deren Kompatibilität und ermöglicht so, kundenspezifische Lösungen zu evaluieren und anschließend entsprechende Konzepte auszuarbeiten. Gegenwärtig werden insbesondere Kommunikations- und Kollaborationssysteme evaluiert. Diese konvergenten Lösungen vereinen verschiedene Kommunikationsdienste wie Sprach- und Videokommunikation, Instant Messaging, Presence Information und Web-Konferenzen. Die Ingenieure verifizieren die Standard konformität, die Interoperabilität sowie die Sicherheit der Infor mationsübertragung und die Speicherung von Verbindungs daten. Auf dem Prüfstand steht außerdem die Integration mobiler Endgeräte in lokale Kommunikationslösungen. Das Labor ermöglicht die Untersuchung von Unified Communication-Systemen hinsichtlich der Kopplung mit existierenden Kommunikationsanlagen und IT-Managementsystemen, aber auch die Kopplung mit Gebäudeüberwachungs- und Zugangssystemen kann geprüft werden. Neben lokal installierten Systemen stehen webbasierte Lösungen im Fokus. So wird die Nutzungseignung von Public vs. Private Cloud-Lösungen, besonders in Kombination mit Smartphones und Tablets im Unternehmenseinsatz untersucht. Ausstattung Unified Communications-Installationen inkl. folgender Dienste n Sprach- und Video-Konferenzen n Presence und Instant Messaging n Application- and Desktop-Sharing n Mobile UC-Integration Mobile Endgeräte n Mobile Integrationskonzepte in UC-Umgebungen, IP-PBX-Anlagen und WebCollaboration-Lösungen Services Usability- und Interoperabilitäts-Tests n Evaluation von Systemkonstellationen n UC-Bedienkonzepte n Mobile UC-Integration Untersuchung der Informationssicherheit n Verteilte Kommunikationssysteme n Hosted WebCollaboration n Mobile Integration in verschiedene Kommunikationsumgebungen Kundenspezifische Lösungen n Entwicklung und Evaluierung von UC-Integrationskonzepten n Entwicklung bzw. Anpassung von spezifischen Portallösungen wie z. B. Rechnungsportal, Bewerberportal Referenzinstallation der fraunhoferweiten Kommunikationsplattform n Usability- und Performancetests n Evaluation neuer Features 26 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

27 DSL & Access Test Lab Die Fraunhofer ESK betreibt ein umfangreiches DSL & Access Test Lab. Es ermöglicht Tests von Komponenten, Diensten sowie neuen Lösungen innerhalb eines Telekommunikationsnetzwerkes. Die Testbereiche beginnen bei Endgeräten wie Telefonen, PCs oder Set Top Boxen und reichen bis zu IADs, Modems, Teilnehmeranschlussleitung und dem Access- und Aggregationsnetz. Auch Server für Video, Sprach- oder Datendienste werden getestet. Testschwerpunkte bilden neben Interoperabilität und Performance von DSL-Systemen die spektrale Verträglichkeit sowie die Einführung neuer Leistungsmerkmale. Reale Bedingungen werden durch den kombinierten Einsatz von verschiedenen Kabeln für die Anschlussnetze aus der eigenen Kabelfarm erreicht. Parallel kann auf die Nachbildung von Leitungsstrukturen eines vierstöckigen Wohnhauses mit 16 Wohnparteien zurückgegriffen werden, um die spezifischen Bedingungen des Inhouse-Bereiches zu berücksichtigen. Neben der Verifikation von Parametern und Funktionen in Tele kommunikationsnetzwerken werden Teilsysteme untersucht, die wiederum durch weitere Komponenten und Tests ergänzt werden können. Für die effiziente Testdurchführung wurde eine umfangreiche Testautomatisierung entwickelt. Aktuell werden Lösungen zur Verbesserung der Stabilität und Reichweite im Access Netz sowie deren Energieverbrauch messtechnisch untersucht. Ausstattung Leitungssimulatoren/Störungsgeneratoren für VDSL2, ADSL2+ und SHDSL gemäß ETSI, ANSI und Broadband Forum Anforderungen Leitungstestnetz bestehend aus Access- und Inhouse-Testnetz mit m Gesamtlänge und unterschiedlichen Leitungstypen Leitungstestnetz und Messplatz für PLC Übertragungssysteme DSLAM Siemens n HiX 5630 (M600): VDSL2, ADSL2+ n HiX 5300 (M200): ADSL, ADSL2, ADSL2+, SHDSL n XPress Link 2.1 (Mini DSLAM): ADSL (Annex A/B), SHDSL n Multiservice Access Plattform (MSAP): ADSL, ISDN, POTS, SHDSL DSLAM Alcatel n 7300 ASAM DSLAM: ADSL (Annex A und B), ADSL2+ (MultiDSL), SHDSL DSLAM Zyxel n VES1608: VDSL2 Aggregationsnetz aus Ethernet-/ATM-Switch und Access Router n Cisco CATALYST 3750 n Juniper ERX 700 Access Router n Extreme Summit 48xi n XPress Pass ATM Switch n Extreme Summit X450a n Siemens CMX-II Voicegateway Server für Daten, Sprach- und Videodienste Mess-Equipment n Vector Signal/Network/Spectrum/Impedance Analyzer n PC-basierte Daten-/Lastgeneratoren und Analysatoren n Ethernet Testsysteme (Spirent Smartbits, IXIA Chariot) n DSL- und ISDN-Tester n Bit Error Rate Tester n Ethernet und ATM Protokoll Tester n ATM Tester für Utopia Interfaces n Energie- und Leistungsmessgerät Messumgebung für Powerline Communication (PLC) n Leitungsnetz n Messplatz für PLC und G.hn Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

28 Geschäftsfeld Automotive Befragt man Verkehrsteilnehmer, was sie in Zukunft von Fahrzeugen erwarten, dann steht an erster Stelle die Sicherheit, gefolgt von Effizienz, Komfort und Flexibilität. Technologisch fordert dies eine immer stärkere Vernetzung sowohl innerhalb des Fahrzeugs wie auch mit seiner Umgebung. Intern besteht das Fahrzeug dabei aus einem zunehmend komplexen Netzwerk mit unterschiedlichen Anforderungen an z. B. die Zuverlässigkeit oder die Dienstqualität. Insbesondere im Bereich Elektromobilität besteht die Herausforderung darin, für neue Fahrzeug- und Nutzungskonzepte Lösungen für zukünf tige Kommunikationsarchitekturen zu entwerfen. Extern wird das Fahrzeug in Zukunft hochgradig mit der Umwelt vernetzt sein, um neue Dienste und Fahrerassistenzfunktionen zu realisieren. Durch die steigende Vernetzung und neue Anwendungen steigt die Komplexität der internen wie externen Kommunikation. Daher entstehen neue Konzepte für Software-Architekturen und durchgängige Entwurfsprozesse. Dies ermöglicht die abstrahierte Beschreibung der Funktionen und nicht-funktionaler Eigenschaften und das Nutzen dieser Informationen von der Spezifikation über den Test bis in den Betrieb. Themen und Ergebnisse Fahrzeuge sind zukünftig hochgradig und nahtlos vernetzt zur Steigerung von Sicherheit, Effizienz und Komfort. Daher erforscht die Fraunhofer ESK Technologien und Methoden für: n Effiziente Bordnetz-Technologien vom Netzwerk bis zur Middleware, n Fahrzeug-Umwelt-Vernetzung für Verkehrseffizienz, - sicherheit und Infotainment und n Entwurfsmethoden für Automotive-Anwendungen in komplexen, adaptiven Umgebungen. Mit der Erforschung neuer Technologien, erprobten Methoden und Modellen unterstützt das Geschäftsfeld Fahrzeughersteller und -zulieferer sowie Werkzeughersteller und Dienstleister bei der Steuergeräte-Entwicklung, der Untersuchung und Auslegung neuer Kommunikationstechnologien im Fahrzeug und der Fahrzeug-Umwelt-Vernetzung. Um die erforschten Technologien und Methoden auch in die Standar-

29 Geschäftsfeldleiter Dr.-Ing. Dirk Eilers Telefon: disierung zu überführen, engagiert sich das Geschäftsfeld Auto motive in Gremien wie AUTOSAR, GENIVI und dem CAR 2 CAR Communication Consortium. Forschungsfokus Sensordaten. Forschungsschwerpunkte sind adaptive Dienstplattformen und Plattformen für Datenaggregation bzw. Datenfusion für Fahrerassistenz sowie das Datenmanagement bei durchgängiger Infotainment-Vernetzung z. B. vom Heim in den Fahrzeugbereich. Der Leistungsbereich Automotive Networks erforscht zukünfti ge Vernetzungstechnologien. Auf Basis von Ethernet und IP und aufbauenden Software-Architekturen soll die domänenübergreifende Kommunikation von Funktionen vereinfacht werden. Auch Bordnetzarchitekturen für Elektrofahrzeuge, deren Antriebskonzepte sich durch einen hohen Grad der Dezentralisierung und Software-Steuerung auszeichnen, sowie die Energieeffizienz im Bordnetz werden untersucht. Zudem wird der Einsatz von Multicore- und Echtzeitsystemen betrachtet. Im Leistungsbereich Automotive Software werden neben dem modellbasierten Software-Entwurf auch der Architektur- Entwurf und Werkzeugplattformen erforscht. Im Fokus der Arbeiten stehen modellbasierte Werkzeuge und Werkzeugketten für einen durchgängigen Entwurf und Test sowie Metho den zur Adaption des Steuergeräteverbundes an fahrdynamische Situationen unter Berücksichtigung nichtfunktionaler Anforderungen. Leistungsbereiche Der Leistungsbereich Automotive Connectivity arbeitet an einem eigenem Car-to-X Framework zur Integration von Fahrerassistenzsystemen auf Basis von Kommunikations- und n Leistungsbereich Automotive Networks n Leistungsbereich Automotive Connectivity n Leistungsbereich Automotive Software

30 Leistungsbereich automotive networks Der Leistungsbereich Automotive Networks befasst sich mit der Kommunikationsinfrastruktur im Fahrzeug. Bussysteme wie FlexRay, MOST und Ethernet dienen in modernen Fahrzeugen der Kommunikation zwischen den Steuergeräten. Zunehmend finden Transportprotokolle wie TCP/IP und IP-basierte Middleware Verwendung. Diese sollen die Softwareentwicklung vereinfachen und die Wiederverwendbarkeit erhöhen. Im Fokus stehen dabei v. a. Infotainment-Anwendungen. Unter strichen werden diese Bemühungen durch die Mitgliedschaft im GENIVI Konsortium von Dr.-Ing. Dirk Eilers, Geschäfts feldleiter Automotive, der als Ansprechpartner für die Fraunhofer-Gesellschaft fungiert. Der Forschungsschwerpunkt liegt u. a. im Einsatz von Virtualisierungstechniken zum gleichzeitigen Betrieb von Echtzeit- mit Nicht-Echtzeitanwendungen auf Mehrkernprozessoren. Dies zu unterstützen und die Übertragung und Verarbeitung von Daten im Fahrzeug dabei schnell, sicher und energieeffizient zu gestalten, sind die Forschungsziele des Leistungsbereichs. Die Angebote des Leistungsbereichs Automotive Networks für OEMs und Zulieferer reichen von der Mitarbeit in Standardisierungsgremien über prototypische Machbarkeitsnachweise und die Unterstützung bei der Integration von Steuergeräten bis zur Absicherung der Standardkonformität von Kommunikationssoftware. Die Kerntechnologien und Forschungsschwerpunkte sind u. a. die Echtzeitfähigkeit von Laufzeitumgebungen wie Betriebssysteme, Middleware und Netzwerktechnologien. Elektromobilität Der unvermeidlich größere Grad der Elektrifizierung und somit der x-by-wire Funktionen stellt die Softwareentwicklung für Elektrofahrzeuge vor neue Herausforderungen. Der Leistungsbereich forscht daher an zukünftigen E/E-Architekturen für Elektrofahrzeuge. Diese sollen sicher, flexibel und besonders energieeffizient sein. Ihr Know-how konnten die Wissenschaftler im Rahmen der Fraunhofer-Systemforschung Elektromobilität in den Aufbau der beiden Elektroauto-Prototypen Frecc0 1.0 und 2.0 einbringen und um elektrofahrzeugspezifische Erkenntnisse erweitern. IP und Ethernet Prototyping mit ARTiS-XT Für die Erschließung neuer Netzwerktechnologien und -protokolle im Fahrzeug werden spezielle Mess- und Versuchsaufbauten erstellt, um neue Technologien und ihre spätere Integration in das Fahrzeug zu evaluieren. Der Leistungsbereich unterstützt dies mittels einer umfangreichen Testsuite zur Überprüfung der Konformität von TCP/IP-Protokoll-Implementierungen. Durch die Unterstützung von AUTOSAR, IPv4, IPv6 sowie weiterer spezieller Anforderungen für den Einsatz im Automobil wurde der Grundstein für systematisches Testen im Fahrzeug gelegt. Infotainment und GENIVI Zur Absicherung des Kommunikationsverhaltens werden auch Betriebssysteme und Middleware bezüglich ihrer Kommunikationseigenschaften und Ressourcenverwaltung untersucht. Die ARTiS-XT ist eine vielseitige Prototyping-Plattform, die durch ihr integriertes Power management direkt im Versuchsträger eingesetzt werden kann. Im Vergleich zu ihrer Vorgängerin verfügt sie über einen Hauptrechner, der eine GPU für 3D und HD-Video besitzt. Der bekannte Automotive-Controller mit seinen Schnittstellen für MOST, Ethernet, CAN und FlexRay bleibt enthalten. Die Fraunhofer ESK bietet ein umfangreiches Know-how zu Bussystemen, Kommunikationsprotokollen, Konformitätstests, Echtzeitbetriebssystemen und zum Prototyping u. a. mit der ARTiS-Plattform. Die Werkzeuge und Dienstleistungen richten sich an Automobilhersteller und Zulieferer in der Forschung und Vorserie im Bereich E/E-Architekturen, Infotainment und Fahrerassistenz. 3 0 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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32 Fraunhofer fährt sicher elektrisch Zwei fahrtüchtige, rein elektrisch angetriebene Prototypen sind das Ergebnis der Fraunhofer Systemforschung Elektro mobilität. Die Fraunhofer ESK steuerte zur Entwicklung der beiden Fraunhofer E-Concept Cars Type 0 kurz Frecc0 ihr Knowhow rund um die automobile E/E-Architektur bei und hat diese für beide Frecc0 geplant und umgesetzt. Weil im Elektrofahrzeug deutlich mehr sicherheitskritische Funktionen von Elektronik gesteuert werden, lag der Fokus dabei auf der funktionalen Sicherheit des Systems Elektrofahrzeug. Eine ausführliche Gefahren- und Risikoanalyse sowie Simulationen bilden die Basis für Funktion und Zuverlässigkeit der E/E-Architektur des Frecc0. Als Herzstück der Fahrzeugsteuerung hat die Fraunhofer ESK ein zentrales Steuergerät mit speziellem Sicherheitskonzept entwickelt, welches das Zustandsmanagement des Fahrzeugs und die Berechnung der Drehmomente der Motoren übernimmt. Der Frecc0 dient als modulare Testplattform, mit der es möglich ist, das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten im Gesamtsystem Elektrofahrzeug detailliert zu untersuchen und zu optimieren. Funktionale Sicherheit Elektrofahrzeuge haben nicht nur einen anderen Treibstoff, ihre gesamte Architektur unterscheidet sie vom klassischen Benziner. Der Frecc0 verfügt über zwei Elektromotoren, die die Hinterräder unabhängig voneinander antreiben. Das vereinfacht die Konstruktion und erhöht die Fahrdynamik. Allerdings stellen mehrere verteilte Motoren die Automobilhersteller vor völlig neue Herausforderungen: Sie müssen sicherstellen, dass sich die Räder trotzdem immer mit gleicher Kraft und in dieselbe Richtung drehen. Und da diese verteilten Motoren rein durch Software gesteuert werden, muss zudem ein unerwartetes Beschleunigen oder Bremsen ausgelöst durch Softwarefehler unterbunden werden. Diese Probleme haben die Wissenschaftler als größte Gefahr bei der Nutzung mehrerer verteilter Motoren identifiziert und dafür ein Sicherheits konzept entworfen. Dazu haben sie zunächst potenzielle Gefahren identifiziert und deren Risiko nach drei Kriterien bewertet: n Schweregrad des Fehlers n Häufigkeit der Fahrsituation, in der der Fehler auftreten kann n Beherrschbarkeit durch den Fahrer, wenn der Fehler auftritt Diese Bewertungskriterien entstammen der neuen ISO-Norm für die funktionale Sicherheit bei Straßenfahrzeugen. Nach dieser Norm müssen künftig alle Fahrzeughersteller und Zulieferer ihre Produkte entwickeln, sollten diese eine sicherheitskritische Funktion erfüllen. Das von der Fraunhofer ESK entworfene Sicherheitskonzept für Elektroautos berücksichtigt das und macht das Fahren mit einem Elektroauto genauso sicher, wie man es von konventionellen Fahrzeugen erwarten darf. Modulare E/E-Architektur Der Frecc0 verfügt über eine modular aufgebaute Bordelektro nik, die es ermöglicht, bestehende Komponenten wiederzuverwenden, Komponenten auszutauschen und neue Komponenten zu integrieren. Dies erfordert die detaillierte Abstimmung der Schnittstellen der Komponenten und ihrer Kommunikation untereinander. Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK haben daher eine modellbasierte Simulationsumgebung des Frecc0 auf Basis von Matlab/Simulink entwickelt. Diese bildet die Interaktion der Komponenten und das Zustandsmanagement ab und ermöglicht die frühzeitige Verifikation der Funktionalität des Steuerungskonzeptes. 3 2 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

33 Zentrales Steuergerät Die Funktion der übergreifenden Fahrzeugsteuerung übernimmt im Frecc0 das von der Fraunhofer ESK entwickelte zentrale Steuergerät (ZSG). Die Softwareentwicklung für das ZSG erfolgte auf Basis der entwickelten Simulationsmodelle. Als zentrale Steuereinheit interpretiert es den Fahrerwunsch und setzt ihn über die Antriebssteuerung im Fahrzeug entsprechend um. Es übernimmt das Zustandsmanagement, die Berechnung der Drehmomente für die Motoren, fungiert als Gateway zum Fahrzeug und steuert einen Großteil der Nebenaggregate an. Dieses komplexe Aufgabenspektrum verdeutlicht die sicherheitskritischen Aufgaben des ZSG. Um dabei eine möglichst große Sicherheit zu gewähr leisten, besteht das zentrale Steuergerät aus einem Haupt- und einem Überwachungsrechner. Der Überwachungsrechner plausibilisiert die Ergebnisse des Hauptrechners und kann so fehlerhafte Ausgaben an andere Komponenten unterbinden. Tritt dennoch ein kritischer Fehler auf, bringt das ZSG die Komponenten und damit das Fahrzeug in einen sicheren Zustand und informiert den Fahrer. modularen Aufbaus der Testplattformen leicht in das System integriert und direkt im Einsatz getestet werden. Das ZSG, welches auf der embedded Prototyping Plattform ARTiS der Fraunhofer ESK basiert und u. a. mittels der erstellten Matlab/ Simulink-Modelle programmiert werden kann, ist dafür flexibel anpassbar und erweiterbar. Neben eigenen Fragestellungen wie das Ersetzen der mechanischen Bremse durch die Bremsmöglichkeit des Elektromotors, können so auch völlig neue Aspekte rund um die Elektromobilität gemeinsam mit Industriepartnern erarbeitet werden. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Das ZSG übermittelt die Fahrzeugdaten an das ebenfalls von der Fraunhofer ESK entwickelte Kombiinstrument und zeigt sie dem Fahrer graphisch an. Ausblick Zukünftige Fahrzeugarchitekturen können von den Vorzügen verteilter Antriebe profitieren. Mit diesem Projekt haben die Wissenschaftler erste Hürden bei der Realisierung der E/E- Architektur für Elektrofahrzeuge und seiner Sicherheitsauslegung genommen und ihr Know-how um wichtige elektrofahrzeugspezifische Erkenntnisse erweitert. Die beiden Frecc0-Fahrzeuge stehen als wissenschaft liche Integrations- und Testplattformen zur Verfügungen. Neuentwicklungen diverser Komponenten können dank des Patrick Heinrich, M. Eng. Telefon: Dipl.-Ing. Falk Langer Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

