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    CN2F: A Cloud-Native Cellular Network Framework

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    Upcoming 5G and Beyond 5G (B5G) cellular networks aim to improve the efficiency and flexibility of mobile networks by incorporating various technologies, such as Software Defined Networking (SDN), Network Function Virtualization (NFV), and Network Slicing (NS). In this paper, we share our findings, accompanied by a comprehensive online codebase, about the best practice of using different open-source projects in order to realize a flexible testbed for academia and industrial Research and Development (R&D) activities on the future generation of cellular networks. In particular, a Cloud-Native Cellular Network Framework (CN2F) is presented which uses OpenAirInterface's codebase to generate cellular Virtual Network Functions (VNFs) and deploys Kubernetes to disperse and manage them among some worker nodes. Moreover, CN2F leverages ONOS and Mininet to emulate the effect of the IP transport networks in the fronthaul and backhaul of real cellular networks. In this paper, we also showcase two use cases of CN2F to demonstrate the importance of Edge Computing (EC) and the capability of Radio Access Network (RAN) slicing

    Towards a centralized multicore automotive system

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    Today’s automotive systems are inundated with embedded electronics to host chassis, powertrain, infotainment, advanced driver assistance systems, and other modern vehicle functions. As many as 100 embedded microcontrollers execute hundreds of millions of lines of code in a single vehicle. To control the increasing complexity in vehicle electronics and services, automakers are planning to consolidate different on-board automotive functions as software tasks on centralized multicore hardware platforms. However, these vehicle software services have different and contrasting timing, safety, and security requirements. Existing vehicle operating systems are ill-equipped to provide all the required service guarantees on a single machine. A centralized automotive system aims to tackle this by assigning software tasks to multiple criticality domains or levels according to their consequences of failures, or international safety standards like ISO 26262. This research investigates several emerging challenges in time-critical systems for a centralized multicore automotive platform and proposes a novel vehicle operating system framework to address them. This thesis first introduces an integrated vehicle management system (VMS), called DriveOS™, for a PC-class multicore hardware platform. Its separation kernel design enables temporal and spatial isolation among critical and non-critical vehicle services in different domains on the same machine. Time- and safety-critical vehicle functions are implemented in a sandboxed Real-time Operating System (OS) domain, and non-critical software is developed in a sandboxed general-purpose OS (e.g., Linux, Android) domain. To leverage the advantages of model-driven vehicle function development, DriveOS provides a multi-domain application framework in Simulink. This thesis also presents a real-time task pipeline scheduling algorithm in multiprocessors for communication between connected vehicle services with end-to-end guarantees. The benefits and performance of the overall automotive system framework are demonstrated with hardware-in-the-loop testing using real-world applications, car datasets and simulated benchmarks, and with an early-stage deployment in a production-grade luxury electric vehicle

    Rethink Digital Health Innovation: Understanding Socio-Technical Interoperability as Guiding Concept

