Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt in der Dienstgüte (Quality-of-Service, QoS) vernetzter Systeme. Dienstgüte umfasst hierbei traditionelle Leistungsmaße (wie z.B. Durchsatz, Latenz, Verlustrate in einem Netzwerk) und Zuverlässigkeit (wie z.B. Verfügbarkeit eines Serversystems), aber auch Echtzeit, Funktions- und Informationssicherheit, Energie und ökonomische Aspekte. Hierfür werden Verfahren zur Modellierung, zur Simulation, zur Analyse, zum Test und zur Messung eingesetzt sowie eigene Werkzeuge entwickelt. Als besondere Vorgehensweise entwickeln wir die Testgetriebene Agile Simulation, bei der UML-basierte Simulation und modellgestütztes Testen kombiniert werden. Aktuell befassen wir uns mit folgenden Anwendungsgebieten: Fahrzeugkommunikation, industrielle Kommunikation, Sensor-Aktor-Netze, Audio-Kommunikation sowie Energie und Gesundheit.

Der Bereich der Fahrzeugkommunikation kann in die zwei Teilgebiete interne und externe Fahrzeugkommunikation unterteilt werden.

Interne Fahrzeugkommunikation

Setzt man den Fokus auf das System Fahrzeug spricht man von der internen Fahrzeugkommunikation. Diese befasst sich mit der Vernetzung von Steuergeräten und deren Peripherie innerhalb des Fahrzeugs. Hierbei legen wir die folgenden zwei Schwerpunkte fest.

Zum einen liegt der Fokus auf der Auslegung und formalen Bewertung von Bussystemen im Fahrzeug (Bewertung QOS).

Den anderen Schwerpunkt legen wir auf die Entwicklung und den Test von Steuergeräten einzeln, sowie im Verbund. Angefangen von der Auslegung von von eingebetteten Systemen sowie der Teststeuerung während der Entwicklung bis zum Test von vernetzten Steuergeräten (Homm, Brückner) beschäftigen wir uns mit verschiedenen Aspekten beim Testen im Bereich Automobil. Viele Themen werden daher im Rahmen von INI.FAU-Projekten bearbeitet. Folgende Arbeiten beschäftigen sich mit Themen der internen Fahrzeugkommunikation:

• Lauer, Christoph: Modeling and Analysis of Embedded Real-Time-Systems in the Automotive Safety Domain (Modellierung und Analyse von eingebetteten Echtzeitsystemen aus der Fahrzeugsicherheit) . Erlangen, Universität Erlangen-Nürnberg, Diss., 2011
• Caliebe, Philipp ; Herpel, Thomas ; German, Reinhard: Dependency-Based Test Case Selection and Prioritization in Embedded Systems . In: IEEE (Veranst.): Software Testing, Verification and Validation (ICST) (2012 IEEE Fifth International Conference on Software Testing, Verification and Validation (ICST), Montreal, 17.-22-04-2012). 2012, S. 731-735.
• Siegl, Sebastian ; Caliebe, Philipp: Improving model-based verification of embedded systems by analyzing component dependences . In: IEEE (Veranst.): International Symposium on Industrial Embedded Systems (SIES) (Industrial Embedded Systems (SIES), 2011 6th IEEE International Symposium on, Vasteras, 15.-17.06.2011). 2011, S. 51-54.
• Siegl, Sebastian ; Lauer, Christoph: Design and Validation of Embedded Real-Time Applications . In: n.b. (Hrsg.) : Proc. of Embedded Real Time Software and Systems ((ERTS 2010), Toulouse, France, May 2010). 2010.

Externe Fahrzeugkommunikation

Betrachtet man die Kommunikation mehrerer Fahrzeuge untereinander so beschäftigt man sich mit Fragestellungen der externen Fahrzeugkommunikation.

Aktuelle Themen der Car-2-X-Kommunikation beschäftigen sich mit Protokollen für den Austausch von Daten zwischen Fahrzeugen und Infrastruktur am Fahrbahnrand, der Wahrung und Evaluation der Privatssphäre in Fahrzeugnetzen, sowie Fragestellungen der Sicherheit.