34 Einheitliche Schnittstellen für infotainment-anwendungen Auf der Head Unit eines Infotainment-Systems im Auto läuft eine Vielzahl verschiedener Programme für Navigation, Multimedia und Fahrerassistenz. Die Aufgabe des Infotainment-Systems ist es, die verschiedensten Informationen für den Fahrer aufzubereiten, darzustellen und bedienbar zu machen. Damit die Programme zuverlässig miteinander kommunizieren können, sind klar definierte Informationsschnittstellen nötig. Bisher gibt es jedoch weder eine einheitliche Beschreibungssprache für Schnittstellen (Interface Description Language, IDL) noch einen einheitlichen und anerkannten technischen Übertragungsmechanismus zur Interprozess-Kommunikation (IPC), der die Informationen zur Laufzeit überträgt. Das GENIVI-Konsortium, das sich um eine Open Source Entwicklungsplattform für InVehicle Infotainment bemüht, setzt beispielsweise auf D-Bus als IPC-Mechanismus. Neben D-Bus verwenden z. B. viele Anwendungen das MOST-Prototokoll zur Übertragung von Daten zwischen lokalen Anwendungen. Um diese unterschiedlichen Verfahren aus Sicht des Entwicklers zu vereinen, forscht die Fraunhofer ESK im Auftrag der BMW Forschung und Technik GmbH an einer einheitlichen und allgemeinen Schnittstellenbeschreibungssprache und hat verschiedene IPC-Mechanismen auf ihre Eignung untersucht. Die Ergebnisse sollen die Entwicklung von Head Units vereinfachen und künftige Schnittstellenbeschreibungen kompatibel halten. Spezifikation eines einheitlichen Verfahrens IPC-Mechanismen und Schnittstellenbeschreibungssprache müssen aufeinander abgestimmt sein, um eine leistungsfähige und zuverlässige Kommunikation zwischen den Komponenten der Head Unit zu gewährleisten. Zudem müssen beide entsprechende Kriterien erfüllen, damit die Entwicklung und Einbindung neuer Komponenten in das System für Zulieferer und Automobilhersteller einfacher und damit weniger fehleranfällig wird. Hierzu gehören neben dem Funktionsumfang der IDL auch die Verfügbarkeit von Tools wie Editoren und Codegeneratoren und unter welchen Lizenzbedingungen sie nutzbar sind, sowie die Frage, ob das Format standardisiert wurde. Die Wissenschaftler haben diese Kriterien exakt definiert und evaluiert. Für die Untersuchungen der IPC-Mechanismen wurde ein detaillierter Testplan mit spezifischen Testszenarien für viele verschiedene Mechanismen erstellt. Durchgeführt haben die Ingenieure der Fraunhofer ESK die Tests auf einer Embedded-Plattform unter realitätsnahen Bedingungen. Das Ergebnis hat gezeigt, dass eine Kombination aus D-Bus als IPC-Mechanismus und dem D-Bus-Spezifikationsformat als bevorzugtes Eingangsformat die festgesetzten Anforderungen sehr gut erfüllt. Durchgängiger Entwicklungsprozess Ziel der Arbeiten war, mit den ausgewählten Mechanismen einen durchgängigen Entwicklungsprozess demonstrieren zu können. Dieser sollte zudem den Einsatz anderer Schnittstellenbeschreibungssprachen ermöglichen. Dazu haben die Wissenschaftler eine Toolchain auf Eclipse-Basis entworfen, welche die Beschreibung verschiedener Schnittstellen-IDLs unterstützt: Sie transformiert die Eingangsmodelle jeder Beschreibungssprache in ein zentrales Modell auf FIBEX-Basis, einen Standard im Automotive-Bereich. Aus diesem Modell werden Quelltextschnittstellen in einer einheitlichen Zielsprache (C++) erzeugt. Zulieferer sollen die so erzeugten Schnittstellen einfach in ihre Programme integrieren können ohne mit dem darunterliegenden IPC-Mechanismus direkt arbeiten zu müssen. 3 4 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

35 Migration bestehender Komponenten In einem komplexen System wie dem Mensch-Maschine-Interface im Automobil gibt es bereits eine Vielzahl von Komponenten, die wegen der bisher fehlenden Standardisierung in dem Bereich oft unterschiedliche IPC-Mechanismen und Schnitt stellenbeschreibungen verwenden. Außerdem können bereits bestehende Anwendungen ohne aufwendige Überarbeitung in neue Serienprodukte einfließen, was ebenfalls Zeit und Kosten spart. Die Struktur des erstellten Toolings macht seine Anwendung zudem zukunftssicher, da eine Erweiterung um neue Ein- und Ausgangsformate jederzeit möglich ist. Damit bestehende Komponenten weiterhin eingesetzt werden können und nicht neu entwickelt werden müssen, haben die Wissenschaftler ein Migrationsszenario entworfen. Dieses sieht den Tausch der tiefer liegenden IPC-Mechanismen vor, ohne den Quelltext der Software-Komponente verändern zu müssen. Ausblick Das im Rahmen des Projekts vorgestellte Verfahren zum Schnittstellendesign und der Schnittstellenanbindung ist nicht nur für die interne Kommunikation auf der Head Unit geeignet, sondern lässt sich auch in andere Bereiche übertragen. Beispielsweise hat sich bei den Untersuchungen gezeigt, dass das Design der Schnittstellen einen signifikanten Einfluss auf die Performance von Applikationen hat. Dieses Ergebnis ist nicht nur für die Kommunikation innerhalb der Head Unit relevant, sondern auch bei jedem anderen Einsatz von Informationsschnittstellen. Damit spielt sie auch für weitere Projekte eine Rolle, wie bei der Anbindung externer Geräte und Komponenten an die Head Unit. Die neue Architektur vereinfacht den Prozess der Software- Entwicklung für Infotainment-Komponenten und die dafür nötige Zusammenarbeit mit Zulieferern der Automobilindustrie. Schnittstellenbeschreibungen können nun in einer definierten Beschreibungssprache ausgetauscht und eine einheitlich generierte C++-Schnittstelle kann bei der Programmierung verwendet werden. Dipl.-Ing. Falk Langer Telefon: Dipl.-Ing. Univ. Daniel Engelhardt Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

36 Leistungsbereich automotive connectivity Die aktuellen Trends der globalen Vernetzung haben längst den Einzug ins Fahrzeug gehalten. Der Leistungsbereich Automotive Connectivity beschäftigt sich mit Kommunikationslösungen, die einerseits zu einer höheren Sicherheit und mehr Komfort im Fahrzeug, andererseits zur effizienten multimodalen Mobilität beitragen. Dazu gehört die Vernetzung des Fahrzeugs mit seiner Umwelt ebenso wie die nahtlose Integration von mobilen Endgeräten und Diensten. Kooperative Fahrerassistenzsysteme Ein vielversprechender Ansatz, um die Zahl der Verkehrsunfälle zu reduzieren, ist die Vernetzung der Fahrzeuge und deren Assistenzsysteme untereinander und mit ihrer Umgebung. Fahrzeuge, Infrastrukturelemente in Straßennähe und Backend-Systeme bilden dabei heterogene Netzstrukturen, für die die Forscher in Abhängigkeit von der geplanten Anwendung geeignete Kommunikationsarchitekturen erarbeiten. Durch unterschiedliche Sensoren im Fahrzeug wird bereits heute die aktuelle Situation auf kurzer Distanz erfasst. Aber erst durch den aktiven Informationsaustausch der Fahrzeuge untereinander sowie mit ihrer Umwelt, der Car-to-X-Kommunikation (C2X), wird ein zuverlässiges hochdynamisches Umgebungsmodell (Local Dynamic Map) erstellt. Dieses charakterisiert die Fahrsituation umfassend und ermöglicht aufgrund des erweiterten Wahrnehmungshorizontes neue Anwendungen wie kooperative Fahrerassistenzsysteme oder teilautonomes Fahren. Die Forscher arbeiten daher an Algorithmen zur Datenfusion mit C2X-Daten und stellen das resultierende Umgebungsmodell als Datenbasis allen darauf aufbauenden Anwendungen zur Verfügung. Die große Zahl von Verkehrsteilnehmern und die damit verbundene Informationsflut erfordern eine lokale Vorverarbeitung bzw. Vorauswahl der Information. Die Forscher erstellen daher Algorithmen zur adaptiven Datenaggregation und -weiterleitung, damit sich das Kommunikationssystem den aktuellen Bedingungen optimal anpassen kann. Die entwickelten Konzepte werden in einer Simulationsumgebung evaluiert, um zuverlässige Aussagen für einen Einsatz auch in größerem Maßstab abzuleiten. Darüber hinaus werden die Ansätze im Rahmen eines eigens entwickelten C2X-Software-Frameworks umgesetzt und können mit Hilfe der zugehörigen Prototyping-Plattform unter realen Bedingungen getestet werden. Um die Interoperabilität des Systems zu garantieren, müssen die Kommunikationsprotokolle standardisiert werden. Die Fraunhofer ESK wirkt als Mitglied im CAR 2 CAR Communication Consortium aktiv an diesem Prozess mit. Durchgängige Infotainment-Vernetzung Die Trends der globalen Vernetzung und der uneingeschränkten Mobilität spiegeln sich auch im Kommunikationsverhalten der Benutzer wider. In Zukunft werden Dienste unabhängig von Zeit, Ort und Endgerät transparent verfügbar sein, optimal angepasst an die jeweilige Umgebung und die verfügbare Technologie. Die Wissenschaftler entwickeln dazu Konzepte zur Synchronisation von Geräte-, Benutzer- und dynamischen Medien profilen, entweder ad-hoc oder über eine Cloud. Zusammen mit der Selbstbeschreibung der Geräte und Dienste sowie offenen Schnittstellenkonzepten wird eine nahtlose Integration von multimedialen Diensten und sozialen Netzen ins Fahrzeug und damit ein durchgängiges Infotainment-Erlebnis ermöglicht. Zielgruppen Im Leistungsbereich Automotive Connectivity forschen die Wissenschaftler an Konzepten und Algorithmen, um Dienste für aktive Sicherheit, Verkehrseffizienz und durchgängiges Infotainment in Zukunft sicher und komfortabel umzusetzen. Durch Kooperationen mit der Automobilindustrie, Infrastrukturbetreibern, Informationsdienstleistern und Endgeräteherstellern werden die Forderungen nach zuverlässigen, kooperativen Fahrerassistenzsystemen und durchgängiger Infotainment-Vernetzung erfüllt. 3 6 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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38 Prädiktive Lichttechnik Ein beachtlicher Teil der Autounfälle ereignet sich bei Dunkelheit oder in der Dämmerungszeit. Um die Sicherheit für den Fahrer auch bei schlechten Sichtverhältnissen zu erhöhen, werden zunehmend adaptive Scheinwerfersysteme, auch AFS (Adaptive Front Lighting Systems) genannt, mit Kurvenlicht oder automatischer Abblendassistenz eingesetzt. Herkömmliche AFS berücksichtigen ausschließlich die aktuelle Fahrsituation. Die nächste Generation solcher Systeme versucht darüber hinaus in die Zukunft zu sehen, um potentielle Gefahrenstellen sowie Gegenverkehr frühzeitig zu erkennen und die Ausrichtung der Scheinwerfer dem Straßenverlauf vor dem Fahrzeug anzupassen. Die Fraunhofer ESK erforscht als Projektkoordinator zusammen mit der AUDI AG und der DELVIS GmbH, wie die Frontscheinwerfer eines Fahrzeugs anhand von Straßenattributen und digitalen Kartendaten von NAVTEQ sowie der Kommunikation zwischen Fahrzeugen vorausschauend gesteuert werden können. Die so gesammelten Daten sind jedoch oft lückenhaft oder gar widersprüchlich. Aus diesem Grund wurde von der Fraunhofer ESK ein Datenfusionsmodul entwickelt, welches die vorgefilterten Eingangsinformationen in einen gemeinsamen Kontext überführt und eine genaue Beurteilung der gegenwärtigen Fahrsituation ableitet. Mit Hilfe von Situations beschreibungen, die in einer Wissensdatenbank vorab gespeichert wurden, können anschließend optimal angepasste Steuerentscheidungen abgeleitet werden. Mehr Weitblick durch Kommunikation Die aktuellen Sensoren im Fahrzeug können jedoch nur ein beschränktes Sichtfeld erfassen. Gegenverkehr hinter einer Kurve oder Kuppe wird erst erkannt, wenn bereits die Gefahr einer Blendung besteht. Ein drahtloser Informationsaustausch zwischen den Fahrzeugen minimiert dieses Risiko. Mit Hilfe von speziellen Infrastrukturelementen, die beispielsweise über Lokale Umfelderfassung und digitale Karte GPS Positionsbestimmung N Die Basis für eine vorausschauende Steuerung der Scheinwerfer bildet die möglichst exakte Beurteilung der aktuellen Fahrsitua tion. GPS, Lenkwinkel- und Beschleunigungssensoren sowie digitale Karten dienen zur Beurteilung der gegenwärtigen und zukünftigen Fahrzeugposition. Sensoren zur Umgebungserfassung wie Kamera oder Radar liefern zusätzliche Informationen über erkannte Objekte und andere Verkehrsteilnehmer in deren Reichweite. Digitale Karte Speed 30km/h Kamera Radar C2X Right on Broad St Menu + Arrival 11:54am W S O Umgebungserkennung Fahrzeugzustandsgrößen Scheinwerfersteuerung Zur optimalen Steuerung der Scheinwerfer müssen unterschiedliche Umgebungsdaten zeitnah verarbeitet und bewertet werden. 3 8 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

39 Wanderbaustellen oder unübersichtliche Straßenabschnitte informieren, kann der Autofahrer frühzeitig vor potentiellen Gefahren gewarnt werden. Verwertung der Projektergebnisse, ohne dass zusätzliche Kosten für den Hersteller und somit auch den Endnutzer entstehen. Die Fraunhofer ESK hat hierfür eine Kommunikationseinheit für Fahrzeuge und Infrastruktur (C2X) entwickelt. So können zusätzlich kommunizierte Informationen ebenfalls bei der Steuerung der Fahrzeugscheinwerfer berücksichtigt werden. Evaluierung mittels Prototyp und Probandentests Zur Evaluierung der entwickelten Konzepte wurden alle Komponenten einschließlich Scheinwerfer-Prototyp, Datenfusionsmodul und C2X-Kommunikationseinheit in ein Versuchsfahrzeug integriert. Auf vordefinierten Teststrecken wurden zuerst umfangreiche Datenmengen gesammelt, um anschließend mit Hilfe einer Simulationsumgebung offline die Vorhersage des Fahrweges und der zukünftigen Fahrsituation zu überprüfen und weiterzuentwickeln. Ein abschließender Probandentest soll zeigen, ob und in welchem Maße die prädiktive Steuerung der Scheinwerfer zur Sicherheit und zum Komfort des Fahrers beitragen kann. Auf dem Weg zu kooperativen Assistenzsystemen Die Vernetzung von Fahrzeugen ist der elementare Baustein für kooperative Systeme in den Bereichen Fahrerassistenz und aktive Sicherheit. Das Projekt zeigt deutlich, dass zukünftige Scheinwerfersysteme von einem Informationsaustausch zwischen den Verkehrsteilnehmern profitieren. Die gewonnenen Kompetenzen im Bereich der lokalen Datenfusion sind auch für andere Forschungsbereiche, wie energieoptimiertes und autonomes Fahren, unentbehrlich. Wichtige Entscheidungen im Energiemanagement und der Antriebsregelung von Elektrofahrzeugen können anhand fusionierter Sensorund Umgebungsdaten zuverlässig und vollautomatisch getroffen werden. Das Projekt wird durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie gefördert. Sichere und effiziente Fahrbahnausleuchtung Das AFS übernimmt die komplette Regelung für die Fahrbahnausleuchtung. Der Fahrer wird dadurch unterstützt und kann sich besser auf den Straßenverkehr konzentrieren. Die eigene Fahrbahn und wichtige Objekte am Straßenrand wie Verkehrsschilder werden unter Berücksichtigung anderer Verkehrsteilnehmer gezielt ausgeleuchtet. Durch das rechtzeitige Erkennen von anderen Fahrzeugen können Blendungen verhindert werden. Eine ineffiziente Ausleuchtung über den Fahrbahnrand hinaus wird vermieden. Die für die Datenfusion notwendigen Sensoren stehen bereits heute in vielen Fahrzeugen zur Verfügung und auch die Vernetzungstechnologien werden in wenigen Jahren nicht mehr wegzudenken sein. Das erleichtert eine schnelle Dipl.-Inf. Karsten Roscher Telefon: Dipl.-Inf. Univ. Torsten Steiner Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

40 Kommunikation für das Energiemanagement bei Elektrofahrzeugen Zur Sicherstellung eines nachhaltigen Energiemanagements verfolgen momentan viele Forschungsprojekte die Weiterentwicklung des heutigen Energieversorgungsnetzes hin zu einem Smart Grid. Durch die Erweiterung des Stromnetzes um Kommunikationstechnologien wird eine intelligente Steuerung von Stromerzeugung, -transport und -verbrauch ermöglicht. Eine viel diskutierte Anwendung ist die Elektromobilität, wo Elektrofahrzeuge als intelligente Verbraucher und Ladestationen als Schnittstelle zum Smart Grid agieren. Zusammen mit den europäischen Partnern Instituto Tecnológico de la Energía (ITE) und CIT Development S. L. aus Spanien, Etrel und Elektro Ljubljana d. d. aus Slowenien, der Sapienza Universita di Roma in Italien und der Technomar GmbH aus Deutschland entwirft die Fraunhofer ESK im Projekt Smart Vehicle-to-Grid Interface (SmartV2G) die benötigten Kommunikationsschnittstellen für den Zugang zum Smart Grid. die anfallenden Standzeiten für die Ladung ihres Fahrzeuges nutzen, wenn bereits vorhandene Parkplätze mit Ladesäulen erweitert werden. Für Fernziele, die die Reichweite einer Akkuladung überschreiten, kommt ein intelligentes Reichweiten-Management zum Einsatz. Dabei werden nicht nur die Ladestationen unterwegs in die Navigationsroute einberechnet, sondern weitere Parameter, wie z. B. die Verfügbarkeit einer Schnelllade-Option oder Möglichkeiten zum Zeitvertreib während des Ladens angezeigt. Informationsaustausch vor, während und nach dem Ladevorgang Bei allen Szenarien verbessert der Informationsaustausch zwischen Elektrofahrzeug und dem Smart Grid deutlich den Komfort des Ladevorgangs und hilft, Energie und Geld zu sparen. Die Veränderte Ladeszenarien Besonders durch die derzeit geringe Reichweite der Akku ladung von Elektrofahrzeugen ergeben sich neuartige Situationen, die unterschied liche Lademöglichkeiten erfordern. Für den täglichen Weg zur Arbeit sind die üblichen Standzeiten auf dem Betriebsparkplatz oder in der Garage ausreichend, um das Fahrzeug in einer günstigen Zeitspanne aufzuladen, die durch Laststeuerung, dem sog. Demand Side Management, ermittelt werden kann. Bei kurzweiligeren Aufenthalten, z. B. im Supermarkt, könnten Besucher Smart Charging Station Smart Charging Station E-Fahrzeug Energie Daten Smart Grid Backend E-Fahrzeug Die Nutzung des Smart Grids im Bereich der Elektromobilität erfordert die Entwicklung neuer Kommunikationsschnittstellen. 4 0 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

41 Fraunhofer ESK entwickelt im Projekt die dafür erforderlichen Schnittstellen. Damit der Ladevorgang rechtzeitig geplant werden kann, sollten Informationen über verfügbare Ladestationen innerhalb der errechneten Reichweite vorliegen. Für die Ermittlung der optimalen Ladestation werden statische Informationen wie der Standort, Öffnungszeiten, vorhandene Ladeoptionen, Bezahlmöglichkeiten oder auch eine detaillierte Lagekarte für die Anfahrt benötigt. Außerdem sind hochdynamische Informationen wie die aktuelle Anzahl freier Stellplätze, eventuell vorhandene Warteschlangen und der aktuelle Strompreis sowie die Reservierung eines Ladeplatzes für einen optimalen Ladevorgang relevant. Während der Anfahrt zu einer ausgewählten Station können zusätzlich durch die Identifikation des Nutzers bereits voreingestellte Optionen ausgewählt werden. Darüber hinaus ist ein Datenaustausch für die Authentifizierung und die Abrechnung des entnommenen oder eingespeisten Stromes notwendig. Alle erforderlichen Nutzerinteraktionen sollen entweder über Bedienelemente im Fahrzeug, ein Smartphone oder über einen Touchscreen an der Ladesäule eingegeben werden können. Spezifikation der Kommunikationsschnittstellen eigneter Vernetzungstechnologien relevant, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Reichweiten und QoS-Parameter. Untersucht wird zum einen der neue IEEE Standard p mit dem europäischen Profil ITS-G5 zur lokalen Kommunikation zwischen Fahrzeugen und mit Road Side Units (RSUs) in der Kommunikationsinfrastruktur. Zum anderen werden auch Mobilfunk-Technologien wie UMTS und LTE betrachtet und eine Evaluation verschiedener hybrider Ansätze durchgeführt. In Planung: Schnittstellen-Test Bis Mitte 2014 erforscht die Fraunhofer ESK im Projekt die Kommunikationsschnittstellen zur Integration von Elektrofahrzeugen in das Smart Grid. Von den Industriepartnern, einem Energieversorger und einem Hersteller intelligenter Ladestationen ist die Evaluation der entwickelten Schnittstellen und die Integration der Smart Grid-Dienste in bestehende Produkte vorgesehen. Das Projekt wird in Zusammenarbeit der beiden Geschäftsfelder Automotive und Industrial Communication bearbeitet, wobei die Aufteilung der Aufgaben nach drahtlosen und drahtgebundenen Kommunikationstechnologien erfolgt. An der intelligenten Energie- und Informationsbereitstellung im Smart Grid sind viele unterschiedliche Komponenten beteiligt. Dazu gehören die drahtgebundene und drahtlose Kommunikation zwischen Elektrofahrzeugen und Ladestationen. Einige Funktionen dieser drahtlosen Schnittstelle werden momentan von ETSI (European Telecommunications Standards Institute) im Bereich der intelligenten Verkehrssysteme spezifiziert als Electric Vehicle Charging Spot Notification. Bei der drahtgebundenen Kommunikation über das Ladekabel kommt die Powerline-Technologie zum Einsatz. Zur dezentralen Lastverteilung soll die Kommunikation zwischen den Ladestationen untereinander betrachtet werden. Für das Energiemanagement und möglicherweise auch zur Integration eines zentralen Kontroll- und Monitoring-Systems des Energieversorgers muss die Kommunikation von Elektrofahrzeugen und Ladestationen mit dem Smart Grid Backend möglich sein. Neben der Spezifikation aller Kommunikationsprotokolle ist auch die Auswahl ge- Das Projekt wird von der Europäischen Kommission im Rahmen des European Union s Seventh Framework Programm (FP7) gefördert. Dipl.-Ing. Josef Jiru Telefon: josef.jiru@esk.fraunhofer.de Dominique Seydel, M. Sc. Telefon: dominique.seydel@esk.fraunhofer.de Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