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    Diese Dissertation sucht nach einem theoretischem Grundgerüst, um komplexe, digitale Gesundheitsinnovationen so zu entwickeln, dass sie bessere Erfolgsaussichten haben, auch in der alltäglichen Versorgungspraxis anzukommen. Denn obwohl es weder am Bedarf von noch an Ideen für digitale Gesundheitsinnovationen mangelt, bleibt die Flut an erfolgreich in der Praxis etablierten Lösungen leider aus. Dieser unzureichende Diffusionserfolg einer entwickelten Lösung - gern auch als Pilotitis pathologisiert - offenbart sich insbesondere dann, wenn die geplante Innovation mit größeren Ambitionen und Komplexität verbunden ist. Dem geübten Kritiker werden sofort ketzerische Gegenfragen in den Sinn kommen. Beispielsweise was denn unter komplexen, digitalen Gesundheitsinnovationen verstanden werden soll und ob es überhaupt möglich ist, eine universale Lösungsformel zu finden, die eine erfolgreiche Diffusion digitaler Gesundheitsinnovationen garantieren kann. Beide Fragen sind nicht nur berechtigt, sondern münden letztlich auch in zwei Forschungsstränge, welchen ich mich in dieser Dissertation explizit widme. In einem ersten Block erarbeite ich eine Abgrenzung jener digitalen Gesundheitsinnovationen, welche derzeit in Literatur und Praxis besondere Aufmerksamkeit aufgrund ihres hohen Potentials zur Versorgungsverbesserung und ihrer resultierenden Komplexität gewidmet ist. Genauer gesagt untersuche ich dominante Zielstellungen und welche Herausforderung mit ihnen einhergehen. Innerhalb der Arbeiten in diesem Forschungsstrang kristallisieren sich vier Zielstellungen heraus: 1. die Unterstützung kontinuierlicher, gemeinschaftlicher Versorgungsprozesse über diverse Leistungserbringer (auch als inter-organisationale Versorgungspfade bekannt); 2. die aktive Einbeziehung der Patient:innen in ihre Versorgungsprozesse (auch als Patient Empowerment oder Patient Engagement bekannt); 3. die Stärkung der sektoren-übergreifenden Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Versorgungpraxis bis hin zu lernenden Gesundheitssystemen und 4. die Etablierung daten-zentrierter Wertschöpfung für das Gesundheitswesen aufgrund steigender bzgl. Verfügbarkeit valider Daten, neuen Verarbeitungsmethoden (Stichwort Künstliche Intelligenz) sowie den zahlreichen Nutzungsmöglichkeiten. Im Fokus dieser Dissertation stehen daher weniger die autarken, klar abgrenzbaren Innovationen (bspw. eine Symptomtagebuch-App zur Beschwerdedokumentation). Vielmehr adressiert diese Doktorarbeit jene Innovationsvorhaben, welche eine oder mehrere der o.g. Zielstellung verfolgen, ein weiteres technologisches Puzzleteil in komplexe Informationssystemlandschaften hinzufügen und somit im Zusammenspiel mit diversen weiteren IT-Systemen zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung und/ oder ihrer Organisation beitragen. In der Auseinandersetzung mit diesen Zielstellungen und verbundenen Herausforderungen der Systementwicklung rückte das Problem fragmentierter IT-Systemlandschaften des Gesundheitswesens in den Mittelpunkt. Darunter wird der unerfreuliche Zustand verstanden, dass unterschiedliche Informations- und Anwendungssysteme nicht wie gewünscht miteinander interagieren können. So kommt es zu Unterbrechungen von Informationsflüssen und Versorgungsprozessen, welche anderweitig durch fehleranfällige Zusatzaufwände (bspw. Doppeldokumentation) aufgefangen werden müssen. Um diesen Einschränkungen der Effektivität und Effizienz zu begegnen, müssen eben jene IT-System-Silos abgebaut werden. Alle o.g. Zielstellungen ordnen sich dieser defragmentierenden Wirkung unter, in dem sie 1. verschiedene Leistungserbringer, 2. Versorgungsteams und Patient:innen, 3. Wissenschaft und Versorgung oder 4. diverse Datenquellen und moderne Auswertungstechnologien zusammenführen wollen. Doch nun kommt es zu einem komplexen Ringschluss. Einerseits suchen die in dieser Arbeit thematisierten digitalen Gesundheitsinnovationen Wege zur Defragmentierung der Informationssystemlandschaften. Andererseits ist ihre eingeschränkte Erfolgsquote u.a. in eben jener bestehenden Fragmentierung begründet, die sie aufzulösen suchen. Mit diesem Erkenntnisgewinn eröffnet sich der zweite Forschungsstrang dieser Arbeit, der sich mit der Eigenschaft der 'Interoperabilität' intensiv auseinandersetzt. Er untersucht, wie diese Eigenschaft