Control Network Performance Engineering: Qualitätsorientierter Entwurf von CSMA-Netzwerken der Automation

Beim Entwurf großer Netzwerke der Automation ermöglichen Methoden der Leistungsbewertung den Test und die Dimensionierung eines Netzwerkes bereits vor der Inbetriebnahme und erlauben damit einen effizienten, qualitätsorientierten Entwurf. Es ist jedoch sehr wissensintensiv und aufwendig, entsprechende Analyse- oder Simulations-Modelle aufzustellen und die Ergebnisse auszuwerten, weshalb die Methoden in der Praxis der Automation selten verwendet werden. Viel vertrauter sind dem Entwerfer hingegen die speziellen Software-Tools, mit denen in der Automation Netzwerke entworfen werden. Auf Basis der Datenbanken dieser Tools werden in dieser Arbeit verschieden Verfahren zur automatischen Systemmodellierung, Verkehrsmodellierung, Leistungsbewertung und Fehlerdiagnose zu einem Control Network Performance Engineering kombiniert, welches die Qualitätsbewertung und -beratung nahtlos und ohne Mehraufwand in den Netzwerkentwurf integriert. (Die Dissertation wurde veröffentlicht im Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Internet: http://www.vogtverlag.de/, email: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6)During the design of large automation networks, performance analysis methods can be used for testing and dimensioning the network before implementation and are essential for an efficient and reliable design process. However, setting up the necessary analytical or simulative models is time-consuming, requires in-depth knowledge, and is therefore often not applicable in practice. The network designers are much more used to the design tools used to develop automation networks. Based on these tools' databases various methods for automated system and traffic modeling, performance analysis and diagnoses are combined in the control network performance engineering that seamlessly integrates quality analysis and consulting into network design without requiring additional effort. (This manuscript is also available - in the form of a book - from Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Germany world-wide web address: http://www.vogtverlag.de/, electronic-mail address: [email protected], ISBN 978-3-938860-10-6

Zeitsynchronisation in drahtgebundenen Rechnernetzen

Ausgehend von einer Analyse des Standes der Technik werden neuartige Verfahren für die Zeitsynchronisation in drahtgebundenen Netzwerken vorgestellt. Unter anderem wird, zum ersten Mal im Bereich der Zeitsynchronisation, eine Kombination aus Linearer Optimierung und Broadcast-Nachrichten vorgestellt, was eine Verbindung der jeweiligen Genauigkeits- und Skalierbarkeitsvorteile ermöglicht. Weiterhin wird, ebenfalls zum ersten Mal im Bereich der Zeitsynchronisation, eine Kombination aus Linearer Optimierung und Temperaturkompensation vorgestellt.Based on an analysis of the state of the art, several new time synchronization methods for wired networks are proposed. Among others, for the first time in the synchronization domain, a combination of linear programming and broadcast messages is proposed, which allows combining the respective accuracy and scalability advantages. Moreover, this thesis proposes combining linear programming and temperature compensation, also for the first time in the field of time synchronization

Optimizing transmission protocols for enhancement of quality of service in telemedical realtime applications

