IT infrastructure for research and teaching combining an online lab, a UAV and audio-visual communication

From previous experiences with student work, we figured out that an interesting real studying object highly motivates students to understand the theory by hands-on experiments. Based on our former work, this paper introduces a new concept, which combines three of our research topics to one complex infrastructure. We start with our existing online lab "REAL" and describe how it can be used in order to provide an experiment environment, which is available independent of laboratory opening times. Based on this, we explain how a new experimental platform can be integrated, which is focused on the stabilization of a gimbal-mounted UAV. In this context, different control techniques from different engineering disciplines such as control theory, fuzzy control, neuronal networks and reinforcement learning can be applied. Furthermore, we describe how the video conferencing tool "Homer-Conferencing" can be used as audio-visual platform to coordinate experiments. This approach enables the teacher to give direct feedback to the students. In general, our approach is intended to provide a flexible infrastructure, which can also be used among different experiment locations

IT Infrastructure for Research and Teaching Combining an Online Lab, a UAV and Audio-Visual Communication

From previous experiences with student work, we figured out that an interesting real studying object highly motivates students to understand the theory by hands-on experiments. Based on our former work, this paper introduces a new concept, which combines three of our research topics to one complex infrastructure. We start with our existing online lab â??REALâ? and describe how it can be used in order to provide an experiment environment, which is available independent of laboratory opening times. Based on this, we explain how a new experimental platform can be integrated, which is focused on the stabilization of a gimbal-mounted UAV. In this context, different control techniques from different engineering disciplines such as control theory, fuzzy control, neuronal networks and reinforcement learning can be applied. Furthermore, we describe how the video conferencing tool â??Homer-Conferencingâ? can be used as audio-visual platform to coordinate experiments. This approach enables the teacher to give direct feedback to the students. In general, our approach is intended to provide a flexible infrastructure, which can also be used among different experiment locations

Autonomes Netzwerkmanagement für ein dynamisches Routing unter Berücksichtigung von Qualitätsanforderungen

This PhD thesis is focused on the question: how can an autonomously working routing management be designed to allow the transmission of application data while considering quality requirements. To answer this the focus is on a dynamic routing, whose decisions depend on the current distribution of available link capacities in the network. The presented new solution contains three protocols which work in a completely autonomous way. They are used to cluster the network and place automatically management instances, to assign addresses in the network as well as to distribute continuously routing data among the network nodes. Based on this, all routing tables are kept up to date, so that they represent the current paths as well as they also describe the available QoS specific capacity for each known route. By the help of this data, the routing algorithm, which is applied in this PhD thesis, allows the transmission of data from different applications while considering their quality requirements. In this context, each needed routing decision is influenced by the currently existing load situation in the network.Despite the introduced complex signaling, the overall system remains compatible to IPv4/v6. Therefore, it can be used for the transmission of audiovisual data in today’s networks. In such a scenario the scalability of the resulting overall system is supported by the data aggregations which are used within the signaling of the routing management.The practical part of the work is divided into two areas. The first one describes the software “Homer Conferencing”. It is usable as standalone solution for video conferences and test environment for audiovisual streams. By its help, qualitative differences in transmissions can be presented. Additionally, the software provides graphical dialogs for quantitative measurements of the data streams and packet losses. The second practical part contains the implementation of the routing management and applies all protocols on packet level. This was used as base for the accomplished quantitative evaluations. They show the caused signaling overhead as well as the resulting benefit of the introduced routing management for selected base topologies of IP networks.Im Fokus dieser Dissertation steht die Frage, wie ein autonom ablaufendes Routingmanagement aussehen kann, um in Netzwerken die Übertragung von Anwendungsdaten unter Berücksichtigung von Qualitätsanforderungen zu ermöglichen. Dabei steht ein dynamisches Routing im Vordergrund, dessen Entscheidungen von der momentanen Verteilung von verfügbaren Linkkapazitäten im Netzwerk abhängen. Die vorgestellte neuwertige Lösung enthält drei vollständig autonom ablaufende Protokolle. Sie dienen zur Netzwerkunterteilung und automatischen Platzierung von Managementinstanzen, zur Adresszuweisung im Netzwerk sowie zur kontinuierlichen Verteilung von Routingdaten unter den Netzwerkknoten. Dadurch werden alle Routingtabellen aktuell gehalten, sodass sie die momentanen Pfade sowie auch die für jede bekannte Route verfügbaren QoS spezifischen Eigenschaften beschreiben. Mit Hilfe dieser Daten ist der in dieser Dissertation eingesetzte Routingalgorithmus in der Lage, die Übertragung von Daten von unterschiedlichen Anwendungen unter Beachtung ihrer Qualitätsanforderungen zu ermöglichen. Dabei beeinflusst die aktuell vorliegende Lastsituation im Netzwerk jede notwendige Routingentscheidung.Trotz der eingeführten komplexen Signalisierungen bleibt das Gesamtsystem kompatibel zu IPv4/v6 und kann somit für die Übertragung von audiovisuellen Daten in heutigen Netzwerken eingesetzt werden. Dabei profitiert die Skalierbarkeit des resultierenden Gesamtsystems von den innerhalb der Signalisierungen des Routingmanagements verwendeten Datenaggregationen.Der praktische Teil dieser Arbeit ist zweigeteilt. Der erste Teil beschreibt die Software „Homer Conferencing“. Sie ist als eigenständige Lösung für Videokonferenzen und Testumgebung für audiovisuelle Ströme einsetzbar. Mit ihrer Hilfe können qualitative Unterschiede in Übertragungen audiovisuell vorgeführt werden. Die Software bietet zusätzlich grafische Dialoge zur quantitativen Bemessung der Datenströme und Paketverluste. Der zweite praktische Teil beinhaltet die Implementierung des Routingmanagements und setzt die Protokolle auf Paketebene vollständig um. Dies diente als Basis für die durchgeführten quantitativen Evaluierungen. Sie stellen für ausgewählte Basistopologien von IP-Netzwerken den verursachten Signalisierungsaufwand sowie den resultierenden Nutzen beim Einsatz des vorgestellten Routingmanagements dar