eine zentrale Rolle für Innovationsvorhaben in der Digital Health Domäne einnehmen soll. Denn Interoperabilität beschreibt, vereinfacht ausgedrückt, die Fähigkeit von zwei oder mehreren Systemen miteinander gemeinsame Aufgaben zu erfüllen. Sie repräsentiert somit das Kernanliegen der identifizierten Zielstellungen und ist Dreh- und Angelpunkt, wenn eine entwickelte Lösung in eine konkrete Zielumgebung integriert werden soll. Von einem technisch-dominierten Blickwinkel aus betrachtet, geht es hierbei um die Gewährleistung von validen, performanten und sicheren Kommunikationsszenarien, sodass die o.g. Informationsflussbrüche zwischen technischen Teilsystemen abgebaut werden. Ein rein technisches Interoperabilitätsverständnis genügt jedoch nicht, um die Vielfalt an Diffusionsbarrieren von digitalen Gesundheitsinnovationen zu umfassen. Denn beispielsweise das Fehlen adäquater Vergütungsoptionen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen oder eine mangelhafte Passfähigkeit für den bestimmten Versorgungsprozess sind keine rein technischen Probleme. Vielmehr kommt hier eine Grundhaltung der Wirtschaftsinformatik zum Tragen, die Informationssysteme - auch die des Gesundheitswesens - als sozio-technische Systeme begreift und dabei Technologie stets im Zusammenhang mit Menschen, die sie nutzen, von ihr beeinflusst werden oder sie organisieren, betrachtet. Soll eine digitale Gesundheitsinnovation, die einen Mehrwert gemäß der o.g. Zielstellungen verspricht, in eine existierende Informationssystemlandschaft der Gesundheitsversorgung integriert werden, so muss sie aus technischen sowie nicht-technischen Gesichtspunkten 'interoperabel' sein. Zwar ist die Notwendigkeit von Interoperabilität in der Wissenschaft, Politik und Praxis bekannt und auch positive Bewegungen der Domäne hin zu mehr Interoperabilität sind zu verspüren. Jedoch dominiert dabei einerseits ein technisches Verständnis und andererseits bleibt das Potential dieser Eigenschaft als Leitmotiv für das Innovationsmanagement bislang weitestgehend ungenutzt. An genau dieser Stelle knüpft nun der Hauptbeitrag dieser Doktorarbeit an, in dem sie eine sozio-technische Konzeptualisierung und Kontextualisierung von Interoperabilität für künftige digitale Gesundheitsinnovationen vorschlägt. Literatur- und expertenbasiert wird ein Rahmenwerk erarbeitet - das Digital Health Innovation Interoperability Framework - das insbesondere Innovatoren und Innovationsfördernde dabei unterstützen soll, die Diffusionswahrscheinlichkeit in die Praxis zu erhöhen. Nun sind mit diesem Framework viele Erkenntnisse und Botschaften verbunden, die ich für diesen Prolog wie folgt zusammenfassen möchte: 1. Um die Entwicklung digitaler Gesundheitsinnovationen bestmöglich auf eine erfolgreiche Integration in eine bestimmte Zielumgebung auszurichten, sind die Realisierung eines neuartigen Wertversprechens sowie die Gewährleistung sozio-technischer Interoperabilität die zwei zusammenhängenden Hauptaufgaben eines Innovationsprozesses. 2. Die Gewährleistung von Interoperabilität ist eine aktiv zu verantwortende Managementaufgabe und wird durch projektspezifische Bedingungen sowie von externen und internen Dynamiken beeinflusst. 3. Sozio-technische Interoperabilität im Kontext digitaler Gesundheitsinnovationen kann über sieben, interdependente Ebenen definiert werden: Politische und regulatorische Bedingungen; Vertragsbedingungen; Versorgungs- und Geschäftsprozesse; Nutzung; Information; Anwendungen; IT-Infrastruktur. 4. Um Interoperabilität auf jeder dieser Ebenen zu gewährleisten, sind Strategien differenziert zu definieren, welche auf einem Kontinuum zwischen Kompatibilitätsanforderungen aufseiten der Innovation und der Motivation von Anpassungen aufseiten der Zielumgebung verortet werden können. 5. Das Streben nach mehr Interoperabilität fördert sowohl den nachhaltigen Erfolg der einzelnen digitalen Gesundheitsinnovation als auch die Defragmentierung existierender Informationssystemlandschaften und trägt somit zur Verbesserung des Gesundheitswesens bei. Zugegeben: die letzte dieser fünf Botschaften trägt eher die Färbung einer Überzeugung, als dass sie ein Ergebnis wissenschaftlicher Beweisführung ist. Dennoch empfinde ich diese, wenn auch persönliche Erkenntnis als Maxim der Domäne, der ich mich zugehörig fühle - der IT-Systementwicklung des Gesundheitswesens