42 Leistungsbereich automotive software Die grundlegende Herausforderung bei der automobilen Software-Entwicklung besteht darin, Qualität, Effizienz und Sicherheit bei steigender Komplexität sicherzustellen. Für die Bewältigung künftiger Anforderungen in der Automotive Softwareentwicklung ist dabei der Transfer neuer Methoden aus der Forschung in die Unternehmenspraxis notwendig. Der Leistungsbereich Automotive Software adressiert dies mit dem Aufbau von offenen Werkzeugketten und Plattformen zum modellgetriebenen Entwurf und zur Analyse von verteilter Software im Automobil. Modellbasierte Entwurfsmethodik und Analyse Um die Qualität der entstehenden Software zu gewähr leisten, müssen auch nicht-funktionale Eigenschaften auf der Zielplattform wie das Zeitverhalten garantiert eingehalten werden. Durch den Einsatz modellgetriebener Simulationsund Analysetechniken, wie die virtuelle Integration oder ausführbare Modelle, kann die korrekte Funktion automobiler Software frühzeitig im Entwurfsprozess untersucht werden. Modellierungsrichtlinien und deren automatisierte Überprüfung erlauben es, im Entwurfsprozess eine hohe Modellqualität zu erhalten. Zusätzlich werden auch Verfahren für die frühzeitige Absicherung von Spezifikationen auf Basis von Modellen, wie Model-in-the-Loop Techniken, untersucht. Dies beinhaltet die Modellierung einzelner Systeme bis hin zu übergreifenden Systems-of-Systems, wie Intelligent Transportation Systems. Hierfür erlaubt die eigene DynaSim Werkzeugumgebung die Simulation und Analyse komplexer, auch adaptiver Bordnetze. Ein zentraler Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung modellbasierter Verfahren und Methoden für ein zunehmend adaptives Verhalten des Steuergeräteverbunds. Software-Architekturen und -Werkzeuge Aufgrund der wachsenden Komplexität und Vernetzung der Software-basierten Anwendungen im Automobil gewinnen die Architekturen verteilter Software und Werkzeugplattformen für deren Entwurf an Bedeutung. Hierfür setzen die Wissenschaftler bei der Modellierung verschiedene Sprachen zur Architektur- und Domänen-spezifischen Beschreibung ein. Für die Absicherung der Entwicklungsphasen von der Modellierung über die Seriencode- Generierung bis zum Test werden eigens entwickelte, freie und kommerzielle Frameworks herangezogen. Dabei entwickelt der Leistungsbereich Automotive Software komplette Werkzeugplattformen oder erweitert bestehende Werkzeuge durch die Integration neuer Tools bis zum Aufbau geschlossener Werkzeugketten. Insbesondere erlaubt die Erstellung integrierter Werkzeugplattformen, beispielsweise auf Eclipse- Basis, den Einsatz effizienter Entwurfsverfahren für Standard- Softwarearchitekturen wie AUTOSAR, GENIVI oder EAST-ADL. Angebote Für die Umsetzung neuer Softwaremethoden in der Unternehmenspraxis arbeitet die Fraunhofer ESK zusammen mit Automobilherstellern in der Forschung, Vorserie und Elektronikentwicklung sowie mit Zulieferunternehmen und Werkzeugherstellern für automobilspezifische Entwicklungstools. Neben entwicklungsbegleitenden Forschungen und Dienstleistungen liegt der Fokus auf der Kooperation in nationalen und internationalen Forschungsprojekten. Hierbei stehen u. a. folgende Themen im Fokus: n Methodik und Aufbau von Werkzeug-Plattformen & Tool- Integration n Modellgetriebene Entwurfsmethodik & Analyse n Virtuelle Integration, u. a. zur frühzeitigen iterativen Simulation n Testmethodik zur Absicherung funktionaler und nichtfunktionaler Eigenschaften Der Leistungsbereich Automotive Software ermöglicht mit seinen Angeboten in den Bereichen modellbasierte Entwurfs- Methodik und Analyse sowie Software-Architekturen und -Werkzeuge seinen Kunden die effiziente Entwicklung aktueller und zukünftiger Automobil-Software. 4 2 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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44 Software mit garantierter zuverlässigkeit Immer mehr Funktionen in Automobilen werden mit Software realisiert. Die zugehörigen Steuergeräte im Premiumsegment derzeit bis zu 80 müssen für eine korrekte Fahrzeugfunktion miteinander kommunizieren. Durch den steigenden Grad an Vernetzung innerhalb des Fahrzeugs wird jedoch auch die Softwareentwicklung immer komplexer und stellt die Hersteller vor neue Herausforderungen. Dabei gewinnen vor allem nicht-funktionale Aspekte wie Zuverlässigkeit und Zeitverhalten bei der Softwareentwicklung an Bedeutung. Bestehende Entwicklungslösungen berücksichtigen diese Anforderungen nicht ausreichend. Im EU Förderprojekt CHESS arbeiten die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK daher zusammen mit anderen europäischen Partnern aus den Bereichen Automotive, Telekommunikation, Railway und Space an domänenübergreifenden und industrie verwertbaren Lösungen für die Softwareentwicklung eingebetteter Systeme. Zur Bewältigung der steigenden Komplexität kombinieren sie dabei die Techniken der komponentenbasierten mit denen der modellgetriebenen Software entwicklung. Software mit Garantien Ziel des Gemeinschaftsprojekts ist die Einhaltung definierter Garantien bei der Zusammenstellung von Softwarekomponenten. Alle relevanten funktionalen und nicht-funktionalen Eigenschaften einer Softwarekomponente müssen dafür modelliert, verifiziert und schließlich zur Laufzeit eingehalten werden. Dies benötigt einen durchgängigen Entwicklungsprozess von einem frühen Zeitpunkt des Architekturentwurfs bis hin zur Codegenerierung und Ausführung. Sprachen, wie MARTE und SysML, aufbaut und die für die domänenübergreifende Modellierung nicht-funktionaler Eigenschaften geeignet ist. Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK erforschen insbesondere die Modellierung des Zeitverhaltens. Die Beschreibung des Zeitverhaltens ist an AUTOSAR angelehnt und ermöglicht die Modellierung schon zu einer frühen Entwurfsphase. Da die nicht-funktionalen Eigenschaften jeweils von entsprechenden Domänenexperten definiert werden, wurde ein Konzept sogenannter Modell-Views umgesetzt. Das Modellierungswerkzeug schränkt dabei die Sicht auf das Modell auf einen bestimmten Aspekt bzw. View ein. Damit ist es möglich, nur view-spezifische Informationen zu modellieren und editieren. Auf andere Informationen kann nur lesend zugegriffen werden. So lässt sich die steigende Komplexität der Modelle beherrschen. Analyse und Simulation Um frühzeitig die Einhaltung nicht-funktionaler Eigenschaften zur Laufzeit garantieren zu können, müssen Analysen hinsichtlich der Einhaltung der spezifizierten Anforderungen durchgeführt werden. Neben statischen Verfahren zur Bewertung der Zuverlässigkeit und des Zeitverhaltens fließen auch aus Simulationen gewonnene Daten und Laufzeitergebnisse in das Modell zurück. Hierfür wird das von der Fraunhofer ESK entwickelte Simulationsframework DynaSim eingesetzt, das auch eine Simulation adaptiven Funktionsverhaltens ermöglicht. Modellierung nicht-funktionaler Eigenschaften Bestehende Modellierungssprachen unterstützen die Beschreibung von nicht-funktionalen Eigenschaften nur unzureichend. Aus diesem Grund wird in CHESS eine Modellierungssprache spezifiziert, die auf Konzepten und Artefakten bestehender 4 4 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

45 Für Automotive geeignet Die im Rahmen des Projekts CHESS entstehende Methodik wird für den Einsatz in verschiedenen Industriedomänen entwickelt. Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK arbeiten daran, die Eignung für die Automobilindustrie umzusetzen. Dazu entwickeln sie unter anderem eine Modelltransformation, die ein bestehendes CHESS Modell in ein Modell der automobilen Architekturbeschreibungssprache EAST-ADL2 transformiert. Diese Transformation stellt die Grundlage dar, um die Entwicklungsmethodik im Automobilbereich einsetzen und z. B. AUTOSAR Module generieren zu können. Die modellierten Module werden in einer echtzeitfähigen Linux-Umgebung ausgeführt. Um dies zu erreichen, werden AUTOSAR-Betriebssystem-Funktionen in der Laufzeitumgebung zur Verfügung gestellt. Nicht-funktionale Eigenschaften, die im Entwurf nicht statisch verifiziert werden können, werden zudem durch die Laufzeitumgebung überwacht. basierten Entwurfs und der modellbasierten Softwareentwicklung ermöglicht CHESS die abgesicherte Implementierung und Integration neuartiger und komplexer Funktionen in Automobilen. Ausblick Die bis zum Frühjahr 2012 im Projekt CHESS entstehenden Ergebnisse und die Verbindung der Modellierung mit Analysemethoden erlauben es, Fehler frühzeitig zu erkennen und somit die Entwicklungskosten eingebetteter Softwaresysteme zu reduzieren. Die Fraunhofer ESK unterstützt mit den erzielten Erkenntnissen Projektpartner und Auftraggeber beim Aufbau solcher Entwicklungsmethoden zur frühzeitigen Modellierung und Validierung nicht-funktionaler Eigenschaften in der Praxis. Das Projekt wird vom ARTEMIS Joint Undertaking Programme und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Zuverlässige Software Die Integration der Modellierung nicht-funktionaler Eigenschaften in die domänenübergreifende komponentenbasierte Entwicklungsmethodik ist primäre Absicht von CHESS. Dazu haben die beteiligten Wissenschaftler die CHESS Modellierungssprache spezifiziert und darauf aufbauend eine Toolkette entwickelt, welche die Modellierung sowie die Analyse nichtfunktionaler Eigenschaften unterstützt. Zur Laufzeitabsicherung der nicht-funktionalen Eigenschaften haben sie zudem Erweiterungen für die in den jeweiligen Domänen verbreiteten Laufzeitumgebungen erarbeitet. Ein erheblicher Kosten faktor ist das Beheben von Entwurfsfehlern, die erst in späten Entwicklungsphasen erkannt werden. Die CHESS-Methodik erlaubt es, solche Fehler durch Analyse- und Simulations methoden in frühen Entwicklungsphasen zu identifizieren und zu beheben, in denen Entwurfsänderungen günstig durchführbar sind. Durch die Berücksichtigung von nicht-funktionalen Eigenschaften in der Kombination mit bestehenden Ansätzen des komponenten- Dipl.-Inf. Univ. Alexander Stante Telefon: Dipl.-Ing. (FH) Benjamin Kamphausen Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

46 Durchgängige Modellierung und Codegenerierung für eingebettete Systeme Der Entwurf von Softwaresystemen mit der Modellierungssprache UML (Unified Modeling Language) hat sich in vielen Anwendungsbereichen etabliert. Anfangs nur als graphische Notation genutzt, ermöglichen inzwischen verschiedene Werkzeughersteller das Generieren von lauffähigem Programmcode aus UML-Modellen. Um solchen Programmcode auch für eingebettete Systeme nutzen zu können, müssen Codegenerator und Laufzeitumgebung hinsichtlich der Laufzeiteffizienz optimiert werden. Darüber hinaus ergeben sich bei der modellbasierten Entwicklung neue Fragen bezüglich der Abstraktion von Hardware, um Anwendungsmodelle wiederverwenden zu können. z. B. nur die Wahl zwischen C und C++ Codegenerierung. Eine größere Auswahl von Alternativen bieten einsetzbare Laufzeitframeworks. Diese unterscheiden sich hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, der unterstützten Mikrocontroller und der Möglichkeiten zur Anpassung an spezielle Hardware. Je kompakter das Laufzeitframework ist, desto einfacher gestaltet sich die Anpassung an neue Hardware. Die Herausforderung für Framework-Hersteller besteht darin, eine ausgewogene Kombination aus Leistungsumfang sowie Anpassungsfähigkeit Die Fraunhofer ESK hat in Kooperation mit der AUDI AG die durchgängige Modellierung und Codegenerierung anhand des Werkzeugs IBM Rational Rhapsody für eingebettete Systeme untersucht. Neben der Analyse der verschiedenen Laufzeitumgebungen wurden speziell die verschiedenen Modellierungsmöglichkeiten betrachtet. Ein Hauptaugenmerk lag auf der Suche nach Lösungen zur Hardwareabstraktion. Benutzermodell Hardware Abstraktion Execution Framework Modellierungsumgebung Zur Generierung von Programmcode aus UML-Modellen sind drei Komponenten notwendig: Das Modellierungswerkzeug, der Codegenerator und das Laufzeitframework. Das Modellierungswerkzeug zeigt mittels graphischer Notation ein Modell des Systems an. Oft stellt es auch UML-Erweiterungen zur Verfügung, um die Codegenerierung zu konfigurieren. Der Codegenerator erstellt basierend auf dem Modell und der Konfiguration den Programmcode. Das Laufzeitframework wiederum bildet die Modellierungskonzepte auf entsprechende Laufzeitkomponenten ab. Programmcode Analyse von UML-Laufzeitframeworks Modellierungswerkzeuge und Codegeneratoren lassen gewöhnlich nur wenige Spielräume für anwendungsspezifische Anpassungen. Das hier untersuchte Rhapsody ermöglicht Zielplattform Die Einführung der Hardwareabstraktion erlaubt eine hohe Wiederverwendbarkeit von Anwendungsmodellen. 4 6 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

47 zu finden. Daher sollte vor der Wahl des Laufzeitframeworks eine umfangreiche Analyse stattfinden, die besonders die Hardware sowie deren Einsatzzweck fokussiert. Zu berücksichtigende Rahmenbedingungen sind z. B. die Leistungsfähigkeit des Prozessors, verfügbare Compiler und vorhandene Betriebssysteme. Nach einer ersten Untersuchung konnten verschiedene Laufzeitframeworks für eingebettete automobile Systeme in die engere Auswahl gezogen werden. Um qualitative Entscheidungskriterien zu erhalten, haben die Forscher die Frameworks hinsichtlich ihrer Performance-Eigenschaften wie Laufzeit- und Speichereffizienz verglichen. Die Laufzeit effizienz wurde mittels generierter Statecharts untersucht, welche eine unterschiedliche Anzahl von Zuständen und Transitionen besaßen. Als Bewertungsgrundlage der Speichereffizienz diente hauptsächlich die Codegröße des Frameworks und der Statecharts. Notwendigkeit einer Hardwareabstraktion Um Anwendungsmodelle wiederverwenden zu können, muss die zugrunde liegende Hardware abstrahiert werden. Beispielsweise sollte das Anwendungsmodell unabhängig davon sein, ob sich ein betätigter Schalter am Gerät selbst oder im Netzwerk befindet. Bei der Untersuchung verschiedener Abstraktionsmechanismen hat sich gezeigt, dass insbesondere Signale als ausdrucksstarke Abstraktionsmechanismen geeignet sind. Für das Anwendungsmodell ist dadurch die eigentliche Quelle des Signals irrelevant, nur der vorgegebene Datentyp wird von der modellierten Komponente erwartet. Abhängigkeiten zwischen der Hardware und Anwendung können hiermit definiert und separiert werden. zur Codegenerierung von automobilen eingebetteten Systemen nutzen lassen. Es ist jedoch notwendig, diese unter Berücksichtigung der jeweils spezifischen Anforderungen zu untersuchen. Die Wissenschaftler haben ihre gewonnenen Erkenntnisse in die prototypische Umsetzung einer Hardwareabstraktion einfließen lassen. Dadurch konnten sie die Vorteile einer Hardwareabstraktion nachweisen und verschiedene Ansätze zur Implementierung umsetzen. Die Trennung des Anwendungsmodells von der darunter liegenden Hardware ermöglicht eine Wiederverwendung selbst bei umfangreichen Änderungen der System- und Hardwarearchitektur und erlaubt somit eine Kostenreduktion im Entwicklungsprozess. Modellgetriebene Werkzeugketten Anhand der durchgeführten Untersuchungen hat sich die Eignung modellbasierter Entwicklung mit UML für eingebettete Systeme im Automotive-Bereich bestätigt. Weitere, zukünftige Arbeiten richten sich auf den Aufbau durchgängiger Werkzeugketten mit frühzeitigen, modellgetriebenen Analysemöglichkeiten, die einen effizienten und sicheren Entwicklungsprozess ermöglichen. Die Fraunhofer ESK unterstützt Projektpartner und Auftraggeber bei der Evaluierung, dem Aufbau und der Überführung solcher Frameworks in die Unternehmenspraxis. Dipl.-Inform. Gereon Weiß Telefon: UML-Codegenerierung im Einsatz In dem mit Audi durchgeführten Projekt konnten die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK zeigen, dass sich bestehende UML-Werkzeuge sowie Laufzeitframeworks zum Entwurf und Dipl.-Inf. Univ. Alexander Stante Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

48 Geschäftsfeld industrial communication Energieversorgung, Sicherheitstechnik, Automatisierung und Gebäudetechnik definieren ihren Innovationsgrad maßgeblich durch neue Kommunikations- und Softwaresysteme. In der Energieversorgung können die angestrebten Smart Grids nur Realität werden, wenn Netzkomponenten einheitlich miteinander kommunizieren. In der Sicherheitstechnik gewinnt der Schutz kritischer Infrastrukturen an Bedeutung. Die Automatisierung benötigt höhere Adaptivität, um eine flexiblere und energieeffizientere Produktion zu erlauben. Und in der Gebäudetechnik gilt noch die Vision des vernetzten und automatisierten Gebäudes. Nicht immer lassen sich Standard-Lösungen einsetzen. Es gelten sehr spezifische Anforderungen, zum Beispiel an die Robustheit, den Energieverbrauch oder die Baugröße von Kommunikations komponenten. Das Geschäftsfeld Industrial Communication arbei tet an Kommunikationslösungen und zukünftigen Standards, die den Anforderungen in den industriellen Anwendungsbereichen gerecht werden. Themen und Ergebnisse Ein Themengebiet des Geschäftsfelds in 2011 war die Funkkommunikation im industriellen Umfeld. Für das Koexistenzmanagement industrieller Funksysteme haben die ESK- Wissenschaftler einen mobilen Messplatz entwickelt, der vor Ort das Funkumfeld erfasst und in einer plakativen 3D-Visualisierung darstellt. Viele Anwendungen benötigen Interoperabilität. Deswegen wurde zum Beispiel eine Funktechnologie so weiterentwickelt, dass sie das Internetprotokoll Version 6 (IPv6) unterstützt. Wird die Funktechnologie in der Heimautomatisierung eingesetzt, kann auf Spezialhardware verzichtet werden. Nach der Erweiterung durch die ESK-Forscher können die vernetzten Steckdosen über jedes IPv6-fähige Gerät gesteuert werden. Auch bei der Smart Grid Communication haben die Wissenschaftler ihr Know-how erweitert. Zum Einsatz der Power line Communication für das Smart Metering wurden Vali die rungs-