In der Dissertation mit dem Titel „Optimierung von Übertragungsprotokollen zur Verbesserung der Dienstgüte in telemedizinischen Echtzeitanwendungen“ geht es um die Entwicklung einer Protokollmodifikation für Multipath-TCP zur besseren Unterstützung von telemedizinischen Echtzeitanwendungen über das Internet in einem Szenario zwischen global verteilten Standorten. Das Ziel von redundantem Multipath-TCP (rMPTCP) ist es, mehrere Verbindungen gleichzeitig zu nutzen, um mithilfe von Redundanz Verzögerungsspitzen und Datenverluste auszugleichen und somit die Dienstgüte der Übertragung zu verbessern. Hierbei passt sich das Protokoll den aktuellen Gegebenheiten der Datenverbindung adaptiv an, indem es Redundanz, Leitungsqualität, benötigte Datenübertragungsrate sowie den durch das Netzwerk angebotenen Datendurchsatz in Relation setzt. Anwendungen in der Telemedizin unterscheiden sich in ihren kommunikativen und interaktiven Ausprägungen und damit in ihren Dienstgüteanforderungen. Zu diesem Zweck werden grundlegende Anwendungen in der Telemedizin sowie Spezifizierungen der Dienstgüteanforderungen der anfallenden Datenströme behandelt und klassifiziert. Dies geschieht in Hinblick auf ein zwischen der Universität Duisburg-Essen (UDE) und der Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM) laufendes Forschungsszenario. Darauf folgt eine Darlegung von Dienstgüte-Mechanismen im Internet. Darin werden die elementaren Funktionsweisen sowie Möglichkeiten diese zu verbessern beschrieben. Die Übertragungsstrecke zwischen den beiden Universitäten wird entsprechend des Basisszenarios in Hinblick auf verschiedene Dienstgüteparameter mit entsprechenden Messwerkzeugen soweit ausgewertet, dass Gegebenheiten und Probleme identifiziert werden können. Eine Evaluierung der verschiedenen verfügbaren Verbindungen zwischen UDE und UKM dient der Ermittlung einer kombinierten Nutzungsweise und den Möglichkeiten bei einer Mehrfachverbindung. Die Modellierung und Entwicklung der Protokollmodifikation wird unter den vorher hergeleiteten Anforderungen durchgeführt. Es werden die grundsätzlichen mathematischen Zusammenhänge diskutiert und eine Einführung in die Funktionalitäten des Protokolls gegeben. Die Eigenschaften und Funktionen des neuen Protokolls werden modelliert und zusätzliche Hilfsmittel, die für die Anwendung innerhalb des Szenarios benötigt werden entwickelt. Die Funktionalitäten werden in praktischen Versuchen ausgewertet und eine abschließende Beurteilung diskutiert. Das Ergebnis dieser Dissertation ist die Entwicklung einer internetkompatiblen redundanten Protokollerweiterung für Multipath-TCP, die in der Lage ist, sich mithilfe verschiedener Algorithmen auf Situationen im Netzwerk anzupassen und verschiedene Maßnahmen bei Störungen zu ergreifen. Die Protokollerweiterung ist in der Lage, eine Dienstgüteverbesserung in Hinblick auf Verzögerungen sowie Verzögerungsvarianzen für Anwendungen mit „Nahe-Echtzeit“-Anforderungen zu erreichen.In the dissertation entitled "Optimization of Transmission Protocols to Improve Quality of Service in Telemedicine Real-Time Applications", the aim is to develop a protocol modification for Multipath-TCP to improve the support for telemedical real-time applications over the Internet in a scenario between globally distributed locations. The goal of redundant Multipath TCP (rMPTCP) is to use multiple connections at the same time to compensate for delay and data losses by means of redundancy and thus to improve the quality of service of the transmission. The protocol adapts to the current circumstances of the data connection by correlating redundancy, connection quality, required data transmission rate as well as the data throughput offered by the network. Applications in telemedicine differ in their communicative and interactive manifestations and thus in their quality of service requirements. For this purpose, basic applications in telemedicine as well as specifications of the quality requirements of the resulting data streams are treated and classified. This is done with regard to a research scenario running between the University of Duisburg-Essen (UDE) and the Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM). It is followed by a presentation of quality of service mechanisms on the Internet. The basic functions as well as ways to improve them are described. The transmission distance between the two universities is evaluated according to the basic scenario with regard to different quality of service parameters with appropriate measuring tools in a way that conditions and problems can be identified. An evaluation of the various available connections between UDE and UKM is used to determine a combined usage and the possibilities for a multiple connection. The modeling and development of the protocol modification is performed under the previously-derived requirements. The basic mathematical connections are discussed and an introduction to the functionalities of the protocol is given. The properties and functions of the new protocol are modeled and additional tools developed for utilization within the scenario are designed. The functionalities are evaluated in practical tests and a final assessment is discussed. The result of this dissertation is the development of an Internet-compatible redundant protocol extension for multipath TCP, which is able to adapt to situations in the network by means of different algorithms and to take various measures in case of disturbances. The protocol extension is capable of achieving an improvement in service quality with regard to delays as well as delay variances for applications with "near real-time" requirements

Simulation von Token Ring Netzwerken

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines empirischen Modells zur Simulation von TokenRing-Netzwerken auf Basis eines MonteCarlo-Ansatzes. Desweiteren werden die Ergebnisse aus verschiedenen Beispielsimulationsläufen dargelegt und diskutiert. Hierbei werden vor allem die Auswirkungen der einzelnen Protokolle und Protokollebenen auf die Systemleistung und -auslastung betrachtet

Proceedings EMV Kongress 2022 : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit

Proceedings der EMV 202

Untersuchungen zur Prozessierung neuer visueller Reize in fronto-limbischen Netzwerken bei akut psychotischen und nicht antipsychotisch behandelten Patienten mit paranoider Schizophrenie mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT)