Modellierung und automatische Generierung von FPGA-basierten Testinstrumenten für den strukturellen Leiterplattentest

Neue Bauformen von Schaltkreisen wie BGAs führen zu sinkenden Möglichkeiten des optischen und mechanischen Testzugriffs und stellen Testsysteme vor Probleme bei der Testbarkeit von Verbindungen zwischen ICs auf Leiterplatten. Damit verbunden sind eine reduzierte Testabdeckung und steigende Kosten. Besonders für FPGAs fehlen geeignete Methoden, bei denen sich das Testsystem automatisch den Gegebenheiten der zu testenden Leiterplatte anpasst. Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Problem des FPGA-basierten Testens. Das vorgestellte Konzept nutzt ausschließlich vorhandene Ressourcen des FPGAs, um Testalgorithmen in dessen Logik zu implementieren und erhöht die Herstellungskosten der Leiterplatte nicht. Die Ressourcen des FPGAs stehen während der Testphase exklusiv für das Testen zur Verfügung. Ausgehend vom Stand der Technik nicht-invasiver elektrischer Verfahren für Leiterplattentests werden aktuelle Ansätze und Methoden miteinander verglichen. Aus deren Stärken und Schwächen wird eine detaillierte Zielstellung für diese Dissertation erarbeitet. Es wird eine Methode zur Generierung von Testinstrumenten für das FPGA-basierte Testen vorgestellt, die die Ausführung von Testalgorithmen in den FPGA verlagern und eine vergleichbare oder bessere Testabdeckung sowie Testgeschwindigkeit als etablierte Verfahren liefert, ohne dafür auf manuelle Eingriffe bei der Generierung angewiesen zu sein. Im Rahmen eines Lösungsansatzes wird neben der Testsystemarchitektur eine Modellierung für die an den Verbindungstests beteiligten Schaltkreise vorgestellt. Hierbei wird die Ausführung der Testalgorithmen im FPGA entweder in Software auf einem softcore-basierten Prozessor oder direkt in Hardware als diskrete Logik in einem sogenannten Co-Prozessor ermöglicht. Mit der Methode ist es möglich jeden Schaltkreis getrennt und unabhängig von der Art seiner späteren Implementierung und den konkreten Gegebenheiten des Prüflings zu modellieren. Die Generierung aller nötigen Bestandteile in Software und Hardware, wie auch deren Integration zu einem Testinstrument erfolgen dabei vollständig automatisch. Kern der Arbeit ist die Modellierung und Generierung für eingebettete Testinstrumente, die auf der Testsystemarchitektur basieren. Der Fokus wird dabei auf die zeitlich korrekte Ansteuerung der an den Verbindungstests beteiligten Schaltkreise gelegt, ohne dabei eine konkrete Implementierung vorzugeben. In Untersuchungen wird die Generierung von Testinstrumenten für verschiedene Schaltkreise betrachtet. Die Ergebnisse belegen die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Methode zur automatischen Generierung von FPGA-basierten Testinstrumenten und zeigen eine signifikante Beschleunigung des FPGA-basierten Verbindungstests.New types of cases for integrated circuits like BGAs are leading to a decreased optical and mechanical test access. They are causing problems for test systems when testing connections between integrated circuits on printed circuit boards. This causes decreasing test coverage and increasing test costs. Especially for FPGAs some appropriate methods that automatically adapt the test system to the conditions of the printed circuit board are missing. This thesis is about the problems of FPGA-based testing. The presented concept solely uses available resources of the FPGA to transfer test algorithms from external test equipment into the programmable logic of the FPGA and therefore does not increase the production costs of the printed circuit board. The resources of the FPGA are exclusively used for testing during the test phase. Based on state-of-the-art non-invasive electrical methods for printed circuit boards with FPGAs current approaches are compared and analyzed. From the strengths and weaknesses of the considered methods a detailed description of the goals that should be achieved with this thesis is discussed. A method for the generation of so called test instruments for FPGA-based testing is presented. This method transfers the execution of test algorithms into the FPGA and has a similar or better test coverage as well as test speed compared to the well-established techniques without the need for any manually actions when generating such systems. Besides the chosen test system architecture the modeling of integrated circuits that are part of the connection test is presented. The test system architecture allows the execution of test algorithms either in software on a soft-core processor or directly in dedicated logic, so called co-processors. With this method it is possible to model each integrated circuit independent of each other and also independent of the implementation in software or hardware. The generation of all software and hardware parts of the test system is done fully automatically. Central element of this thesis is the modeling and generation of embedded test instruments, based on the presented test system architecture. The focus is on the timing-correct control routines of the integrated circuits that are part of the connection test. All parts of the test system should be modeled independent of each other and without knowledge about the use case. In experiments the generation of test instruments for different integrated circuits is carried out. These experiments prove the performance of the proposed methods for automatic generation of FPGA-based test instrument and show a significant speed-up for FPGA-based tests of printed circuit boards