49 Geschäftsfeldleiter Dipl.-Ing. Mike Heidrich Telefon: arbeiten durchgeführt. Mit dem Projekt SMARTV2G wird darüber hinaus eine standardisierte IKT-Infrastruktur für das Laden von Elektrofahrzeugen angestrebt. Bei der Embedded Multicore-Softwareentwicklung konnte ein softwarebasiertes Verfahren zur Absicherung der Cache-Kohärenz vorgestellt werden, welches dem Software-Entwickler die Arbeit vereinfacht. Darüber hinaus wurde eine Entwicklungsund Testumgebung für adaptive Automatisierungssoftware aufgebaut, die in den kommenden Jahren für Forschung auf dem Gebiet der industriellen Software dienen wird. Verbindungs- und Medienzugriffsprotokollen sowie skalierbaren Routingverfahren, die eine optimierte Ausrichtung bzgl. Robustheit und Energieeffizienz erlauben. Das Geschäftsfeld forscht zudem an Kanalmodellen und Optimierungen für Highspeed Narrowband Powerline-Übertragun gen, die für die Daten- und Steuerkommunikation eine große Rolle spielen. Bei den Softwarearchitekturen wird an hochoptimierten dynamischen Laufzeitarchitekturen für eingebettete Multicore- Systeme sowie adaptiven rekonfigurierbaren Softwarearchitekturen für Embedded Systems im industriellen Einsatz gearbeitet. Forschungsfokus Leistungsbereiche Adaptive und kognitive Übertragungstechnologien sind die Zukunft bei lokalem Funk für die Industrie. Das Geschäftsfeld arbeitet an dem Nachweis der Realisierbarkeit solcher neuen drahtlosen Netzschnittstellen. Auf dem Gebiet der Sensornetze forschen die Wissenschaftler an neuen energieeffizienten n Industrial Networks n Industrial Software

50 Leistungsbereich industrial networks Moderne Kommunikationssysteme dienen nicht nur der Kommunikation zwischen Menschen. Auch der Austausch von Kontroll- und Steuerungsdaten rückt in den Fokus. Kontroll- und Steuerungsdaten ermöglichen z. B. im Smart Grid ein intelligentes Management für Energieerzeuger und -verbraucher, unterstützen in der Gebäudetechnik Smart Metering-Prozesse und sind bei der Herstellung von Gütern und Produkten im industriellen Umfeld essentiell. Vor allem hier wachsen die Anforderungen an die Kommunikation, bedient man sich doch in zunehmendem Maße automatisierter Prozesse. Ein hoher Vernetzungsgrad sichert dabei Effizienz und Flexibilität, steigert jedoch die Anforderungen an den Austausch von Daten. Beratung, Entwicklung und Bau von Prototypen Im Leistungsbereich Industrial Networks unterstützt die Fraunhofer ESK ihre Kunden bei der Einführung neuer Kommunikationstechniken und beim Lösen von Problemen, um z. B. prozessrelevante Informationen wie Steuer- und Kontrolldaten energieeffizient, sicher und zuverlässig zu übertragen. Die Wissenschaftler sind auf die Kommunikation innerhalb von Gebäuden und in der Automatisierungstechnik spezialisiert. Moderne, drahtlose Technologien stehen im Vordergrund, wobei individuelle Kundenanforderungen die Technologieauswahl bestimmen. Dies schließt auch drahtgebundene Technologien bzw. hybride Szenarien mit ein. Um den Energiebedarf drahtloser Sensornetzwerke zu reduzieren, die Robustheit der Übertragung zu erhöhen und gleichzeitig Echtzeitanforderungen zu erfüllen, werden eigene Protokoll-Stacks entwickelt und bestehende ergänzt. Den zunehmenden Bedarf an Übertragungsressourcen begegnet die Fraunhofer ESK mit neuen Systemkonzepten, die z. B. Ansätze aus dem Bereich des Cognitive Radio nutzen. Die Forscher verbessern nicht nur bekannte Lösungen und entwickeln neue Ideen, sie wollen diese Lösungsansätze vor allem implementieren. Z. B. arbeiten sie daran, Cognitive Radio in das industrielle Umfeld mit seinen spezifischen Kommunikationsanforderungen zu überführen. Zum Leistungsbereich neu hinzugekommen ist die Kommunikation in Smart Grids. Die Forscher arbeiten in diesem Bereich an nachhaltigen Systemkonzepten sowie der Implementierung von Kommunikationslösungen. Prädestinierte Übertragungstechnologien wie die Powerline Kommunikation, Software-Architekturen und optimierte Protokolle bilden relevante Forschungsthemen. Selbst entwickelte Werkzeuge sowie eine eigene Software- Bibliothek unterstützen die Fraunhofer ESK dabei, alle Kundenanforderungen effizient und passgenau zu erfüllen. Die Integration von mobilen Bediengeräten mithilfe von Web- Technologien ermöglicht es, entwickelte Lösungen in einer Vielzahl von Anwendungen zu nutzen. Die Arbeiten in den unterschiedlichen Themenbereichen erstrecken sich dabei von der Systemspezifikation über das Proof-of-Concept bis zum Aufbau kompletter Prototypen. Als Fraunhofer-Einrichtung ist die Fraunhofer ESK stets über neue Entwicklungen im Bereich der Technik und Standardisierung informiert. Mit Veröffentlichungen, Workshops und Messepräsentationen werden neue Ergebnisse interessierten Unternehmen und Partnern zugänglich gemacht. Auf den Punkt genau Die Ergebnisse der Fraunhofer ESK lassen sich gut in der Gebäude- und Sicherheitstechnik, Automatisierungstechnik und Robotik sowie beim Maschinen- und Anlagenbau einsetzen. Auch Unternehmen aus der Energiebranche und Netzbetreiber können von den Resultaten profitieren. Die Kooperationsprojekte umfassen Dienstleistungsaufträge für die Einführung und Umsetzung neuer Technologien und Lösungen am Markt sowie die gemeinsame Bearbeitung von Forschungsprojekten mit Unternehmen. 5 0 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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52 Zuverlässig funken durch Koexistenzmanagement Ein wesentlicher Teil der weltweiten Datenübertragung Störungsfreie Funk kommunikation durch Koexistenzmanagement ist funkbasiert. Auch im industriellen Bereich gewinnt die drahtlose Übertragung immer mehr an Bedeutung. Speziell für die Automatisierungstechnik sind die wichtigsten Durch das in der VDI/VDE-Richtlinie 2185 beschriebene Koexistenzmanagement können Störungen zwischen den Systemen Schlüsselfaktoren, die hinter diesem Wachstum stehen, die Fernsteuerung, welche Mobilität und Flexibilität gewährleistet, minimiert und die Anforderungen des industriellen Umfelds an sowie die kabellose und folglich verschleißfreie Datenübertragung. Jedoch ist beim Einsatz von Funk einiges zu beach- Koexistenz management-prozess lässt sich grob in vier Arbeits- eine Funk-basierte Kommunikationsstrecke erfüllt werden. Der ten. So können die von der drahtgebundenen Übertragung schritte einteilen: bekannte hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit nur durch 1. Erfassung aller Funksysteme mit: eine fachgerechte Planung aller Funksysteme erfüllt werden. Ort, Denn funken Systeme zur gleichen Zeit am gleichen Ort auf verwendetem Frequenzbereich, derselben Frequenz, beeinflussen sie sich gegenseitig. Damit Verantwortlichkeiten, die Kommunikation weitgehend ohne Störungen erfolgt, ist zeitlicher Nutzung des Spektrums und ein sogenanntes Koexistenzmanagement notwendig, das sich Anforderungen. in der Regel sehr aufwendig gestaltet. Um die regelmäßige 2. Evaluierung der aktuellen Koexistenzsituation. Koordinierung, Installation und Kon trolle der Funksysteme in 3. Minimierung der Funkbeeinflussung. diesem Prozess zu erleichtern, haben die ESK-Forscher einen 4. Regelmäßige Überprüfung der Punkte 1 3. handlichen Funkmessplatz entwickelt. Basis für das Koexistenzmanagement sind Messungen der Leistung 2,40 2,42 Frequenz [GHz] Bluetooth WLAN Mikrowelle 2,44 2,46 2,48 Der ESK-Funkmessplatz macht Funk sichtbar: Zu sehen sind freie bzw. bereits belegte Frequenzen. Zeit Funk umgebung vor Ort, die alle Funksysteme und Störquellen auf decken. Mit diesen Informationen wird anschließend die aktuelle Koexistenzsitua tion bewertet und die Funkbeeinflussung von bestehenden Systemen minimiert. Dies kann beispielsweise durch den Wechsel der Betriebsfrequenz oder durch die Anpassung der Sendeleistung geschehen. Neu zu installierende Systeme werden hinsichtlich der benötigten Anforderungen und vorhande nen Koexistenz situation ausgesucht, konfiguriert und installiert. 5 2 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

53 Um sicherzustellen, dass sich nichts an den Optimierungsannahmen geändert hat, müssen im Betrieb regelmäßig Messungen durchgeführt werden. Auch Langzeitmessungen, die sporadisch auftretende Störquellen entdecken, dürfen hierbei nicht fehlen. Funkmessplatz vereinfacht Koexistenzmanagement Da Messgeräte hierfür einerseits teuer sind und andererseits für die Bedienung und Auswertung ein gewisses Know-how notwendig ist, hat die Fraunhofer ESK einen Messplatz für die Unterstützung des Koexistenzmanagements entwickelt. Herzstück des Geräts sind zwei Software Defined Radios (SDR). Bei SDR werden die Sende- und Empfangseigenschaften ausschließlich durch Software definiert und gesteuert. Damit sind sämtliche Funktionen der physikalischen Schicht größtenteils unabhängig von der Hardware und somit durch Änderungen in Software flexibel rekonfigurierbar. hierdurch vereinfachte fachgerechte Planung, Installation und regelmäßige Überprüfung aller Funksysteme schafft die Grundlage für eine zuverlässige und verfügbare Funkkommunikation. Aufgrund der Verwendung von SDR lässt sich der Messplatz beliebig erweitern. Neben der reinen Spektrumsbeobachtung ist ebenfalls eine Demodulation mit anschließender Paketanalyse möglich, durch welche Fehler auf höherer Protokollebene gefunden werden können. Auch eine automatisch ablaufende Koexistenzbewertung ist denkbar, welche bereits frühzeitig vor einem Ausfall Unregelmäßigkeiten feststellt und somit die Zuverlässigkeit der funkbasierten Kommunikation noch weiter erhöhen kann. Die Nutzerschnittstelle ist anschaulich gestaltet und einfach bedienbar. Die Messergebnisse können wahlweise dreidimensional im Zeit-Frequenzraum, zweidimensional als Wasserfalldiagramm oder auch als Amplitudendichteverteilung dargestellt werden. Sie erlauben bereits während der Messung eine ausführliche Bewertung der Koexistenzsituation. Eine weitere Funktion, die sich besonders für die Kanalwahl eines neuen Systems eignet, ist die direkte statistische Auswertung der Frequenzbelegung. Hierbei wird die prozentuale Belegung des 2,4 GHz-Bandes im 1 MHz-Raster als Balkendiagramm dargestellt. Zusätzlich zu dieser Echtzeitdarstellung der Koexistenzsituation werden die Messergebnisse auf der Festplatte abgelegt und können später für eine detailliertere Analyse in Programmen wie Octave oder Matlab verarbeitet werden. Dipl.-Ing. Günter Hildebrandt Telefon: guenter.hildebrandt@esk.fraunhofer.de Automatisierte Koexistenzbewertung Mit dem von der Fraunhofer ESK entwickelten Funkmessplatz steht Anlagenbetreibern ein Werkzeug zur einfachen Durchführung des Koexistenzmanagements zur Verfügung. Die Amit Tumdi, M. Sc. Telefon: amit.tumdi@esk.fraunhofer.de Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

54 Smart vernetzt mit softwarebasierten Funksteckdosen Bis jetzt waren Steckdosen eine lokale Angelegenheit: Man musste vor Ort oder zumindest in der Nähe sein, um den Stromdurchfluss zu messen oder sie zu aktivieren. Mit den Hexabus-Steckdosen aus dem BMBF-Projekt mysmartgrid des Fraunhofer ITWM gewinnen die Anwender Flexibilität, denn die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK haben die Aufsteck-Steckdosen mit IPv6 (Internet Protocol Version 6)-fähigem Funk vernetzt. So kann man über jedes IPv6-fähige Endgerät den aktuellen Stromverbrauch auslesen und die Steckdosen ein- und ausschalten. Die Hexabus-Steckdosen erlauben über IPv6-fähige Geräte wie Smartphones das Anschalten der Waschmaschine bereits auf dem Weg nach Hause. Für das Hausautomatisierungssystem Hexabus, einem Bussystem bestehend aus einem handels üblichen Router sowie einem USB-Stick und einer Funksteck dose, haben die Wissenschaftler das Betriebssystem für integrierte Mikrocontroller Contiki erweitert. Entstanden ist eine softwarebasierte Anwendung, die eine intelli gente, ortsunabhän gige und sichere Funk steue rung von an die Steckdosen angeschlossenen Haushalts geräten gewähr leistet. Die Hardwareentwicklung und Serien fertigung der Funksteckdosen und USB-Sticks erfolgte beim Partner embedded brains GmbH. Hexabus-Funksteckdosen mit IPv6-basierter Kommunikation ler haben sich für 6LoWPAN entschieden, da das offene und standardisierte Protokoll bereits von Haus aus über IP-Fähigkeit verfügt. Der Vorteil der IP-basierten Kommunikation ist ihre hohe Verbreitung. Dadurch können Standard-Geräte wie Smartphones, Tablets und PCs genutzt werden. Teure, zusätzliche Spezial-Hardware muss nicht mehr angeschafft werden. Zudem können die Funksteckdosen mit dem heimischen Router verbunden werden. So kann der Besitzer über das Internet auch von unterwegs seine Steckdosen auslesen und steuern. Daten sicher übertragen Um den Funkverkehr sicher zu gestalten, haben die ESK- Wissenschaftler Contiki eine Advanced Encryption Standard (AES)-128-Verschlüsselung hinzugefügt. Die lizenzfreie Verschlüsselung sorgt dafür, dass alle Daten gesichert übertragen werden. Damit wird der Gefahr des gläsernen Konsumenten Einhalt geboten, genauso wie potenziellen Angreifern, die sich sonst in das Hausautomatisierungssystem einhacken könnten. Hexabus- USB-Stick IPv6 handelsüblicher Router IPv6 Nach der Erweiterung durch die ESK-Forscher nutzt Contiki das Kommunikationsprotokoll 6LoWPAN. Die Wissenschaft- Hexabus- Funksteckdose Start Energy consumption My power sockets Waschmaschine Smartphone An die Hexabus-Funksteckdosen angeschlossene Geräte können im Smart Home mit einem IPv6-fähigen Gerät ein- und abgeschaltet werden. 5 4 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

55 Over-the-air Firmware-Update Auch um ein komfortables Update der Software haben sich die Wissenschaftler gekümmert: Über einen drahtlosen Bootloader kann nachdem der Nutzer an der Steckdose einen Knopf gedrückt hat per Funk die Firmware aktualisiert werden. Im Gegensatz zu gängigen Systemen, bei denen die Geräte noch mit einem Kabel an ein Programmiergerät angeschlossen werden, ist dies ein großer Schritt in Richtung einfacher Bedienung. 868 MHz für weiträumiges Funken Damit der Konsument auch über weite Strecken seine Haushaltsgeräte an- und abschalten kann, funken der USB-Stick und die Steckdose nach der Anpassung durch die Ingenieure im 868 MHz-Frequenzband, und nicht mehr im 2,4 GHz-Bereich. Mit dem in Europa lizenzfreien 868 MHz-Frequenzband erreicht der Konsument auch weiträumig verteilte Geräte, da die Übertragungseigenschaften dank der besseren Durchdringung von Wänden und der geringeren Dämpfung vorteilhafter ausfallen als beim 2,4 GHz-Band. komponenten und des IP-basierten Hausbus systems eingesetzt und erweitert, z. B. bei der Implementierung von Protokollstacks und der Anpassung des Betriebssystems Contiki. Mit Multi-hop-Vernetzung in großen Arealen funken Die IPv6-fähigen Funksteckdosen sind bereits einsetzbar. Bei den Hardware- und Software-Komponenten handelt es sich um Open-Source. Informationen und Quellen zum System sind unter frei verfügbar. Da alle Aspekte offen gelegt sind, können von den Anwendern auch weitere Sensoren eingebaut werden. Ist das Startprojekt in erster Linie auf den Heimverbraucher zugeschnitten, könnten durch eine Multi-hop-Vernetzung künftig größere Areale abgedeckt werden. Nicht mehr der einzelne Haushaltskonsument, sondern ganze Büroanlagen oder Industrieflächen profitieren in diesem Zukunftsszenario von dem internetfähigen Heim- Auto matisierungssystem. Das Projekt mysmartgrid wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und vom Bundesland Rheinland-Pfalz gefördert. Steckdosen benennen und konfigurieren Neu ist auch, dass die einzelnen Steckdosen im Browser mit Namen adressiert und nach den jeweils angeschlossenen Geräten, z. B. waschmaschine.bad, benannt werden können. Dafür haben die ESK-Wissenschaftler den Hexabus-Steckdosen das mdns-protokoll hinzugefügt. Konnte der Webserver vor der Modifikation nur Daten bereitstellen, so ist über die Webseite jetzt auch die Konfiguration der Steckdose möglich und zwar plattformunabhängig. Dipl.-Ing. Günter Hildebrandt Telefon: Mit der Vernetzung von Stromverbrauch und drahtlosen IKT- Technologien ist eine intelligente Anwendung entstanden, die für einen sicheren, weiträumigen und ortsunabhängigen Zugriff auf Haushaltsgeräte sorgt. Die Forscher der Fraun hofer ESK haben dabei ihre Erfahrungen im Bereich der Vernetzungs- Neda Petreska, M. Sc. Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