Die Schizophrenie ist eine häufige und prognostisch schwerwiegende psychiatrische Erkrankung, deren Ätiologie bislang nicht abschließend geklärt ist. Eine Störung verschiedener Neurotransmittersysteme wird insbesondere im Rahmen des akuten Krankheitsgeschehens angenommen, wobei einem hyperaktiven subcorticalen Dopaminsystem nach wie vor eine wesentliche Rolle zugeschrieben wird. Der Hippocampus (HC) ist eine Hirnstruktur des medialen Schläfenlappens, welche maßgeblich an der Langzeitgedächtnisbildung und der Verarbeitung neuer sensorischer Informationen beteiligt ist, wobei diese Prozesse entscheidend über dopaminerge Neuromodulation realisiert werden. Strukturelle und funktionelle Störungen in diesem Hirnareal sind einer der konsistentesten Befunde der Schizophrenie-Forschung. Aktuelle pathophysiologische Konzepte gehen von hippocampalen Veränderungen als einem zentralen Faktor in der Genese des hyperdopaminergen Zustandes und dem Entstehen von Positivsymptomatik wie wahnhaftem Erleben bei akut-psychotischen Schizophrenie-Patienten aus. Die Hypothese der aberranten Salienzzuschreibung geht dabei psychologisch von einer veränderten Bedeutungszuschreibung zu externen und internen Stimuli aus, was das Auftreten von Positivsymptomatik nach sich ziehe. Studienergebnisse weisen auf ein Netzwerk von Hirnstrukturen wie dem orbitofrontalen Cortex (OFC), dem anterioren cingulären Cortex (ACC) und der Insula hin, dem „Salienz-Netzwerk“, in dem diese Prozesse maßgeblich durch dopaminerge Neurotransmission realisiert werden. Bisherige Studien wurden überwiegend an antipsychotisch behandelten Patienten durchgeführt, wobei die Einnahme von Antipsychotika differenzierte und, in Abhängigkeit von Dauer und Art der eingesetzten Substanzen, heterogene Auswirkungen auf das Gehirn hat, welche die Aussagekraft derartiger Studien deutlich limitieren. Gegenstand dieser Dissertation ist eine Querschnittstudie mittels funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT), in der einer Gruppe von 16 an einer Schizophrenie erkrankten Patienten, welche zum Untersuchungszeitpunkt Positivsymptomatik zeigten und frei von antipsychotischer Medikation waren, mit einer Gruppe 20 gesunder Kontrollprobanden verglichen wurde. Im Rahmen der fMRT-Untersuchung wurden den Probanden Landschaftsbilder präsentiert, deren Grad an Neuheit moduliert wurde. Beide Probandengruppen zeigten eine signifikante hippocampale Aktivierung für neue im Vergleich zu bekannten Bildern aber nur in der Gruppe der Kontrollprobanden fand sich eine Korrelation dieser Aktivierung mit der Wiedererinnerungsleistung 24 Stunden nach der MRT-Untersuchung. Nur für die Patientengruppe fand sich zudem eine reliable Aktivierung des OFC für den Neuheitskontrast. Eine neuheitsabhängige Zunahme der funktionellen Konnektivität von HC und OFC mit dem ventralen Striatum (VS) und dem rostralen ACC (rACC) konnte in der Patientengruppe nachgewiesen werden. Die Wahnsymptomatik der untersuchten Patienten korrelierte zudem positiv mit der Differenz der funktionellen Konnektivität von HC und OFC mit dem rACC. Eine wesentliche Schlussfolgerung aus den Studienergebnissen ist somit, dass eine veränderte Prozessierung neuer Reize in fronto-limbischen Netzwerken möglicherweise im Zusammenhang mit dem Entstehen von wahnhafter Symptomatik bei akut-psychotischen und unbehandelten Patienten mit einer Schizophrenie steht.Schizophrenia can be considered one major mental disease with high prevalence and rather severe prognosis. Yet its aetiological and pathophysological basis remains not fully explained. Disturbed neurotransmitter signaling is present especially during acute phases of the disease with dopamine playing a major role. The hippocampus (HC) is a structure of the medial temporal lobe critically involved in long-term memory processes as well as detecting and signaling stimulus novelty. Both these processes depend on intact dopaminergic signaling. Structural and functional abnormalities in this brain region constitute one of the most replicated findings in schizophrenia research. Recent pathophysiological models highlight the role of hippocampal aberrations as a possible offspring of the hyperdopaminergic subcortical condition in acute schizophrenia and for the origin of positive symptoms such as delusions. The aberrant salience hypothesis claims that at a psychological level of explanation patients attribute salience to external and internal stimuli inadequately, resulting in delusions and hallucinations. Recent research points to a network of brain-structures involving the orbitofrontal cortex (OFC), anterior cingulate cortex (ACC) and insula, termed “salience-network”, realizing these processes essentially depending on dopaminergic signaling. Studies so far have broadly been carried out with patients receiving antipsychotic medication known to exert heterogeneous effects on brain function depending on specifity of drugs administered and duration of intake. In this study, a group of 16 patients with paranoid schizophrenia was compared to a group of 20 matched healthy individuals using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Importantly, all patients experienced positive symptoms at time of participation and were free of antipsychotic medication. Participants were shown complex scene stimuli with modulated degree of novelty. Presentation of novel vs. familiar images was associated with hippocampal activation in both patients and healthy controls, but only healthy controls showed a positive relationship between novelty-related hippocampal activation and recognition memory performance after 24 hours. Moreover, patients showed a robust neural response in the OFC during presentation of novel stimuli. Functional connectivity analysis in the patients further revealed a novelty-related increase of functional connectivity of both the hippocampus and the OFC with the ventral striatum (VS) and the rostral ACC (rACC). Notably, delusions correlated positively with the difference of the functional connectivity of the hippocampus vs. the OFC with the rACC. Thus, a central finding of this research is that alterations of fronto-limbic novelty processing may contribute to the pathophysiology of delusions in acute psychotic schizophrenia patients off antipsychotic medication