    2007 GREAT Day Program

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    SUNY Geneseo’s First Annual G.R.E.A.T. Day.https://knightscholar.geneseo.edu/program-2007/1001/thumbnail.jp

    QoS-aware architectures, technologies, and middleware for the cloud continuum

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    The recent trend of moving Cloud Computing capabilities to the Edge of the network is reshaping how applications and their middleware supports are designed, deployed, and operated. This new model envisions a continuum of virtual resources between the traditional cloud and the network edge, which is potentially more suitable to meet the heterogeneous Quality of Service (QoS) requirements of diverse application domains and next-generation applications. Several classes of advanced Internet of Things (IoT) applications, e.g., in the industrial manufacturing domain, are expected to serve a wide range of applications with heterogeneous QoS requirements and call for QoS management systems to guarantee/control performance indicators, even in the presence of real-world factors such as limited bandwidth and concurrent virtual resource utilization. The present dissertation proposes a comprehensive QoS-aware architecture that addresses the challenges of integrating cloud infrastructure with edge nodes in IoT applications. The architecture provides end-to-end QoS support by incorporating several components for managing physical and virtual resources. The proposed architecture features: i) a multilevel middleware for resolving the convergence between Operational Technology (OT) and Information Technology (IT), ii) an end-to-end QoS management approach compliant with the Time-Sensitive Networking (TSN) standard, iii) new approaches for virtualized network environments, such as running TSN-based applications under Ultra-low Latency (ULL) constraints in virtual and 5G environments, and iv) an accelerated and deterministic container overlay network architecture. Additionally, the QoS-aware architecture includes two novel middlewares: i) a middleware that transparently integrates multiple acceleration technologies in heterogeneous Edge contexts and ii) a QoS-aware middleware for Serverless platforms that leverages coordination of various QoS mechanisms and virtualized Function-as-a-Service (FaaS) invocation stack to manage end-to-end QoS metrics. Finally, all architecture components were tested and evaluated by leveraging realistic testbeds, demonstrating the efficacy of the proposed solutions

    Modern meat: the next generation of meat from cells

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    Modern Meat is the first textbook on cultivated meat, with contributions from over 100 experts within the cultivated meat community. The Sections of Modern Meat comprise 5 broad categories of cultivated meat: Context, Impact, Science, Society, and World. The 19 chapters of Modern Meat, spread across these 5 sections, provide detailed entries on cultivated meat. They extensively tour a range of topics including the impact of cultivated meat on humans and animals, the bioprocess of cultivated meat production, how cultivated meat may become a food option in Space and on Mars, and how cultivated meat may impact the economy, culture, and tradition of Asia

    Time-sensitive autonomous architectures

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    Autonomous and software-defined vehicles (ASDVs) feature highly complex systems, coupling safety-critical and non-critical components such as infotainment. These systems require the highest connectivity, both inside the vehicle and with the outside world. An effective solution for network communication lies in Time-Sensitive Networking (TSN) which enables high-bandwidth and low-latency communications in a mixed-criticality environment. In this work, we present Time-Sensitive Autonomous Architectures (TSAA) to enable TSN in ASDVs. The software architecture is based on a hypervisor providing strong isolation and virtual access to TSN for virtual machines (VMs). TSAA latest iteration includes an autonomous car controlled by two Xilinx accelerators and a multiport TSN switch. We discuss the engineering challenges and the performance evaluation of the project demonstrator. In addition, we propose a Proof-of-Concept design of virtualized TSN to enable multiple VMs executing on a single board taking advantage of the inherent guarantees offered by TSN

    IRQ Coloring: Mitigating Interrupt-Generated Interference on ARM Multicore Platforms

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    Mixed-criticality systems, which consolidate workloads with different criticalities, must comply with stringent spatial and temporal isolation requirements imposed by safety-critical standards (e.g., ISO26262). This, per se, has proven to be a challenge with the advent of multicore platforms due to the inner interference created by multiple subsystems while disputing access to shared resources. With this work, we pioneer the concept of Interrupt (IRQ) coloring as a novel mechanism to minimize the interference created by co-existing interrupt-driven workloads. The main idea consists of selectively deactivating specific ("colored") interrupts if the QoS of critical workloads (e.g., Virtual Machines) drops below a well-defined threshold. The IRQ Coloring approach encompasses two artifacts, i.e., the IRQ Coloring Design-Time Tool (IRQ DTT) and the IRQ Coloring Run-Time Mechanism (IRQ RTM). In this paper, we focus on presenting the conceptual IRQ coloring design, describing the first prototype of the IRQ RTM on Bao hypervisor, and providing initial evidence about the effectiveness of the proposed approach on a synthetic use case
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