56 Leistungsbereich industrial software In der Industrie ist Software ein wichtiger Innovationstreiber. Sie definiert Bewegungsabläufe von Robotern und legt die Funktionen komplexer Steuerungen in industriellen Prozessen wie der Fertigungstechnik oder der Energieversorgung fest. Da die technischen Abläufe sehr hohe Anforderungen stellen, müssen Qualität und Zuverlässigkeit stimmen. Gleichfalls benötigen die Entwicklungsprozesse entsprechende Rand bedingungen und passende Werkzeuge. Aktuelle Schwerpunkte des Leistungsbereiches Industrial Software sind Softwarearchitekturen und -methoden für Multicore-Prozessoren in eingebetteten Systemen sowie Verfahren für adaptive Software in mechatronischen Systemen und Anlagen. Multicore- und Manycore-Prozessoren in Embedded Systems Die vom Desktop-PC her bekannten Multicore-Prozessoren finden aktuell immer stärker auch Einzug in Embedded Systems in der Industrie. Da hier spezielle Anforderungen und Randbedingungen gelten, erfordern Embedded Multicore- Prozessoren optimierte Software-Architekturen und entsprechende Entwurfsverfahren. In diesem Themenschwerpunkt arbeiten die ESK-Wissenschaftler an einer Laufzeitumgebung für stark kostenoptimierte Multicore-Prozessoren sowie an der Konzeption und Erprobung von Entwicklungswerkzeugen für die praxistaugliche Multicore-Softwareentwicklung. Die Lösungsansätze sollen Entwickler in der Unternehmenspraxis in die Lage versetzen, die Leistungsfähigkeit der neuen, parallelen Hardware effizient in ihren Softwareapplikationen zu nutzen. Weiterhin müssen viele bestehende Applikationen auf die neuen Prozessoren portiert und optimiert werden. Die Fraunhofer ESK hat hierfür eine Methodik erarbeitet und verfügt über eine umfassende Expertise über einzusetzende Werkzeugketten und Programmiermethoden, mit denen sie Firmen bei der Umstellung unterstützt. Adaptive Software in mechatronischen Anlagen Gerade die Automatisierungstechnik und der Maschinenund Anlagenbau stellen hohe Anforderungen an eingesetzte Software, insbesondere hinsichtlich Zuverlässigkeit und Fehlerfreiheit. Mechanik und Elektronik bieten immer leistungsfähigere Plattformen, auf denen durch Software komplette mechatronische Produkte und Anlagen entwickelt werden können. Für die Zukunft wird als neue Anforderung die Steigerung der Flexibilität erwartet. Dies erfordert adaptive Softwaresysteme in der Mechatronik, die in der Lage sind, sich bei ändernden Einsatzszenarien selbständig anzupassen. Hierfür sind neuartige Laufzeitplattformen sowie Entwurfsund Testverfahren zu erforschen. Um diese zu validieren und zu testen, hat die Fraunhofer ESK eine speziell ausgerichtete Laborumgebung aufgebaut. Sie besteht aus einem Arbeitsplatz für die mecha tronische Simulation und virtuelle Inbetriebnahme sowie einer eigenen Modellfabrik für die Nachbildung von Stückgut prozessen. An beide Umgebungen können softwarebasierte Steuerungen, zum Beispiel speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), aber auch neue SoftSPS- Steuerungen angebunden werden. Zielgruppen in der Industrie Im Leistungsbereich Industrial Software kann die Fraunhofer ESK sowohl kleine und mittelständische als auch große Unternehmen unterstützen. Im Auftrag von und in Kooperation mit Unternehmen erzielen die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK Resultate, welche sich gut in der Gebäude- und Sicherheitstechnik, der Energieversorgung sowie der Automatisierungstechnik und Robotik einsetzen lassen. 5 6 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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58 Software-Methodik für eingebettete Multicore-Systeme In Embedded Systems sind zunehmend Multicore-Prozessoren im Einsatz. Diese ermöglichen durch ihre hohe Rechenleistung bei geringen Kosten auch den Einsatz von Mikroprozessoren in Anwendungen wie Paket- oder Signalverarbeitung. Hierfür wurde bisher Spezial-Hardware verwendet, die nur für den einen Einsatzzweck entwickelt wurde. Mit Multicore- Prozessoren erhält man eine flexible, leistungsfähige und wiederverwendbare Hardware-Plattform. Neue Funktionen können in Software implementiert werden und sind so leichter realisierbar als bei der Verwendung von Spezial-Hardware. Herausforderungen bei Embedded Multicores Diese Embedded Multicores stellen aus zwei Gründen eine Herausforderung bei der Softwareentwicklung dar: Erstens muss hochoptimierte Software geschrieben werden, um die begrenzten Hardware-Ressourcen optimal auszunutzen. Dabei müssen die Entwickler häufig manuell eingreifen. In derartigen handoptimierten Programmen gestaltet sich die Fehlersuche besonders aufwendig. Die entstehende Software ist nur schwer zu warten und auf zukünftige neue Hardware zu portieren. Die zweite Herausforderung hat ihre Ursache in den speziellen Randbedingungen eingebetteter Systeme: Beim Entwurf der Hardware muss besonderer Wert auf eine geringe Chipfläche und einen niedrigen Energieverbrauch gelegt werden. Das hat zur Folge, dass auf Hardware-Funktionen verzichtet wird, die beispielsweise in Desktop- und Server-Prozessoren zum Stand der Technik gehören. Diese fehlenden Funktionen müssen durch Software übernommen werden. Beispielsweise kann eine Hardware-Unterstützung für das Sicherstellen der Cache- Kohärenz fehlen, wie auf der verwendeten Plattform im Projekt zu Multicore-Systemen, an dem die ESK-Wissenschaftler in Kooperation mit der Lantiq Deutschland GmbH und dem Lehrstuhl für integrierte Systeme der TU München arbeiten. Die Cache-Kohärenz verhindert bei Mehrprozessorsystemen, dass einzelne Zwischenspeicher, sog. Caches, für dieselbe Speicheradresse unterschiedliche, d. h. inkonsistente, Daten enthalten. Um derartigen Herausforderungen effektiv entgegenzuwirken, erarbeiten die ESK-Forscher spezifische Werkzeuge, welche die Software-Hersteller unterstützen sollen. Insgesamt forschen sie an drei Entwicklungstools: Tools für Compiler- Anpassungen, Tools zur Debug-Unterstützung zur Laufzeit und Tools für dynamische Laufzeitumgebungen. Die Werkzeuge finden sowohl bei der Entwicklung als auch im fertigen Produkt Verwendung. Entwicklung Einsatz Compilezeit Laufzeit Compiler-Anpassungen: Verbesserte Analyse und Codegenerierung Debug-Unterstützung durch Werkzeuge zur Laufzeit Dynamische Laufzeitumgebung für eingebettete Multicore-Systeme Die ESK-Wissenschaftler forschen an drei Tools, um Software-Entwickler beim Einsatz von Multicore-Systemen zu unterstützen. 5 8 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

59 Compiler-Anpassungen verringern manuellen aufwand Compiler-Erweiterungen erleichtern das Erstellen optimierten Codes für Multicore-Prozessoren, da sie die manuellen und damit aufwendigen Eingriffe bei der Softwareentwicklung und Fehlersuche reduzieren und zu einer höheren Automatisierung führen. Durch Quellcode-Annotation erreichen die Wissenschaftler eine präzise Steuerung der Compiler-Optimierung. Weiterhin identifizieren sie Code-Passagen, die für eine Gewährleistung der Cache-Kohärenz relevant sind, indem sie statische Analysen mit einem Cache-Modell kombinieren. Debug-Unterstützung zur Laufzeit hilft Fehler schneller aufzudecken Bei der Programmierung von parallelen Systemen kommt es häufig zu Fehlern, die schwierig zu reproduzieren und zu beheben sind. Fehlende Hardware-Unterstützung für Cache- Kohärenz, wie sie beim Zielsystem des Projekts vorliegt, verschärft dies noch, da die exakten Wechselwirkungen einzelner Software-Komponenten nicht vorherzusehen sind. Die Wissen schaftler erstellen Werkzeuge, die zur Laufzeit nach Anzeichen für mögliche Fehler suchen, bevor diese sichtbar werden. So werden selten auftretende Fehler schneller gefunden und deren Ursache gezielter ermittelt. Konkret wird an einem Tool gearbeitet, welches bei laufendem System im Hintergrund die Inhalte der Caches untersucht. Daraus wird die tatsächliche Nutzung des Speichers ermittelt und mit einem Modell der Speichernutzung verglichen. Auf diese Weise können fehlerhafte Zugriffe entdeckt werden. zeit-systemen gearbeitet. Jeder Core führt dabei eine eigene Instanz des Betriebssystems mit einem eigenen Scheduler aus. Man spricht hier von Asymmetrischem Multiprocessing (AMP). Beim AMP ist eine Migration von Tasks zwischen den Cores nicht ohne weiteres möglich, mit dem Ergebnis, dass die Software oft statisch auf die einzelnen Cores verteilt wird. Im Projekt entsteht eine Laufzeitumgebung, die die Elemente beider Ansätze vereint. Damit erhalten eingebettete Multicores mit beschränkten Ressourcen eine dynamische Verteilung von Aufgaben auf Cores. Eine solche Lösung hat den Vorteil, dass zum einen die Hardware besser ausgelastet wird, zum anderen zu Zeiten geringer Last die Rechenarbeit auf wenigen Cores konzentriert wird. So können einzelne Cores vorübergehend abgeschaltet werden, um Energie zu sparen. Die Arbeit an diesem Projekt zeigt, wie wichtig geeignete Werkzeuge bei der Software-Entwicklung für Multicores sind. Die Fraunhofer ESK plant daher in Zukunft, Tools und Methoden speziell für eingebettete Multicore-Systeme weiterzuentwickeln. Das Projekt wird durch das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft, Infrastruktur, Verkehr und Technologie gefördert. Prof. Dr. habil. Christian Prehofer Telefon: Dynamische Laufzeitumgebung optimiert hardware-nutzung Betriebssysteme wie Linux bieten durch Symmetrisches Multiprocessing (SMP) eine umfangreiche Unterstützung für Multicores. Aufgrund des hohen Overheads sind sie für Embedded Systems oft nicht geeignet. Stattdessen wird mit kleinen Echt- Dipl.-Ing. Adriaan Schmidt Telefon: Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

60 Adaptive Automatisierungstechnik Validieren und testen Industrielle Produktionsprozesse gestalten sich immer dynamischer. Kleinere Losgrößen und variantenreichere Produkte erfordern von Produktionsanlagen eine größere Flexibilität, als es in der Vergangenheit der Fall war. Viele Anlagen werden zukünftig nicht mehr nur eine statische Aufgabe erfüllen. Stattdessen wird es notwendig sein, die Anlagen kontinuierlich auf neue Bedingungen anzupassen. Von der Feldebene über die Steuerungsebene bis zur Leittechnikebene müssen Verfahren erarbeitet werden, die diese Rekonfiguration der komplexen Anlagen erlauben. Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK forschen an neuen Konzepten für adaptive Steuerungssysteme, welche die komplexen Produktionsprozesse unterstützen und für eine größere Flexibilität und Automation im Produktionsprozess sorgen. Um diese neuen Verfahren zu erproben, haben sie eigens eine Validierungs- und Testumgebung aufgebaut, mit der sie unterschiedliche Ansätze analysieren und bewerten. Mit ihrem so gewonnenen Know-how unterstützen und beraten sie Industriepartner bei der Einführung und Weiterentwicklung von Kommunikationstechniken im industriellen Produktionsprozess. Offene Plattform als Validierungs- und testumgebung Die bei der Fraunhofer ESK entwickelte Validierungs- und Testumgebung besteht aus einem exemplarischen mechatronischen Prozessmodell für einen Fertigungs- und Logistikprozess sowie einer Hardware-in-the-Loop (HIL) Echtzeitsimulation dieses Prozesses. Über einen PROFIBUS können verschiedene Arten von Steuerungen mit dem Modell oder der Simulation verbunden werden. Neben aktuellen Siemens S7-Steuerungen steht auch eine PC-basierte Plattform zur Verfügung. Die Plattform setzt auf Standard-PC-Komponenten und Open-Source Software, um eine offene und flexible Basis für Forschungsarbeiten zu bieten. CAD-System (Solidworks) Simulation (Winmod) Vernetzung (PROFIBUS) Software Standard-SPS (Siemens S7) Software Reales Prozessmodell PC-basierte Steuerungsplattform Die Fraunhofer ESK hat eine Validierungs- und Testumgebung aufgebaut, mit der dynamisch rekonfigurierbare Automatisierungssysteme getestet und weiterentwickelt werden. 6 0 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

61 Ziel: Dynamisch rekonfigurierbare Anlagen Ergebnis Auf der Basis der Testumgebung erarbeiten die ESK-Forscher Verfahren, die eine dynamische Rekonfiguration von Automatisierungstechnik während des Betriebes einer Anlage erlauben. Für die Wissenschaftler sind dabei folgende Forschungsbereiche von besonderem Interesse: n Adaptive und rekonfigurierbare Automatisierungs-Software, n Einbindung zusätzlicher Dienste auf der Industriesteuerung, n Einbindung neuer Kommunikationsstrukturen, z. B. drahtlose Anbindung von Sensoren und n leistungsfähige Industriesteuerungen auf Basis von Multicores. Der Software-Anteil in zukünftigen Automatisierungssystemen wird weit über die bloße Prozess-Steuerung hinaus anwachsen. Zur Beherrschung dieser neu entstehenden Komplexität arbeiten die Wissenschaftler mithilfe ihrer Validierungs- und Testumgebung im Labor an neuen Konzepten und Lösungen, um so künftige Entwicklungen im industriellen Prozess zu begleiten und zu unterstützen. Damit die Flexibilität bei Produktionsanlagen gesteigert werden kann, muss die adaptive Automatisierungssoftware erlauben, Softwarekomponenten auf Steuerungen dynamisch zu aktivieren und deaktivieren. Zudem sollen software basierte Funktionen auf verschiedene Komponenten verteilt werden können, wobei auch Anpassungen der Softwareverteilung während der Laufzeit realisiert werden müssen, zum Beispiel bei einer Änderung der Aufgabenstellung. Neben der Flexibilität bei der Systemintegration kann durch adaptives Verhalten auch die Verfügbarkeit von Anlagen erhöht werden. Mit Hilfe der Testumgebung können die ESK-Wissenschaftler dabei untersuchen, ob beim Ausfall von Hardwarekomponenten durch dynamische Rekonfiguration ein Aufrechterhalten des Betriebes einer Anlage ermöglicht werden kann. Darüber hinaus wird getestet, ob sich Komponenten wie drahtlose Sensoren flexibel in Anlagen integrieren lassen und Anlagen abhängig vom Produktionsprozess für eine Steigerung der Energieeffizienz hoch- und heruntergefahren werden können. Alle diese Ansätze erweitern die Automatisierungskomponenten um neue Funktionsmerkmale, welche vor der Produkteinführung umfassend erprobt werden müssen. Hierfür stellt die Validierungs- und Testumgebung der Fraunhofer ESK eine optimale Basis dar. Dipl.-Ing. Mike Heidrich Telefon: mike.heidrich@esk.fraunhofer.de Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

62 Geschäftsfeld telecommunication Always on, seine Daten überall und auf jedem Endgerät zur Verfügung zu haben, setzt sich zunehmend durch. Doch führt das zu Her ausforderungen bei der Datensicherheit, dem Datenschutz und der Netzqualität sowie der Interoperabilität verschiedener Systeme. Diesen Themen müssen sich Unternehmen stellen. Die eigenen Daten sollen nicht nur überall abrufbar sein, sondern auch möglichst schnell übertragen werden. Die Bundes regierung hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2014 mehr als 75 Prozent der Haushalte an einen Breitbandanschluss mit einer Leistungsfähigkeit von mehr als 50 Mbit/s anzubinden. Die Herausforderung bei einem flächendeckenden Breitbandnetz ist die Bereitstellung von qualifizierter IP-Konnektivität über verschiedenste physikalische Netzabschnitte und Netz elemente. Höchste Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, Interoperabilität, Sicherheit gegenüber Dritten und jederzeit ausreichende Bandbreite bei geringsten Verzögerungszeiten werden die Anforderungen der nächsten Jahre sein. Themen und Ergebnisse Diesen Aufgaben stellt sich das Geschäftsfeld Telecommunication. Es gliedert sich in den Leistungsbereich Communication Solutions, der vornehmlich Dienstleistungen zur Produkt- und Technologieevaluation anbietet, und in den Leistungsbereich Access & Inhouse Networks. Letzterer basiert auf der Kernkompetenz Leitungsgebundene Übertragungstechnik und bietet Forschung- und Entwicklungsleistungen für die Weiterentwicklung der Highspeed-Wired- Technologien für den Access-Bereich und den weiteren Übertragungswegen in Gebäuden an. Die Wissenschaftler des Geschäftsfeldes forschen anwendungsorientiert an vernetzten Systemen und fokussieren sich auf die Kernthemen der Kommunikationsnetze und -technik, auf System- und Anwendungskonzepte und die Entwurfsund Softwaretechnik zur Entwicklung von Kommunikationssystemen.

63 Geschäftsfeldleiter Dipl.-Ing. Sven Brandt Telefon: Ein weiteres Themenfeld ist die Übertragung per Satellit. Zur flächendeckenden Breitbandversorgung braucht man im Access-Bereich hybride Lösungen mit zusätzlichen Übertragungstechnologien auch Funk-basiert. Deswegen hat die Fraunhofer ESK in 2010 mit dem Know-how-Aufbau zur Übertragung via Satellit begonnen. zum Beispiel Untersuchungen für Kanalmodellierungen von PLC-Strecken, Modellierungen zur Erfassung und Behandlung von Störgrößen und die Entwicklung von Reference Boards. Zur Verbesserung der Energieeffizienz sind Verfahren zur intelligenten und lastabhängigen Steuerung von Systemen erforderlich (Digital Power Management). Mit ihren Ergebnissen und ihrem Wissen unterstützt die Fraunhofer ESK außerdem Unternehmen und Einrichtungen mit Produktevaluationen, Techno logiestudien und Infrastrukturplanungen im Bereich der Telekommunikationsinfrastrukturen. Forschungsfokus In 2012 werden im Geschäftsfeld Telecommunication Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu DSL (Digital Subscriber Line)-Vectoring weitergeführt. Hinzu kommen Untersuchungen zur Powerline Communication. Die wissenschaftlichen Arbeiten des Geschäftsfelds Telecommunication beinhalten Zudem wird die Interoperabilität mit anderen Inhaus-Vernetzungstechnologien untersucht. So sieht beispielsweise der HomeGrid-Standard die gleichzeitige Nutzung aller verfügbaren Kabelarten wie TwistedPair, Koaxial oder Stromkabel vor allem in Wohngebäuden vor. Leistungsbereiche n Access & Inhouse Networks n Communication Solutions

64 Leistungsbereich Access & Inhouse Networks Aufbauend auf den langjährigen Erfahrungen der Kernkompetenz Leitungsgebundene Übertragungstechnik liegt der Schwerpunkt der Tätigkeiten des Leistungsbereichs Access & Inhouse Networks in der technologischen Weiterentwicklung von Highspeed-Wireline-Technologien. Die Wissenschaftler erforschen bei den drahtgebundenen Hochgeschwindigkeitstechnologien, z. B. DSL und Power line, wie die Übertragung im Access- und Inhaus-Bereich mit unterschiedlichen Technologien optimal gestaltet werden kann. In Gebäuden werden neben Twisted Pair-Verkabelungen zunehmend Stromleitungen als Transportmedium für viele Endgeräte verwendet. Deswegen ist eine Sicherstellung der Interoperabilität der Technologien ein aktuelles F & E-Thema. Um eine hohe Netzabdeckung im Access-Bereich zu erreichen, entstehen zunehmend hybride Lösungen, die Satellitennetze einschließen. Deren physikalischen Übertragungseigenschaften unterscheiden sich deutlich von denen der leitungsgebundenen Technologien, weshalb hier großer F & E-Bedarf besteht. Wie die neu erschlossenen Übertragungsbänder v. a. für Enterprise- Anwendungen genutzt werden können, ist ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Leistungsbereichs. Die untersuchten Übertragungstechniken reichen von VDSL2 (Very High Speed Digital Subscriber Line 2) über Powerline-Technik bis zu satellitenbasierten Übertragungswegen. Dabei wird untersucht, wie sich Daten Ende-zu-Ende qualitativ hochwertig übertragen lassen. Optimierung von VDSL2 Der Leistungsbereich Access & Inhouse Networks arbeitet seit vielen Jahren an der Entwicklung und Erprobung von Übertragungsnetzen auf der Basis der DSL-Technologie. Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung von VDSL2. Dabei greifen die Wissenschaftler auf unterschiedlichste Techniken wie Vectoring, Bonding und Phantomschaltung zurück und kombinieren diese. Werden die Access-Technologien in Gebäuden eingesetzt, müssen veränderte Randbedingungen beachtet und die Kanalmodelle angepasst oder neu erarbeitet werden. Im Ergebnis sollen mit der DSL-Technologie über die Kupferadern der Telefonverkabelung in Gebäuden Übertragungsraten bis 1 Gbit/s erreicht werden. Ausbau der Powerline-Technologie Ausgebaut werden auch die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Powerline-Technik. Gemeinsam mit Halbleiterherstellern und Netzwerkausrüstern entwickelt die Fraunhofer ESK eine neue Generation der breitbandigen Kommunikations versorgung auf Basis der bestehenden Stromverkabelungen. Im Fokus der Forschung stehen Kanalmodelle und Übertragungsverfahren, die eine stabile Breitbandkommunikation in Frequenzbereichen über 100 MHz und Datenraten von mehreren 100 MBit/s erlauben. Einbindung von Satellitennetzen Zudem muss für eine flächendeckende Breitbandversorgung im Access-Bereich die Satellitenkommunikation berücksichtigt werden. Zusammen mit EADS Astrium Services, Bereich Telecom Services, wurden bestehende stationäre nichtkommerzielle Satellitenstrecken auf ihre Übertragungseigenschaften bzgl. Quality of Service und dem Verhalten beim Einsatz klassischer VPN-Technologien untersucht. Die mittelfristige Ziel setzung besteht in der Bereitstellung hochwertiger echtzeittaug licher Business-Services für überwiegend bewegliche Objekte. Angebote Die Herausforderung bei einem flächendeckenden Breitbandnetz ist die Bereitstellung von qualifizierter IP-Konnektivität über verschiedenste physikalische Netzabschnitte und Netzelemente. Höchste Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit, Interoperabilität, Sicherheit gegenüber Dritten und jederzeit ausreichende Bandbreite bei geringen Verzögerungszeiten sind die Anforderungen der nächsten Jahre. Gemeinsam mit Halbleiterherstellern, Ausrüstern und Betreibern von Telekommunikationsnetzen stellen sich die Wissenschaftler diesen Herausforderungen und unterstützen mit ihren Forschungsarbeiten Unternehmen bei der Erarbeitung und Einführung von Telekommunikationslösungen. 6 4 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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66 Satellitengestützt kommunizieren Nach Informationen der Bundesnetzagentur wurden zur Jahresmitte 2011 in Deutschland fast 27 Millionen Breitbandanschlüsse genutzt. Dabei bilden DSL (Digital Subscriber Line)-Anschlüsse mit über 85% den zahlenmäßig größten Anteil zur Realisierung breitbandiger Internetzugänge. Weitere alternative Technologien sind TV-Kabelnetzanschlüsse, Glasfaseranschlüsse, Funktechnologien wie LTE (Long Term Evolution) oder das SatDSL. Global betrachtet sind noch weite Gebiete der Erde für breitbandige und echtzeitfähige Kommunikation unerschlossen und werden sich mit klassischen Netztechnologien auch nicht wirtschaftlich erschließen lassen. Im Zuge der Globalisierung und der Öffnung neuer Märkte wird es einen steigenden Bedarf an Kommunikationsmöglichkeiten in diesen Regionen geben. Für eine schnelle und unter Umständen auch nur temporär notwendige Erschließung ist die satellitenbasierte Kommunikation optimal. Denn über Satellit lassen sich auch ohne Telefonkabel oder TV-Kabel Daten aus dem All senden und empfangen. Satellitenübertragung und Businessapplikationen Mit dem Ziel der Nutzung von Businessapplikationen haben die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK untersucht, welche technisch relevanten Vor- und Nachteile sich beim satellitengestützten Breitband-Internetzugang ergeben. Sie haben erforscht, inwieweit die zur Übertragung per Satellit verwendeten Codierungs- und Verschlüsselungsalgorithmen und die zu überbrückende Übertragungsentfernung für industrielle und geschäftliche Standardanwendungen geeignet sind. Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes mit EADS Astrium Services wurden an unterschiedlichen breitbandigen Satellitendiensten Performance- und Durchsatzmessungen vorgenommen sowie verschiedene Applikationen getestet. Untersucht wurden sowohl Angebote für Privatkunden, bei denen aktuell das Ku-Frequenzband (Frequenzbereich 12,4 18 GHz) genutzt wird, als auch ein professionelles VSAT (Very Small Aperture Terminal) System. Problem: Hohe Latenzzeit Während bei älteren Lösungen lediglich der Downstream über den Satelliten übertragen wurde und für den Upstream noch ein Telefon-/Daten-Anschluss erforderlich war, bieten aktuell verfügbare Systeme eine bidirektionale Übertragung über Satelliten an. Die Datenübertragung in zwei Richtungen stellt in verschiedener Hinsicht höhere Anforderungen: So sind neben der Parabolantenne mit LNB (Low Noise Block Converter) und Sichtverbindung zum Satelliten auch ein Satelliten modem sowie ein sendefähiger Leistungsverstärker BUC (Block Up Converter) erforderlich. Zusätzlich komplexer werden die Anforderungen, wenn Verbindungen zu beweglichen Objekten am Boden oder auf dem Wasser wie z. B. Schiffen oder Messbojen aufrechterhalten werden müssen. Der große Vorteil von Satellitenverbindungen ist, dass an nahezu jedem Standort in einem relativ großen Ausleuchtungsbereich Verbindungen hergestellt werden können. Die Verbindungsqualität und der damit verbundene Datendurchsatz hängen dabei vom Aufenthaltsort innerhalb des Ausleuchtungskegels ab. Je näher sich der Übertragungsort am Zentrum des Ausleuchtungskegels des Satelliten befindet, desto leistungsfähiger ist die Verbindung. Nähert man sich dem Rand des Ausleuchtungskegels, nimmt der erzielbare Durchsatz ab bzw. sind größere Antennen notwendig. Dem Vorteil der relativen Ortsunabhängigkeit stehen aber auch systembedingte Nachteile gegenüber. Ein Nachteil bei der Satellitenübertragung ist die große Entfernung zwischen Satellitenmodem (Anwender), Satellit und Provider-Bodenstation. Aufgrund der weiten Übertragungswege ergeben sich relativ hohe Latenzzeiten. Die Verzögerungszeiten liegen im Bereich von 500 bis 700 Millisekunden gegenüber weniger als 40 Millisekunden bei DSL-Systemen. 6 6 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