Zum Stand der differentiellen kinematischen GPS-Positionierung

GPS hat sich in den letzten 15 Jahren zu einem wichtigen Werkzeug für die kinematische Positionsbestimmung entwickelt. Über kurze Basislinien können häufig Genauigkeiten von ca. 1 cm erzielt werden (Standardabweichung), doch bedingt dies im Allgemeinen den Betrieb einer Referenzstation in der Nähe des sich bewegenden Nutzers (»Rover«), um die Fehlereinflüsse wirksam reduzieren zu können. Im Sinne der Wirtschaftlichkeit besteht eine Notwendigkeit, Referenzstationsnetze so grobmaschig anzuordnen, wie es unter Berücksichtigung der jeweiligen Genauigkeitsanforderungen noch möglich ist. Aktive Referenzstationsnetzwerke - wie sie beispielsweise in Deutschland zwischenzeitlich errichtet wurden - weisen Entfernungen von durchschnittlich ca. 50 km auf und nutzen ihre GPS-Daten zur Ableitung von ionosphärischen, troposphärischen sowie satellitenspezifischen Flächenkorrekturen. Dieses moderne Konzept kann bei verschiedenen wissenschaftlichen Anwendungen auf Grund mangelnder Voraussetzungen nicht zur Anwendung kommen. In dieser Arbeit wird deshalb an das konventionelle Basislinien-Konzept angeknüpft und versucht, auch über lange Entfernungen eine kinematische Positionierung hoher Genauigkeit durchzuführen. Neben einer Einführung in die Grundlagen und die Beschreibung des Fehlermodells wird demonstriert, dass im kinematischen Modus in der Tat exakte Punktbestimmungen über bis zu etwa 300 km möglich sind. Eine wesentliche Limitierung bei der angewandten Methode liegt in den für diese Zwecke zu schlechten Sichtbarkeitsverhältnissen der GPS-Satelliten. Eine höhere Zahl an sichtbaren Satelliten würde die Situation verbessern. Aus diesem Grunde geht die Arbeit abschließend auf die anstehenden Innovationen in der Satellitennavigation ein und stellt ihre Bedeutung für die kinematische Positionierung heraus.GPS has become a valuable means for kinematic positioning in the past 15 years. An accuracy of approximately 1 centimetre (standard deviation) can be reached over short baselines, but a reference station needs to be established in the vicinity of the roving antenna in order to appropriately reduce the acting error sources. Economic considerations, however, require that reference station networks are planned such that the spatial resolution is kept at a minimum while taking the required accuracy of the kinematic solution as a primary design parameter. Active reference station networks in Germany, for instance, have inter-station distances of about 50 kilometres in average. The stations’ data are used to derive ionospheric, tropospheric and satellitespecific area correction parameters. Unfortunately, this state-of-the-art methodology cannot be used in many scientific applications as it is failed to fulfil necessary pre-requisites. Consequently, the work depicted in this report aims to apply the conventional baseline concept to reach high accuracy in kinematic positioning even over long distances to the reference station(s). Apart from an introduction to the basics of kinematic GPS data analysis and the description of the underlying error model it will be demonstrated that precise coordinates can actually be retrieved over baselines as long as about 300 km in kinematic mode. A major limitation of this method lies in the fact that the current GPS visibility situation is relatively weak for this purpose, i.e. a larger number of visible satellites would significantly improve the situation. For this reason, this report concludes in outlining the innovations in satellite navigation which are about to become reality in the very near future and have an incisive impact on position estimation »on the move«