Die am Lehrstuhl entwickelte Simulationsumgebung Veins, welche Straßenverkehrssimulation mit Netzwerksimulation koppelt, ist weltweit verbreitet und stellt ein mächtiges Werkzeug zur realistischen Untersuchung von Fahrzeugnetzen dar. Die Entwicklung und Verbesserung von Simulationsmodellen um die Aussagekraft von Simulationen noch weiter zu erhöhen, ist ein ständiger Schwerpunkt am Lehrstuhl.

Dieser Bereich umfasst folgende Arbeiten:

• Eckhoff, David; Sommer, Christoph; Gansen, Tobias; German, Reinhard; Dressler, Falko: „SlotSwap: Strong and Affordable Location Privacy in Intelligent Transportation Systems,“ IEEE Communications Magazine, vol. 49 (11), pp. 126-133, November 2011.
• Sommer, Christoph ; German, Reinhard ; Dressler, Falko: Bidirectionally Coupled Network and Road Traffic Simulation for Improved IVC Analysis . In: IEEE Transactions on Mobile Computing 10 (2011), Nr. 1, S. 3-15 [doi>10.1109/TMC.2010.133]
• Eckhoff, David; Sommer, Christoph; Dressler, Falko: „On the Necessity of Accurate IEEE 802.11p Models for IVC Protocol Simulation,“ Proceedings of 75th IEEE Vehicular Technology Conference (VTC2012-Spring), Yokohama, Japan, May 2012
• Eckhoff, David; Sommer, Christoph; German, Reinhard; Dressler, Falko: „Cooperative Awareness At Low Vehicle Densities: How Parked Cars Can Help See Through Buildings,“ Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), Houston, TX, December 2011.

In der Kommunikation von Automatisierungsanlagen werden spezielle Bussysteme und auch Ethernet eingesetzt und es bestehen besondere Anforderungen z.B. an Latenzen beim Versenden von Nachrichten. Neben Simulationsmodellen für drahtlose Kommunikation gemäß IEEE 802.15.4 und ZigBee setzen wir Network Calculus ein, um Echtzeitgarantien für leitungsgebundene Kommunikation zuzusichern.

Im Bereich Energie befassen wir uns im Rahmen des Energie Campus Nürnberg (EnCN) mit dem Energiesystem der Zukunft. Erneuerbare Energieformen schwanken stark, der Unterschied zwischen Angebot und Nachfrage kann neben einer Regelung von konventionellen Kraftwerken durch Energiespeicherung und durch die Verschiebung von Lastspitzen bei Verbrauchern ausgeglichen werden. Der Ausbau von erneuerbaren Energieformen führt auch dazu, dass statt weniger großer Kraftwerke viele kleinere dezentrale Einheiten z.B. in Häusern und Kommunen zusammenwirken. Für das Gesamtsystem von zusammenwachsenden elektrischen Netzen und Kommunikationsnetzen, von unterschiedlichen Speichermöglichkeiten und der weiteren effizienten Nutzung fossiler Brennstoffe werden Simulationsmodelle entwickelt: auf der unteren Ebene werden Mikrogrids nachgebildet, Verbünde von Erzeugern und Verbrauchern, die nach Möglichkeit energieautark sind und bei Bedarf eine Einspeisung von außen erhalten. Es ist auch beabsichtigt, das gesamte Energiesystem Bayerns und Deutschlands geeignet abzubilden und Auswirkungen unterschiedlicher Entscheidungen z.B. auf die Kosten zu ermitteln.