67 Hohe Qualität bei Standardanwendungen Ausblick Die durchgeführten Untersuchungen und Messungen der Fraunhofer ESK haben ergeben, dass Standardanwendungen im Internet wie das Surfen auf Webseiten, der Abruf von Videos oder der Zugriff auf Datenbanken trotz der hohen Latenzzeiten über Satellitenverbindungen in hoher Qualität ausführbar sind. Die Nutzung von VPN (Virtual Private Network)-Verbindungen zur Herstellung einer verschlüsselten Verbindung in ein Firmennetz ist über Satellit ebenfalls möglich. Auch auf Datenbanken, Mail- und Netzwerkdienste kann über verschlüsselte VPN-Verbindungen zugegriffen werden ohne größere zeitliche Einschränkungen. Merkbare Abstriche, hervorgerufen durch die hohe Latenzzeit von über 500 Millisekunden, sind jedoch bei der Sprachübertragung zu verzeichnen. So eignet sich eine satellitenbasierte Kommunikation für Telefonkonferenzen nur eingeschränkt, da sich aufgrund der Verzögerungszeiten die Gesprächspartner gegenseitig ins Wort fallen oder längere Sprechpausen eingeplant werden müssen, um auf Antworten zu warten. Vorsicht ist auch bei Privatkundentarifen geboten, die standardmäßig eine Fair-Use-Policy beinhalten. Dies führt in Abhängigkeit vom übertragenen Datenvolumen dazu, dass die zur Verfügung gestellte Bandbreite entsprechend der Dienstvereinbarung ab einer gewissen Nutzungsintensität eingeschränkt und gedrosselt wird. Eine Ursache liegt in der allgemeinen Begrenzung der Kapazität durch Nutzung des Ku-Bandes. Im letzten Jahr wurden weitere Satelliten gestartet, die zunehmend neben dem Ku-Band auch das Ka-Band (27 40 GHz) zur Übertragung nutzen, so dass zukünftig weitere Angebote mit größeren Bandbreiten zu erwarten sind. Die Herausforderungen der nächsten Jahre werden sich auf drei Forschungsbereiche fokussieren: n Erzielung einer möglichst konstant hohen Datenrate innerhalb des Ausleuchtungskegels, n stabile, hochbitratige und hochsichere Verbindungen zu beweglichen Objekten, wie Schiffen ohne permanente motorunterstützte Nachsteuerung der Antennen und n Erhöhung der Störfestigkeit gegenüber anderen Funklösungen im erdnahen Bereich. Diese drei Forschungsschwerpunkte werden von den Forschern der Fraunhofer ESK aufgegriffen und in zukünftigen Projekten vorangetrieben. Dipl.-Ing. (FH) Mathias Leibiger Telefon: mathias.leibiger@esk.fraunhofer.de Dipl.-Ing. Sven Brandt Telefon: sven.brandt@esk.fraunhofer.de Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

68 Leistungsbereich communication Solutions Können IT-Systeme tatsächlich die Kommunikation im Unternehmen soweit unterstützen, dass Arbeitsprozesse schneller und damit kostengünstiger und zugleich hohe Sicherheitsstandards erfüllt werden? Mit dieser Kernfrage beschäftigt sich der Leistungsbereich Communication Solutions. Ziel ist, die zunehmende Komplexität von Kommunikationsinfrastrukturen im Unternehmen zu beherrschen und fachlich hochwertige und gleichzeitig unabhängige Techno logie- und Infrastrukturberatungen bereit zu stellen. Die Wissenschaftler unterstützen Unternehmen durch die Erstellung von Technologiegutachten, Sicherheitspolicies und Infrastrukturanalysen. Auch komplette Systemevaluationen gehören zum Angebotsspektrum. Dabei greifen die Forscher auf jahrelanges Knowhow zurück: Teil des Leistungsbereichs ist das Kompetenzzentrum für Sprach- und Mobilkommunikation, das seit fast zehn Jahren an diesen Themen arbeitet. Neben den Beratungsdienstleistungen entwickeln die Wissenschaftler zudem Architekturen für verteilte Systeme im Internet. Beratung für Kommunikationslösungen im unternehmen Moderne Kommunikationslösungen bestehen heute nicht mehr nur aus dem fest installierten Telefon am Arbeitsplatz. Sie sehen darüber hinaus eine integrierte Nutzung möglichst vieler Kommunikationskanäle vor und bieten Möglichkeiten zum arbeitsplatzübergreifenden Arbeiten. Für Unternehmen ist es häufig schwierig, aus der Vielzahl von Angeboten der Hersteller und Dienstleister eine optimale Lösung für die eigene, unternehmensinterne Kommunikation auszuwählen. Das Team der Fraunhofer ESK bietet auf Basis der individuellen Anforderungen Unterstützung bei der Entwicklung von ganzheitlichen Systemlösungen an. Sicherheitsevaluation von Collaborations-Lösungen Mit der zunehmenden Verbreitung von Collaboration- Systemen, die z. B. eine gemeinsame Bearbeitung und den Zugriff auf hochsensible Unternehmensdaten erlauben, stellt sich die Frage der Datensicherheit. Die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK untersuchen in Projekten mit Partnerinstituten Webcollaboration-Lösungen auf Sicherheitsmängel. Bei der Beurteilung begutachten die Wissenschaftler, wie die Systeme konzeptionell aufgebaut und programmiert wurden und wie das Produkt in der praktischen Anwendung ausfällt. Grund lage für die Sicherheitsanalyse bildet das ESK-eigene Enterprise Communication Labor. Hier untersuchen die Forscher z. B. Cloud-Lösungen und lokal installierte Varianten. In einem Testnetz wird die gesicherte und stabile Übertragung und Ablage von Informationen geprüft. Architekturen für verteilte Systeme im Internet Webapplikationen sind verteilte Softwaresysteme, die immer stärkere Verbreitung finden und klassische Anwendungen verdrängen. Bestehende methodische Entwicklungsansätze decken die spezifischen funktionalen und nicht-funktionalen Anforderungen der verteilten Systeme wie Erweiterbarkeit, Sicherheit oder Offline-Fähigkeit jedoch nicht ausreichend ab. Deswegen entwickelt der Leistungsbereich ein für verschiedene Aspekte des Anwendungsszenarios optimierbares Architekturmodell, das definiert, an welchen Stellen die nichtfunktionalen Anforderungen an das System in die Architekturentscheidungen einbezogen werden müssen. Angebote Für Unternehmen, Verbände, öffentliche Einrichtungen, Behörden und Telekommunikationshersteller bietet der Leistungsbereich Communication Solutions fachliche Beratungen und Analysen zu Kommunikationslösungen an. Das Spektrum reicht von System- und Sicherheitsevaluationen über Patentgutachten bis zur Konzeption von Systemarchitekturen. Parallel dazu wird aktuell an dem Thema der gemeinsamen Nutzung von Inhalten auf Basis verteilter Systeme inklusive deren Rechteverwaltung gearbeitet. 6 8 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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70 Mobiles Lernen In allen Entwicklungsländern gibt es großen Bedarf an der Aus- und Weiterbildung der Bevölkerung. Das betrifft zum Beispiel Umweltfragen oder medizinische Themen, zu denen insbesondere auch die ländliche Bevölkerung erreicht werden soll. Allerdings ist der Einsatz konventioneller Lehrmethoden, wie Schulungen und Bücher, sehr schwierig. Die Kommunikationsinfrastruktur ist eher schlecht oder gar nicht vorhanden, so dass internetbasierte E-Learning-Lösungen, die meist einen Breitband-Anschluss erfordern, ebenfalls nicht geeignet sind. Im Gegensatz dazu ist die Verbreitung einfacher Handys hoch. So entstand die Idee, ein E-Learning-System aufzubauen, das für die Benutzer vor Ort mit vorhandenen Hilfsmitteln der mobilen Kommunikationsinfrastruktur nutzbar ist. Von der Fraunhofer ESK wurde ein System konzipiert und umgesetzt, das die Nutzung von Kommunikationsplattformen über mobile Endgeräte ermöglicht. Robust und kostengünstig Vor dem Hintergrund des Einsatzes in Entwicklungsländern sind wichtige Anforderungen an das System sowohl die leichte Bedienbarkeit der Endgeräte und Funktionsabläufe für die Enduser als auch die unkomplizierte Administrierbarkeit des möglichst robusten und kostengünstigen Hintergrundsystems. Das Anforderungsprofil erfüllten die Wissenschaftler der Fraunhofer ESK mit einem Systemkonzept, das auf einem einfach zu bedienenden Open-Source Linux-System basiert. Das System setzt sich zusammen aus einem VoIP (Voice over IP)-IVR (Interactive Voice Response)-Sprachsystem und einem webbasierten Autorensystem. In Projektphase eins wurde das Sprachsystem realisiert, das den Namen I-Call erhielt. Das Autorensystem ist Inhalt der Projektphase zwei. Lernen durch Geschichten Sprachsystem I-Call Projektidee ist ein E-Learning-System, bei dem sich der User unter einer kostenfreien Rufnummer einwählt und direkt am Handy das Lernprogramm durchläuft. Als Lernmethodik wird die traditionelle Form des Geschichtenerzählens genutzt. Dazu hinterlegen die Lehrer Geschichtssequenzen als Audiodateien über ein webbasiertes Interface im System. Den Fortgang der Geschichte bestimmt der User beim Anhören über sein Mobilfunkgerät durch das Antworten auf Entscheidungsfragen am Ende einer Sequenz. Je nach Art seiner Antwort verläuft der weitere Fortgang der Geschichte und erreicht ein entsprechendes Ende, das dann kommentiert wird: Der User lernt. Das Sprachsystem I-Call ist ein IVR System, das auf dem Open-Source VoIP-Server FreeSWITCH installiert wurde. Die Wissenschaftler nutzen dazu die FeeSWITCH Version auf Debian Linux. Die baumartige Struktur der Geschichtenepisoden und ihrer Verzweigungsmöglichkeiten wurde in einer Menüstruktur abgebildet und programmiert. Die Geschichtensequenzen sind als Audiodateien im System hinterlegt. Den Inhalt der Texte hat der österreichische Projektpartner common-sense elearning & training consultants GmbH entwickelt und durch professionelle Sprecher aufzeichnen lassen. Die Userabläufe haben die Wissenschaftler von der Fraunhofer ESK durch Tests der verschiedenen Verzweigungsmöglichkeiten verifiziert. Der User wählt sich mit einem Mobiltelefon im GSM (Global System for Mobile communications)-netz über das Einwahlsystem eines Providers in das Sprachsystem ein. 70 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

71 Dieses Dial-In-Gateway des Providers ist per VoIP über eine SIP (Session Initiation Protocol)-Querverbindung an das SIP-fähige I-Call-System angebunden. Die Konfiguration der serverseitigen SIP-Systemschnittstelle und der Test der Kommunikation zum Provider-Gateway erfolgten mit einem Testsystem bei der Fraunhofer ESK. Ausblick Die möglichen Weiterentwicklungen betreffen zum einen das realisierte Sprach-System I-Call, zum anderen ist ein webbasiertes Autorensystem geplant. Bei I-Call stehen die folgenden Features auf der Roadmap: Die User-Eingaben zum Geschichten-Fortschritt werden als DTMF (Dual-Tone Multi-Frequency)-Sequenzen vom Handy aus über ein Dial-In-Gateway an I-Call gesendet. Dies geschieht über das SIP-Interface. Zunächst wird eine Sprachverbindung aufgebaut, und dann werden die DTMF-Sequenzen über RTP (Real-Time Transport Protocol)-Datenströme oder INFO-Datenelemente an den I-Call-Server übertragen. Dort wird in der Menüstruktur anhand der Signalisierung entsprechend weiterverzweigt und die passende Sounddatei für den Fortschritt der Geschichte selektiert und wiedergegeben. n Wiedereinstieg ins Menüsystem mithilfe der Erfassung des Anrufverlaufs in einer SQL-Datenbank n Implementation eines dynamischen Dial-Plans n Nutzung von TTS (Text to Speech) n Verbesserung der Sicherheitsmaßnahmen durch Verschlüsselung und Authentifizierung des Datenverkehrs zwischen dem Dial-In-Gateway und dem I-Call-System Für das Autorensystem ist eine webbasierte Schnittstelle und Oberfläche zu entwickeln, die es auch Laien erlaubt, eigene Texte zu erstellen und im System zu hinterlegen. Der anrufende User wird registriert, damit bei einem Wiederanruf seine Identität erkannt wird und ein Wiedereinstieg im Menü an bekannter Stelle erfolgen kann. In einem Feldversuch wurde im Oktober 2011 das I-Call- Sprachsystem in Kenia in Zusammenarbeit mit dem lokalen Mobilfunk-Provider Safaricom aufgesetzt und getestet. Abhängig von den Ergebnissen dieses Feldversuchs wird das System mit Unterstützung von UNEP (United Nations Environment Programme) weiterentwickelt und in anderen Ländern eingesetzt. Dipl.-Ing. Beate Eickhoff Telefon: beate.eickhoff@esk.fraunhofer.de Dipl.-Ing. (FH) Thomas Messerer Telefon: thomas.messerer@esk.fraunhofer.de Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

72 Namen, Daten, Ereignisse Veranstaltungen Publikationen Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick

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74 Veranstaltungen embedded world, Nürnberg März 2011 Unter dem Motto it s a smarter world trafen sich in Nürnberg mehr als 800 Aussteller, um Embedded-Technologien wie Hardware, Software und Tools zu präsentieren. Die ESK-Wissenschaftler waren mit fünf ihrer Forschungsprojekte vertreten. Zum ersten Mal stellten sie auch den Funkmessplatz vor, mit dem die Belegung des Funkspektrums gemessen und nicht belegte Funkstrecken angezeigt werden. BICCnet Innovation Forum Embedded Systems (IFES) 2011, München 8. April 2011 Auf dem Innovation Forum Embedded Systems stellten die Ingenieure und Informatiker ihre aktuellen Forschungen im Bereich Automotive vor. Dazu gehörte u. a. eine dynamische, sich selbst organisierende Fahrzeugsoftware. Auch die sichere und zuverlässige Kommunikation des Autos mit seiner Umwelt bildete einen thematischen Schwerpunkt. IKOM, Garching 29. Juni 2011 Unter dem Motto: Wir knüpfen Kontakte. Persönlich nahm die Fraunhofer ESK im Juni zum dritten Mal mit ihrem wissenschaftlichen Personal am Karriereforum IKOM in München teil. Es wurden Arbeiten zur Kommunikationstechnologie vorgestellt und Fragen zu den Ein- und Aufstiegsmöglichkeiten bei der Münchener Forschungseinrichtung beantwortet. Januar März Mai Februar April Juni IMTEX 2011, HANNOVER MESSE 2011, Girls Day 2011, München Karrieretreffen konaktiva 2011, Bangalore (Indien) Hannover 14. April 2011 Darmstadt Januar April 2011 Wie in den Jahren zuvor öffnete die Fraun- 10. Mai 2011 Themen der Fraunhofer hofer ESK auch 2011 einen Tag lang ihre ESK auf der Hannover Türen, um naturwissenschaftlich und VDI Wissensforum: Faszination Technik Messe waren zukunfts- mathematisch begeisterten Schülerinnen zu Wireless Automation 2011, Studien- und Berufs- weisende Technologien zeigen, dass Technik nicht nur Männersache Baden-Baden infomesse, München im Bereich Elektromobili- sein muss. Die Mädchen zwischen 13 und Juni Januar 2011 tät. Die Wissenschaftler Jahren programmierten eine Software und Auf der Veranstaltung des VDI Wis- gaben Einblick in die testeten in einer laborähnlichen Umgebung sens forums führten die Ingenieure Datenbordnetze der analoge und digitale Funkstrecken. ihren kompakten Funkmessplatz nächsten Generation und vor und präsentierten, wie der informierten, wie Elektro- Messplatz die Spektrumsbelegung autos energieeffizient erfasst. Ebenfalls demonstrierten und funktional sicher sie, wie sich mit dem ESK-Sensor- gestaltet werden können. netz-baukasten energiesparende und robuste Netze aufbauen lassen. 74 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

75 Workshop Embedded Multicoretechnologien, München 5. Juli 2011 Zusammen mit dem Cluster Mechatronik & Automation e.v. und der VDI/VDE-IT GmbH lud die Fraunhofer ESK am 5. Juli zum Workshop Embedded Multicoretechnologien in München ein. Die Teilnehmer des Workshops diskutierten über neue Lösungsansätze für den Einsatz von Multicore-Prozessoren. Roadshow Forum E-Motion, München 28. September 2011 Ende September machte die Roadshow Forum E-Motion bei der Fraunhofer ESK Halt. Bei dem Treffen drehte sich alles um die E/E-Architektur für Elektroautos und um Konzepte für die Car-to-Grid-Kommunikation. Highlight des Tages war das von mehreren Fraunhofer-Instituten entwickelte Elektroauto, Frecc Wer wollte, durfte im roten Forschungsfahrzeug Platz nehmen und eine Runde mitfahren. SPS / IPC / Drives 2011, Nürnberg November 2011 Vernetzung per Funk ist in der industriellen Produktion ein wichtiges Effizienzkriterium. Auf der SPS / IPC / Drives in Nürnberg führten die ESK-Wissenschaftler mehrere Wireless- Forschungsprojekte vor, darunter auch die mit dem Fraunhofer ITWM und der Firma embedded brains gemeinsam entwickelten Hexabus- Funksteckdosen. Mit den Funksteckdosen kann der Verbraucher über IPv6-fähige Smartphones Haushaltsgeräte an- und abschalten. Juli September November August Oktober Dezember IHK Unternehmergespräch, IAA 2011, Frankfurt am Main VDI Wissensforum: Delegationsbesuch München September 2011 Elektronik im Kraftfahrzeug 2011, von Technologie- 7. Juli 2011 Auf der Internationalen Automobil- Baden-Baden firmen aus Kerala Beim Unternehmergespräch Ausstellung in Frankfurt am Main infor Oktober 2011 (Indien), München erfuhren die Teilnehmer, mierte das Geschäftsfeld Automotive Anhand eines Modellautos 24. Oktober 2011 wie sie gemeinsam mit der über die E/E-Architektur für Elektroautos. präsentierten die Wissenschaft- Fraunhofer ESK Forschungs- Im Fokus stand das Sicherheitskonzept für ler auf der Fachausstellung vorhaben realisieren und zukünftige Elektroautos. Zudem präsen- Elektronik im Kraftfahrzeug Hochschul- welche Dienstleistungen tierten die Ingenieure Lösungsansätze zur in Baden-Baden ihre Forschungs- kontaktmesse sie nutzen können. Die Integration des E-Autos in die Straßen- ergebnisse zu Konzepten für die HOKO, München ESK-Wissenschaftler stellten infra struktur und das Energienetz. E/E-Architektur in Elektroautos. 2. November 2011 außerdem aktuelle Projekte vor, u. a. zu Kommunikationsdiensten für Unter nehmen und zur drahtlosen Kommunikation. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

76 Publikationen Studien und Whitepaper Eickhoff, B./Messerer, T./Brandt, S.: Bekämpfung des Missbrauchs von IP-Sprachsystemen. Whitepaper, Fraunhofer ESK, April 2011, München. IP-Telefonanlagen geraten zunehmend ins Visier von Angreifern. Sei es, um dem Unternehmen mit Denial-of- Service-Attacken zu schaden, mit Man-in-the-Middle-Attacken Geheimnisse auszuspähen oder durch Abuse- Attacken finanziellen Schaden zuzufügen. Besonders beliebt sind Angriffe an Feiertagen, da diese erst spät bemerkt werden. Damit es an Feiertagen keine böse Überraschung gibt, haben die Experten der Fraunhofer ESK ein Whitepaper mit Sicherheitstipps zusammengestellt. Administratoren schützen mit diesen Sicherheitsmaßnahmen ihre IP-Telefonanlagen vor Missbrauch, der schnell tausende von Euros kosten kann. Exner, C./Dufft, N.: Apple, Google oder Microsoft? Mobile Betriebssysteme im Vergleich. Studie, Fraunhofer ESK/PAC/ Berlecon, August 2011, Berlin. Bei der Auswahl mobiler Endgeräte für den Unternehmenseinsatz ist insbesondere eine zentrale Betreuung durch die IT-Abteilung entscheidend. ITK-Verantwortliche benötigen Funktionen, die eine zentrale Administration und Konfiguration der Endgeräte ermöglichen. Hintergrund ist vor allem die Durchsetzung von Sicherheitsrichtlinien und eine einfache Nutzung von Unternehmensdiensten durch den Mitarbeiter. Der in Kooperation mit der Fraunhofer ESK erstellte Report untersucht, wie sich die Betriebssysteme ios, Android und Windows Phone 7 in die bestehende ITK-Infrastruktur einbinden lassen und zeigt, worauf dabei zu achten ist. Der vorliegende Report richtet sich an Businessentscheider und ITK-Verantwortliche, die über den Einsatz von mobilen Endgeräten in ihrem Unternehmen entscheiden müssen. Höfer-Zygan, R./Oswald, E./ Heidrich, M.: Smart Grid Communications 2020 Fokus Deutschland. Studie, Fraunhofer ESK, November 2011, München. Das Intelligente Stromnetz ( Smart Grid ) ist als zentraler Baustein für die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien in aller Munde, doch was genau ist darunter zu verstehen? Was sind die Anforderungen des Smart Grids an die Informations- und Kommunikationstechnologien? Die Studie gibt Antworten auf diese Fragen. Sie adressiert den intelligenten Ausbau des deutschen Stromnetzes im Zeitrahmen bis 2020 und beschreibt die aktuellen regulatorischen Rahmenbedingungen und Marktpotentiale sowie Forschungs- und Standardisierungsaktivitäten. 76 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

77 Konferenzbeiträge Baumer, S.: Wir sind alle Autoren ein Jahr Intranet-Wiki bei der Fraunhofer ESK. Social Media und internes Wissens management. 25. Oktober 2011, Berlin. Um dem Informations- und Kommunikationsbedürfnis vorwiegend aus den Fachgebieten Informatik und Elektro technik nachzukommen, hat die Fraunhofer ESK ein Intranet basierend auf der Wiki-Technologie eingeführt. Ein Jahr nach der Einführung wurde evaluiert, ob die Ziele verbesserte Informationserfassung, -verbreitung und -suche erreicht wurden. Exner, C.: Unified Communication & Cloud Communication. Gastvortrag gehalten im Rahmen der Vorlesung Next Generation Networks am Lehrstuhl für Kommunikationstechnik der Universität Augsburg. 15. Juli 2011, Augsburg. Klassische Telefonanlagen haben ausgedient Applikationen mit integrierten Kommunikationskanälen werden im privaten und geschäftlichen Umfeld der Alltag. Mit sogenannten Unified Communication & Collaboration Lösungen (UCC) versprechen die Hersteller eine Zusammenführung aller fixen und mobilen Kommunikationskanäle sowie die Möglichkeiten, diese in Geschäftsprozesse zu integrieren. Der Vortrag beleuchtet die Grenzen dieses Ansatzes, zeigt aber auch die immensen Vorteile auf. Einen Schwerpunkt dabei bildet die Bereitstellung von UCC-Diensten über die Cloud. Heinrich, P./Königer, M./ Niehoff, B./Eilers, D./Knorr, R.: Autonomous Parameter and Schedule Configuration for TDMA-based Communication Protocols such as FlexRay International Joint Conference of IEEE TrustCom-11/IEEE ICESS-11/FCST November 2011, Changsha (China). One goal of research activities is finding ways to manage the growing complexity of embedded systems using self-configuration methods. While autonomous configuration could potentially be used in safety-critical and realtime systems, the basic requirements are not yet in place. This paper will outline a concept for the real autonomous configuration of TDMA-based communication processes, which currently does not exist. The paper initially addresses the TDMA-specific framework conditions and a potential solution. The issue of the mandatory a-priori known schedule is resolved using a generic schedule, because a simple method based on free-slot-reservedfor-further-nodes is not feasible. The most difficult part the startup was implemented through the generic schedule and an ID-based collision resolution process. To demonstrate the viability of the concept, the configuration method was implemented using a FlexRay communication system. This also satisfied the goal of eliminating the need for additional hardware and preserving the fault tolerant multimaster structure of the FlexRay system. The functionality of the concept was validated under different scenarios. The configuration times were analyzed, the results of which are also detailed here. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

78 Horst, O./Prehofer, C.: Multi-Staged Virtualization for Embedded Systems th EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanced Applications (SEAA 2011). 30. August bis 2. September 2011, Oulu (Finnland). A flexible toolbox for embedded multi-staged virtualization is proposed. The toolbox is intended for system integrators, who could compose new system software by simply mirroring the requirements of the employed applications with the toolbox components. I/O virtualization is identified as an open issue for an implementation of the toolbox and suggested as future work. Jiru, J.: Kooperative Fahrerassistenzsysteme durch Car-to-X Kommunikation. 11. MAHREG-Innovationsforum. 12. Oktober 2011, Barleben. Durch die Car-to-X Kommunikation erhalten Fahrzeuge Dienste zur Verkehrssicherheit und -effizienz. Der Vortrag zu kooperativen Fahrerassistenzsystemen durch Car-to-X Kommunikation gibt einen Überblick über den aktuellen Stand der Technologien, der Standardisierung und der darauf aufbauenden Fahrerassistenzsysteme. An Beispielen werden die aktuellen technischen und organisatorischen Herausforderungen aufgezeigt und mögliche Lösungswege in der Einführungsphase entworfen. Langer, F.: Modulare Plattformen für flexible E/E Architekturen im Elektrofahrzeug. Forum Roadshow E-Motion. 28. September 2011, München. Die Elektrofahrzeuge der nächsten und übernächsten Generation stellen neue Herausforderungen an die E/E Archi tektur im Automobil. Dies resultiert vor allem aus der größeren Flexibilität, welche durch die neu gewonnenen Designfreiheiten und eine größere Produktvielfalt bei Elektrofahrzeugen zu erwarten ist. Besonders im Bereich der Softwarearchitektur müssen daher Wege gefunden werden, die eine möglichst individuelle Wiederverwendung von Software-Modulen ermöglichen. Speziell im Bereich von sicherheitskritischen Anwendungen ist dies bisher nicht oder nur schwer möglich. Der Vortrag gibt einen Überblick über Technologien, welche zukünftig zu modularen Plattformen und zu einer flexibleren E/E Architektur in Elektrofahrzeugen führen sollen. Langer, F./Bertulis, K.: Self Learning Anomaly Detection for Embedded Safety Critical Systems. 21. Workshop Computational Intelli gence Dezember 2011, Dortmund. Especially in embedded systems like in the automotive domain, the amount of distributed functionality of safety critical software is increasing faster than the test engineers are able to manage. In this paper we address the problem how to ensure the correct functioning of a piece of software if specification is weak, incomplete or wrong. Such problems with specifications are not expected in the development process of safety critical systems. But these problems did occur in reality, mostly for new innovative functionality with a high grade of dependencies with other features. These circumstances are a big problem for detecting errors in system tests and for building diagnostic models for error detection at system runtime. The basic idea is the investigation on methods for using the huge amount of testing effort and the resulting test traces as basis for system diagnosis. It is discussed how a self learning diagnosis can be implemented efficiently based on a dependency model which is inferred from test cases. The inferred model is represented as a deterministic finite automation and learned with an adapted Angluin learner. 7 8 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

79 Langer, F./Prehofer, C.: Anomaly Detection in Embedded Safety Critical Software. 22 nd International Workshop on Principles of Diagnosis (DX 2011) Oktober 2011, Murnau. The amount of distributed functionality of safety critical software is a challenging problem, especially in embedded systems like in the automotive domain. In this paper the question is addressed how to ensure the correct behavior of distributed communicating software systems if the specification is weak, incomplete or wrong. The key point is the usage of existing test traces from communicating modules (e.g. network traces) as basis for system diagnosis. It is discussed how this can be implemented efficiently, e. g. based on a dependency model which is inferred from test cases. Leibiger, M.: Managed Corporate Communication Services: Best Practice des zentralen Fraunhofer- Sprachdienstes. Gastvortrag gehalten im Rahmen der Vorlesung Next Generation Networks am Lehrstuhl für Kommunikationstechnik der Universität Augsburg. 8. Juli 2011, Augsburg. Als Verbund aus Forschungseinrichtungen hat die Fraunhofer-Gesellschaft die Zielsetzung, dass Projekte mit Hilfe modernster, flexibler und kosteneffizienter Kommunikationslösungen durchgeführt werden. Die Umsetzung eines modernen Unified Communication Systems auf IP-Basis an bis zu 40 Standorten in Deutschland bedurfte der Lösung einer Vielzahl technischer und organisatorischer Probleme. Technologisches Verständnis der Systeme und verwendeter Protokolle ist die Grundvoraussetzung für Planung, Umsetzung und Betrieb. Im Rahmen des Vortrags wird am Beispiel des Fraunhofer-Sprachdienstes eine Managed Service Lösung vorgestellt. Eingebettet in die Darstellung des Systemkonzepts und der Erfahrungen bei der Umsetzung und Inbetriebnahme der Lösungen werden die Rufinitialisierung bei der IP-Telefonie sowie grundsätzliche Probleme der Signalisierung erläutert. Manderscheid, M./Langer, F.: Using Network Calculus for the Validation of Ethernet for Automotive in-vehicle Functions. International Conference on Cyber-Enabled Distributed Computing and Knowledge Discovery (CyberC). QoS-Workshop: The 1 st International Workshop on Service Oriented QoS Management from Theory to Practice Oktober 2011, Beijing (China). Automotive functions require validation of the underlying network in advance. Especially driver assistance functions may require hard time bounds concerning their communication infrastructure. In several works analytical models have been introduced, enabling the calculation of worst case delays for realtime applications using Ethernet as communication technology. On the other hand considerable effort has been spend to evaluate Ethernet for the use in automotive in-vehicle networks using simulation tools and prototypes. Showing that Ethernet can be used in general for the automotive use, they did not make an assertion about what happens if the worst case occurs. In this work we show by means of an analytic model the worst case analysis of a sample automotive Ethernet network configuration. We show that this configuration satisfies a current set of automotive functions requirements even for the worst case. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

80 Manderscheid, M./Langer, F./ Eilers, D.: A Formal Approach Enabling the Computation of Network State Permutations Using Binary Relations IEEE Pacific Rim Conference on Communications, Computers and Signal Processing August 2011, Victoria/B.C. (Kanada). The automotive industry is currently searching for new networking technologies to meet their requirement of high bandwidth demand at low chip cost. Profiting from the research on Quality of Service and high pervasiveness in the consumer market the way to an Ethernet/IP based car in-vehicle network might not be far. Unfortunately, the research community focused on scenarios not applicable for automotive embedded networks. This paper presents a basic toolset for a novel Quality of Service assuring process for IP/Ethernet based in-vehicle car networks, which is believed to meet the requirements of the automotive industry. This toolset is designed to be the basis for a development process enabling an automotive in-vehicle network to react in an adaptive way on different situations distinguishing between different network states and thus making effective use of the network resources. We formulate all formal assumptions necessary to compute different network states. Based on these assumptions we further present an algorithm enabling the computation of all possible network states. Manderscheid, M./Plankl, A./ Langer, F./Engelhardt, D.: Adaptives QoS Management in Auto motive in-vehicle Networks. VDI Fachtagung Steuerung und Regelung von Fahrzeugen und Motoren AUTOREG November 2011, Baden-Baden. Analyzing the use of Ethernet and the Internet Protocol (IP) inside the car, network planning and validation turned out to be one of the major tasks to be solved. While several works showed that Ethernet can be used in general inside a car, questions concerning a suitable design process are still remaining open. In previous works two approaches have been proposed for the design process of automotive in-vehicle networks. The first method exploits the fact that many automotive functions do not communicate at the same time. The modeling of the time dependencies using binary relations has been proposed. On this foundation a formal way is provided to detect which functions will communicate simultaneously. The second method shows a way to validate the communication requirements of Ethernet based in-vehicle network configurations using the Network Calculus. Combining those two approaches a formal process validating Ethernet network configurations is developed. This process will be presented in this work. Furthermore, an exemplary case study will be presented, emphasizing the necessity of a formal process. Oswald, E.: Übertragungstechnologien für das Smart Metering. BiccNet Innovation Forum Embedded Systems Smart Home Smart Grid. 8. April 2011, München. Bestandteil der Klimaschutzziele der Bundesregierung ist die Reduktion des Energieverbrauchs durch Effizienzsteigerung. Ein Schritt zum Erreichen dieser Vorgabe bildet die Einführung von Smart Metering. Innerhalb der Gebäude wird dafür eine intelligente und leistungsfähige Vernetzung benötigt. Die Inhaus-Vernetzung erfolgt gegenwärtig auf Basis einer Vielzahl unterschiedlicher Übertragungsmedien und -technologien, was auf viele verschiedene Anwendungen zurückzuführen ist. Der Beitrag zeigt geeignete Übertragungstechnologien für die Realisierung von Smart Metering in Privathaushalten. Dazu wird in einem ersten Schritt eine Übersicht erstellt, die relevante Übertragungstechnologien für die Smart Metering Kommunikation aufzeigt. Ausgehend von den spezifischen Anforderungen an die Kommunikation werden anschließend prädestinierte Übertragungstechnologien ausgewählt und Aspekte wie Funktionsweise, Vorteile/Nachteile und Standardisierung beleuchtet. 8 0 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

81 Oswald, E.: Vehicle-to-Grid Konzepte. Forum Roadshow E-Motion. 28. September 2011, München. Im Beitrag wird die Verbindung zwischen Elektrofahrzeugen und dem Smart Grid skizziert. Diese Verbindung umfasst neben dem eigentlichen Ladevorgang des Fahrzeugs an der Ladesäule eine Vielzahl weiterer Aspekte. So müssen parallel zu den bestehenden Stromleitungen und der Ladeinfrastruktur zuverlässige und sichere Kommunikationskanäle bereitgestellt werden. Beispielsweise möchte ein Fahrer unterwegs wissen, wo er am günstigsten auf seiner geplanten Route bei welchem Anbieter mit welchen Wartezeiten seine Fahrzeugbatterien aufladen kann. Das Energieversorgungsunternehmen möchte dagegen Ladesäulen gezielt mit Strom versorgen. Hierzu muss es wissen, wo sich potentielle Abnehmer befinden. Der Fahrer bzw. das Fahrzeug kann zusätzliche Navigationshilfen erhalten. Eine wichtige Funktion besteht ferner darin, beim (oder besser vor) dem Ladevorgang die Identität des Fahrers zu prüfen und eine sichere Abrechnung zu gewährleisten. Der Beitrag zeigt Aspekte der hierfür benötigten Ladeinfrastruktur sowie geeignete Kommunikationslösungen auf, wobei speziell auf die unterschiedlichen Kommunikationsschnittstellen eingegangen wird. Oswald, E./Hildebrandt, G./ Heidrich, M.: Breitband vs. Schmalband Welche Technologie braucht das Inhaus? 5. ITG-Fachkonferenz der Fachgruppe März 2011, Berlin. Die Inhaus-Vernetzung erfolgt gegenwärtig auf Basis einer Vielzahl unterschiedlicher Übertragungsmedien und -technologien. Das ist darauf zurückzuführen, dass je nach Einsatz (z. B. Internet-Zugang, Gebäudeautomatisierung) unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen sind. Hierbei kommen sowohl Breitband- als auch Schmalbandtechnologien zum Einsatz. Der Beitrag bildet das Spektrum der Übertragungstechnologien in einer Übersicht ab und beleuchtet charakteristische Eigenschaften. Prehofer, C.: An Adaptive Control Model for Non-Functional Feature Interactions th EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanced Applications (SEAA 2011). 30. August bis 2. September 2011, Oulu (Finnland). Many systems, especially distributed embedded systems, have very strong emphasis on non-functional properties, which are often cross-cutting and difficult to capture in a modular way. Here, we consider non-functional feature interactions, which occur if two features show unexpected behavior regarding non-functional properties. The goal is to handle non-functional properties and interactions in a modular and flexible way on a separate control layer. On this control layer, we can adapt control components to different feature interactions. We use statecharts to describe control models and use statechart refinement to make interactions explicit. We present our approach by two examples with several non-functional feature interactions and argue that the control layer can address these. The main advantages are modular control of non-functional properties and explicit modeling of non-functional feature interactions on a separate control layer. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

82 Seydel, D.: Nahtloses Entertainment Multi mediainhalte jederzeit und überall konsumieren. 4. Systems Integration Mikrosystemtechnik-Lösungen im Gebäude der Zukunft. 16. Juni 2011, Dortmund. Das Konsumverhalten bezüglich multimedialer Inhalte hat sich in den letzten Jahren stark verändert. Ein umfangreiches Angebot personalisierter Medieninhalte und zahlreiche Innovationen im Bereich der Unterhaltungselektronik führen dazu, dass Nutzer die Möglichkeit einer zeit-, ort- und geräteunabhängigen Konsumierung ihrer gewohnten Medieninhalte auch im Fahrzeug erwarten. Die Fraunhofer ESK entwickelt dazu zusammen mit Partnern aus der Industrie und weiteren Forschungsinstituten eine Integrations-Plattform für die durchgängige Multimedianutzung zuhause, auf mobilen Endgeräten und im Fahrzeug. Die Medieninhalte werden automatisch auf das jeweilige Endgerät übertragen und die Wiedergabe optimal an die Eigenschaften des jeweiligen Endgeräts angepasst. Strebelow, R./Prehofer, C.: Analysis of Event Processing Design Patterns and their Performance Dependency on I/O Notification Mechanisms. Facing the Multicore-Challenge II September 2011, Karlsruhe. In this presentation we take a look on two software design patterns, namely the Half-Sync/Half-Async and the Leader/Followers pattern. Both aim for efficient processing of messages in multicore environments. We analyze their performance differences and dependencies on the selected networking primitives and their specific characteristics. Strebelow, R./Prehofer, C.: Evaluation of Parallel Design Patterns for Message Processing Systems on Embedded Multicore Systems. ACM SIGOPS EuroSys 2011 Conference, Poster Session April 2011, Salzburg (Österreich). Software design patterns reflect software engineering practices and experience by documenting proven design solutions. Today these patterns cover many areas including concurrent systems as well as systems for message processing. Some examples, like Half-Sync/Half-Async or Proactor patterns, aim for efficient processing of messages in concurrent environments. While performance evaluations for particular patterns are available in literature there is little work to analyze the multicore performance of these in realistic settings. In this paper we address this problem by evaluating a set of patterns designated for efficient and concurrent message processing. Through measurement we will show that these patterns have significant differences in their performance and that a wrong multi-threading architecture can do more harm than good. Also, we will see that message reception should be distributed over multiple threads. Weiss, G./Becker, K./Kamphausen, B./Radermacher, A./Gérard, S.: Model-Driven Development of Self-Describing Components for Self-Adaptive Distributed Embedded Systems th EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanc ed Applications (SEAA 2011). 30. August bis 2. September 2011, Oulu (Finnland). Increasingly distributed embedded systems are deployed in complex scenarios and must be able to adapt to changing environments and internal system changes. Such self-adaptive embedded systems pose great advantages in terms of flexibility, resource utilization, energy efficiency and robustness. The realization of these systems requires enhanced development methods to incorporate the adaption to the design. We introduce a novel concept for the model-driven development of self-adaptive embedded systems. The focus of our work is the definition and transfer of the information needed for the adaption runtime. This is preserved as so-called self-description of the components. We present our self-x profile, a modeling extension for describing the adaption, and the respective design flow with built-in transformations. Furthermore, we outline the applicability of our methodology in an automotive use case. 8 2 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