Im Projekt ProHTA des BMBF-Spitzenclusters „Exzellenzzentrum für Medizintechnik“ werden Simulationsmodelle entwickelt, die einerseits in frühem Stadium die Auswirkungen von neuen medizinischen Technologien oder Prozessen abschätzen, andererseits können Veränderungen von Auswirkungen Ideen für neue Innovationen und Prozessoptimierungen aufzeigen (Hypothesenbildung). Dafür werden hybride Modelle mittels des System-Dynamics- und des agentenbasierten Modellierungsparadigmas entwickelt und mit empirisch gesicherten Daten parametriert. Agenten bilden Patienten und medizinische Workflows ab, System-Dynamics-Modelle bilden demographische, ökonomische und epidemiologische Effekte ab. Die medizinischen Technologien und Prozesse werden durch quantitative Kenngrößen beschrieben. Ergebnisse sind gesundheitliche Kenngrößen wie Verbesserung der Lebensqualität oder Reduktion von Neuerkrankungen, die in Bezug zu den Kosten gesetzt werden können.

Bei der testgetriebenen agilen Simulation werden Simulation und modellgestütztes Testen so kombiniert, dass beide voneinander profitieren und insgesamt eine neue Vorgehensweise zum System Engineering mit verbesserter Qualitätssicherung entsteht. Hierbei werden System- und benutzungsorientierte Testmodelle (kurz Benutzungsmodelle) parallel und iterativ entwickelt. Der gesamte Ansatz ist basierend auf der UML2 konzipiert.

Systemmodelle werden durch Klassen-, Kompositionsstruktur-, Zustands- und Aktivitätsdiagramme beschrieben und können gemäß des MARTE-Profils (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems)‏ um quantitative Aspekte (z.B. deterministische oder stochastische Ausführungszeiten, Verzweigungswahrscheinlichkeiten) erweitert werden. Ein solches Systemmodell wird in C++ übersetzt und in dem Netzwerksimulator OMNeT++ zur Ausführung gebracht, Ergebnisse werden an die UML-Ebene zurückgeliefert. Aus Sicht der Simulation besteht der Vorteil darin, dass Simulationsmodelle standardkonform entwickelt werden können, statt dem proprietären Format des Simulationswerkzeugs entsprechen zu müssen. Aus Sicht des System Engineerings besteht der Vorteil darin, dass Systemmodelle früh in einer Simulationsumgebung ausgeführt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem Systemmodell quantitative Auslegungen mittels Simulation erfolgen können.

Davon unabhängig können Benutzungsmodelle zum Testen beschrieben werden. Es werden Zustands- und Sequenzdiagramme verwendet, die die Benutzung des System oder von Teilen des Systems beschreiben. Benutzungsmodelle sind keine Systemmodelle und repräsentieren nur mögliche Eingaben und erwartete Ausgaben. Benutzungsmodelle können um Markow-Profile erweitert werden, um Benutzungshäufigkeiten zu beschreiben. Aus dem Benutzungsmodell können mittels verschiedener Strategien Testfälle generiert werden, die dann ebenfalls auf der Ebene des Simulationswerkzeugs OMNeT++ in Verbindung mit dem Systemmodell zur Ausführung gebracht werden können. Aus Sicht des Testens bietet dies den Vorteil, dass Testfälle bereits früh in einer Simulationsumgebung ausgeführt werden können und dass sowohl das Systemmodell als auch das Benutzungsmodell validiert wird und beide iterativ weiterentwickelt werden können. Aus Sicht der Simulation bietet dies den Vorteil, dass eine systematische Methode bereitgestellt wird, die es erlaubt, Simulationsmodelle zu validieren.

Ein später aus dem Systemmodell generiertes System besitzt eine höhere Qualitätsstufe, die Testfälle auf Simulationsebene können dann ebenfalls zum Testen des Systems verwendet werden. Die Vorgehensweise kann in verschiedenen Vorgehensweisen wie z.B. das V-Modell oder agile Prozesse integriert werden.

A. Djanatliev, W. Dulz, R. German, and V. Schneider., VeriTAS - A Versatile Modeling Environment for Test-driven Agile Simulation. Proceedings of the 2011 Winter Simulation Conference, December 2011.

Dienstgüte (Koordination: Dr.-Ing. K. Hielscher) Design and Test of Communication Systems (Koordination: Dr.-Ing. W. Dulz)