83 Weiss, G./Becker K./Radermacher, A./Gérard, S.: RT-DESCRIBE: Self-describing Components for Self- adaptive Distributed Embedded Systems. 3 rd International Workshop on Adaptive and Reconfigurable Embedded Systems (APRES). 11. April 2011, Chicago (USA). In this paper the Fraunhofer ESK presents in cooperation with CEA LIST a novel integrated model-driven methodology for developing self-adaptive distributed embedded systems. Software components of the design model are enriched with self-descriptions which provide information at runtime that is necessary for adaptation decisions. Therefore, a new self-x profile and the tool-chain with the essential model transformations are introduced. The iterative development process, including early feedback through an integrated simulation framework, enables an early refinement of the self-adaptive system. Zeller, M./Prehofer, C./Weiss, G./ Eilers, D./Knorr, R.: Towards Self-Adaption in Real-time, Networked Systems: Efficient Solving of System Constraints for Automotive Embedded Systems th IEEE International Conference on Self-Adaptive and Self-Organizing Systems (SASO) Oktober 2011, Ann Arbor/ Michigan (USA). While there has been considerable work on self-adaptive systems, applying these techniques to networked, embedded systems pose several new problems due to the requirements of embedded real-time systems. Among others, we have to consider memory and hardware limitations, as well as task schedulability and timing dependencies. The goal of this paper is to find a correct placement of software components efficiently, even though most of these individual constraints are highly intractable (NP-complete). This is a prerequisite for runtime adaption in such domains and can be used for system optimization, extension or failure handling. Zeller, M./Weiss, G./Eilers, D./ Knorr, R.: An Approach for Providing Dependable Self-Adaptation in Distributed Embedded Systems. 26 th Symposium On Applied Computing (SAC 2011) März 2011, Taichung (Taiwan). Modern distributed embedded systems are reaching an extreme complexity which is very hard to master with traditional methods. Particularly the need for these systems to adapt their behavior autonomously at runtime to changing conditions is a demanding challenge. Since most industrial application domains of distributed embedded systems have high demands on reliability and safety, we need a dependable self-adaptation mechanism to apply adaptation successfully in these domains. Therefore, we propose a concept to guarantee the proper system behavior and a mechanism which preserves the predefined functional and non-functional requirements of the system. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

84 Aufsätze in Zeitschriften und Büchern Heinrich, P./Langer, F.: Sicherheit für Elektrofahrzeuge. In: Hanser Automotive (2011) 10, Oktober, S Die Architektur von Elektroautos unterscheidet sich von der konventioneller Fahrzeuge, denn ein Elektroauto benötigt deutlich weniger Mechanik. Das korrespondiert mit mehr Software, die zusätzlich sicherheitskritische Funktionen, wie etwa die Drehmomenten-Steuerung der Motoren, übernimmt. Diese neuen Architekturen benötigen andere Sicherheitskonzepte, um die Elektrofahrzeuge genauso sicher zu gestalten, wie es bei konventionellen Fahrzeugen der Fall ist. Ein solches Sicherheitskonzept entwickelte jetzt die Fraunhofer ESK. Hildebrandt, G.: Zuverlässigere und effizientere industrielle Funklösungen durch Cognitive Radio. In: NTZ (2011) 5, September/Oktober, S Funksysteme wie WLAN oder Bluetooth halten in der industriellen Automatisierung vermehrt Einzug. Die VDI/ VDE-Richtlinie 2185 beschreibt, wie durch ein Koexistenzmanagement der störungsfreie Betrieb von Funkkommunikationssystemen sichergestellt wird. Doch besonders durch die feste Zuweisung von Frequenzbereichen zu einzelnen Systemen stößt dieses Koexistenzmanagement hinsichtlich der spektralen Effizienz und der wachsenden Zahl an Funksystemen in der Zukunft an Grenzen. Techniken der Cognitive Radios (CR) können hier helfen. Hildebrandt, G./Heidrich, M.: Keine Koexistenzprobleme. Funkmessplatz für das Koexistenzmanagement der drahtlosen Industriekommunikation. In: NET Zeitschrift für Kommunikationsmanagement (2011) 6, Juni, S Ein wesentlicher Teil der weltweiten Datenübertragung basiert auf Funk. Auch im industriellen Bereich gewinnt die drahtlose Übertragung mehr an Bedeutung. Die wichtigsten Schlüsselfaktoren, die hinter diesem Prozess stehen, sind speziell für die Automatisierungstechnik die Fernsteuerung, die Mobilität und Flexibilität gewährleistet, sowie die kabellose und folglich verschleißfreie Datenübertragung. So kann beispielsweise die Überwachung von beweglichen Maschinenteilen durch Sensoren von der drahtlosen Kommunikation profitieren. Dazu gehören Messungen an und die Kontrolle von beweglichen Objekten sowie die Lokalisierung und Zuordnung von mobilen Geräten. Krogmann, M./Heidrich, M./Bichler, D./Barisic, D./Stromberg, G.: Reliable, Real-Time Routing in Wireless Sensor and Actuator Networks. In: International Scholarly Research Network ISRN Communications and Networking (2011), elektronisch erschienen (Umfang 8 S.). We present a novel Reliable, Real-time Routing protocol (3R) based on multipath routing for highly time-constrained Wireless Sensor and Actuator Networks (WSANs). The protocol consists of a newly designed routing metric and a routing algorithm utilizing this metric. Our routing metric enables strong Quality-of-Service (QoS) support based on parallel transmissions which significantly reduces transmission delays in WSANs. A routing algorithm utilizing this metric is presented based on Dijkstra s shortest path. A novel Medium Access Control (MAC) layer that supports dynamical adjustments of retransmission limits reduces traffic overhead in multipath routing protocols. Thorough simulations have been performed to evaluate the routing protocol. The results show that real-time performance of WSANs can be vastly improved. 8 4 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

85 Oswald, E.: Künstliches Rauschen. Kapitel 6.4. In: Deutscher Wirtschaftsdienst (Hg.): Handbuch der Telekommunikation. München/Neuwied/Köln 2011, S Ein zentrales Problem, was Netzbetreiber vom Einsatz des energiesparenden Low Power Modus L2 abhält, ist, dass dieser Instabilitäten durch zeitvariantes Nebensprechen hervorruft. Benötigt wird somit eine Lösung, die einerseits die Stabilität der Übertragung sichert und außerdem leicht in die seit Jahren gültigen DSL-Standards integriert werden kann. Der Einsatz von virtuellem/künstlichem Rauschen dient der Stabilisierung von xdsl- Systemen bei zeitvariantem Nebensprechen. Oswald, E.: Phantomkreise. Kapitel 6.3. In: Deutscher Wirtschaftsdienst (Hg.): Handbuch der Telekommunikation. München/Neuwied/Köln 2011, S Die Nutzung von Phantomkreisen bedeutet, dass über zwei Übertragungswege (Doppeladern) drei Kommunikationskanäle realisiert werden können. Diese Anfang des 20. Jahrhunderts für die Sprachkommunikation entwickelte Methode ist bis heute nahezu in Vergessenheit geraten. Da für den dritten Kommunikationskanal keine zusätzliche Leitung verlegt werden braucht, ist der Einsatz von Phantomkreisen für die DSL-Übertragung aus heutiger Sicht hochinteressant. Laboruntersuchungen der Fraunhofer ESK haben gezeigt, dass eine hochbitratige DSL-Übertragung (z. B. ADSL2+ oder VDSL2) über zwei Doppeladern sowie die gleichzeitige Übertragung mittels Phantomkreis möglich ist. Oswald, E.: Smart Metering. Verbrauchskontrolle und Steuerung für Verbraucher und Energieversorger. In: Technik in Bayern (2011) 6, November/Dezember, S. 36. Bestandteil der Klimaschutzziele der Bundesregierung ist die Reduktion des Energieverbrauchs durch Effizienzsteigerung. Ein Schritt zum Erreichen dieser Vorgabe bildet die Einführung von Smart Metering. Innerhalb der Gebäude wird dafür eine intelligente und leistungsfähige Vernetzung benötigt. Die Inhouse-Vernetzung kann basierend auf einer Vielzahl unterschiedlicher Übertragungsmedien und -technologien erfolgen. Der Beitrag zeigt einige wichtige Rahmenbedingungen bei der Realisierung von Smart Metering auf. Es wird sowohl auf die Gesetzeslage als auch auf technische Aspekte bei der Auswahl der benötigten Kommunikationsinfrastruktur im Inhouse-Bereich eingegangen. Schmidt, A./Prehofer, C.: Embedded-Software auf Multicore-Systeme portieren. In: Embedded Software Engineering Report, Sonderheft Elektronikpraxis (2011), Mai, S Bei der Einführung von Multicore-Systemen ist es aus Zeit- und Kostengründen meist nicht möglich, die gesamte Software neu zu schreiben. Eine Portierung des existierenden Legacy-Codes ist also wichtig, wird allerdings allgemein als sehr schwieriges Problem angesehen. Die Forscher der Fraunhofer ESK entwickeln daher Methoden und Werkzeuge zur systematischen Migration von Embedded-Anwendungen auf Multicore-Plattformen. Bei der Portierung hat sich ein vierstufiger Ansatz aus Analyse, Refactoring, Parallelisierung und Optimierung bewährt. Weiss, G./Zeller, M./Eilers, D.: Towards Automotive Embedded Systems with Self-X Properties. In: Chiaberge, Marcello (Hg.): New Trends and Developments in Automotive System Engineering. Rijeka (Kroatien) 2011, S With self-adaptation and self-organization new paradigms for the management of distributed systems have been introduced. By enhancing the automotive software system with self-x capabilities, e.g. self-healing, selfconfiguration and self-optimization, the complexity is handled while increasing the flexibility, scalability and dependability of these systems. In this chapter we present an approach for enhancing automotive systems with self-x properties. At first, we discuss the benefits of providing automotive software systems with self-management capabilities and outline concrete use cases. Afterwards, we will discuss requirements and challenges for realizing adaptive automotive embedded systems. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

86 Diplom-, Master- und Bachelorarbeiten Auer, Alexander: Entwurf und Evaluierung eines kognitiven und adaptiven Medienzugriffsverfahrens für die c2x-kommunikation. Masterarbeit (Jiru, J./Roscher, K./Dippold, M.), Fraunhofer ESK/Hochschule München. Bertulies, Karsten: Self-Learning Anomaly and Fault Detection in Automobile Networks. Masterthesis (Langer, F./Sachen bacher, M.), Fraunhofer ESK/ Technische Universität München. Bestler, Peter: Konzeption und Implementierung von IP-Cores zur Unterstützung der echtzeitfähigkeit von gigabit-ethernet. Diplomarbeit (Plankl, A./Högl, H./Kiefer, G.), Fraunhofer ESK/ Hochschule Augsburg. Eggert, Andreas: Implementierung und Evaluierung eines auf Zyklostationarität beruhenden Signalklassifikators. Masterarbeit (Hildebrandt, G./Peik, S.), Fraunhofer ESK/ Hochschule Bremen. Halaseh, Rana Al: Support Vector Machine Based White Space Predictors for Cognitive Radio. Masterthesis (Hildebrandt, G./Dahlhaus, D./Hunziker, T.), Fraunhofer ESK/Universität Kassel. Helferich, Markus: Entwicklung eines Technologie-Demonstrators für den Automotive-Bereich auf Basis eines 1:5 modellfahrzeuges mit verteilten elektrischen Antrieben. Masterarbeit (Heinrich, P./Irber, A.), Fraunhofer ESK/ Hochschule München. Keyvan, Ali: Frequency Occupancy Prediction and its Application in a Novel Channel Access Method. Masterthesis (Hildebrandt, G./Reich, W.), Fraunhofer ESK/ Hochschule Offenburg. Königer, Markus: Development of a Self-Configuration Concept for a FlexRay Communication System. Masterthesis (Heinrich, P./ Niehoff, B.), Fraunhofer ESK/ Hochschule Kempten. 8 6 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

87 Machleidt, Maximilian Jonas: Analyse von Algorithmen zur Lösung des Generalized Assignment Problems bezogen auf die Zuweisung von Aufgaben auf Steuergeräte in automobilen Bordnetzen. Bachelorarbeit (Zeller, M./Möhring, R. H./ Grötschel, M.), Fraunhofer ESK/ Technische Universität Berlin. Rafiq, Salman: Measuring Performance of Soft Real-time Tasks on Multicore Systems. Masterthesis (Schmidt, A./Brorsson, M.), Fraunhofer ESK/KTH Royal Institute of Technology, Stockholm. Rüttgers, René: Konzeption, Untersuchung und Simulation von E/E-Architekturen in elektrofahrzeugen. Masterarbeit (Heinrich, P./ Oßmann, M.), Fraunhofer ESK/Fachhochschule Aachen. Schönheits, Manfred: Ressourceneffizienz für verteilte Dienste in der Fahrzeug-Umwelt-Vernetzung. Diplomarbeit (Jiru, J./Knorr, R./Ungerer, T.), Fraunhofer ESK/ Universität Augsburg. Schröder, Michael: Elektromobilität am Beispiel verteilter Antriebe Entwicklung und Implementierung eines Sicherheitskonzeptes für die Drehmomentüberwachung. Bachelorarbeit (Demmel, K./Heinrich, P./Wolf, K.), Fraunhofer ESK/Hochschule Regensburg. Weber, Christian: Implementierung und Verifikation verschiedener Spectrum Sensing Algorithmen. Masterarbeit (Hildebrandt, G./Christ, A.), Fraunhofer ESK/ Hochschule Offenburg. Wörle, Lukas: Routing in Heterogeneous Car-to-X Environments. Diplomarbeit (Roscher, K./Gehrsitz, T.), Fraunhofer ESK/TU München. Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/

88 Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick Forschen für die Praxis ist die zentrale Aufgabe der Fraunhofer-Gesellschaft. Die 1949 gegründete Forschungsorganisation betreibt anwendungsorientierte Forschung zum Nutzen der Wirtschaft und zum Vorteil der Gesellschaft. Vertragspartner und Auftraggeber sind Industrie- und Dienstleistungsunternehmen sowie die öffentliche Hand. Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibt in Deutschland derzeit mehr als 80 Forschungseinrichtungen, davon 60 Institute. Mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, bearbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 1,8 Milliarden Euro. Davon fallen 1,5 Milliarden Euro auf den Leistungsbereich Vertragsforschung. Über 70 Prozent dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet die Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgen aus der Industrie und mit öffentlich finanzierten Forschungsprojekten. Knapp 30 Prozent werden von Bund und Ländern als Grundfinanzierung beigesteuert, damit die Institute Problemlösungen erarbeiten können, die erst in fünf oder zehn Jahren für Wirtschaft und Gesellschaft aktuell werden. Internationale Niederlassungen sorgen für Kontakt zu den wichtigsten gegenwärtigen und zukünftigen Wissenschaftsund Wirtschaftsräumen. Mit ihrer klaren Ausrichtung auf die angewandte Forschung und ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle im Innovationsprozess Deutschlands und Europas. Die Wirkung der angewandten Forschung geht über den direkten Nutzen für die Kunden hinaus: Mit ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit tragen die Fraunhofer-Institute zur Wettbewerbsfähigkeit der Region, Deutschlands und Europas bei. Sie fördern Innovationen, stärken die technologische Leistungsfähigkeit, verbessern die Akzeptanz moderner Technik und sorgen für Aus- und Weiterbildung des dringend benötigten wissenschaftlich-technischen Nachwuchses. Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern bietet die Fraunhofer- Gesellschaft die Möglichkeit zur fachlichen und persönlichen Entwicklung für anspruchsvolle Positionen in ihren Instituten, an Hochschulen, in Wirtschaft und Gesellschaft. Studierenden eröffnen sich an Fraunhofer-Instituten wegen der praxis nahen Ausbildung und Erfahrung hervorragende Einstiegs- und Entwicklungschancen in Unternehmen. Namensgeber der als gemeinnützig anerkannten Fraunhofer- Gesellschaft ist der Münchner Gelehrte Joseph von Fraunhofer ( ). Er war als Forscher, Erfinder und Unternehmer gleichermaßen erfolgreich. 8 8 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

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90 So finden Sie uns Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK Hansastraße 32, München n Bahn Vom Hauptbahnhof München: Nehmen Sie die U-Bahn Linie 4 oder 5 Richtung Laimer Platz. Auf der Streifenkarte sind 2 Streifen zu entwerten. Steigen Sie an der Haltestelle Heimeranplatz aus. Benutzen Sie den Aufgang von vorne am Zug und wählen Sie den Ausgang mit der Beschilderung Hansastraße. Überqueren Sie die Hansastraße bei der Fußgänger ampel. Gehen Sie ca. 50 Meter nach rechts. Im nächsten großen Bürogebäude finden Sie uns im vierten Stock. Von Norden kommend: Sie überqueren die Gleisanlagen auf der Donnersbergerbrücke. Ordnen Sie sich im folgenden Tunnel rechts ein und verlassen Sie den Mittleren Ring über die erste Ausfahrt nach dem Tunnel Westend/Heimeranplatz. Biegen Sie in die erste Straße, Tübinger Straße, rechts ein und folgen Sie dem Straßenverlauf, bis Sie an der nächsten Straße, Dillwächterstraße, wiederum rechts einbiegen. Fahren Sie bis zur Kreuzung vor und biegen Sie rechts in die Hansastraße ein. Sie finden uns nach ca. 150 Metern auf der rechten Seite. Von Süden kommend: Verlassen Sie den Mittleren Ring an der Ausfahrt Westend/Heimeranplatz. Überqueren Sie diesen und biegen Sie nach links in die Hansastraße ein. Sie finden uns nach ca. 100 Metern auf der linken Straßenseite. n Flugzeug Vom Flughafen München: Nehmen Sie die S-Bahn Linie 8 bis Haltestelle Karlsplatz (Stachus). Auf der Streifenkarte sind 8 Streifen zu entwerten. Steigen Sie in die U-Bahn Linie 4 oder 5 Richtung Laimer Platz ein und fahren Sie bis zur Haltestelle Heimeranplatz. Benutzen Sie den Aufgang vorne am Zug und wählen Sie den Ausgang mit der Beschilderung Hansastraße. Überqueren Sie die Hansastraße bei der Fußgängerampel. Gehen Sie ca. 50 Meter nach rechts. Im nächsten großen Bürogebäude finden Sie uns im vierten Stock. Wir verfügen in der Tiefgarage des Gebäudekomplexes Hansastraße 32 auch über Besucherparkplätze. Sie befinden sich im ersten Untergeschoss unter den Nummern 101 bis 109, 164, 165, 167 bis 170 sowie 177 bis 181. Die Einfahrt hierzu befindet sich in der Dillwächterstraße. n Auto Von der Autobahn A8: Fahren Sie nach dem Autobahnende geradeaus auf der Verdistraße weiter. Biegen Sie rechts in die Meyerbeerstraße ein, dann links in die Landsberger Straße. Biegen Sie rechts in die Elsenheimer Straße ein und fahren Sie geradeaus weiter in die Hansastraße. Sie finden uns nach ca. 500 Metern auf der rechten Straßenseite. Von allen anderen Autobahnen kommend, folgen Sie der Beschilderung Mittlerer Ring in Richtung Stadtmitte. 9 0 Fraunhofer ESK Jahresbericht 2011/2012

91 Impressum Herausgeber Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK Hansastraße München Telefon: Telefax: Produktion und Redaktion Susanne Baumer Telefon: Telefax: Sabrina Kaspar Telefon: Telefax: Christiane Weber Telefon: Telefax: Bildquellen Alle Abbildungen Fraunhofer ESK, bis auf: S , 41, 45, 47, 67, 71, 72 73: Panther Media GmbH Fotografie Bernd Müller Fotografie Elvira Peter Gestaltung und Grafiken formidee designbüro Druck Druckerei Joh. Walch, Augsburg Danksagung Wir möchten uns bei unseren Auftraggebern und Industriepartnern für das entgegen gebrachte Vertrauen und die Bereitschaft bedanken, gemeinsam durchgeführte Projekte in diesem Jahresbericht veröffentlichen zu dürfen. Die Offenlegung der Industrieprojekte wurde mit unseren Partnern abgestimmt. Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK München, 2012 Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck und Übersetzung nur mit schriftlicher Genehmigung der Redaktion.

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