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Conceptualization and implementation of automated optimization methods for private 5G networks
(2023)
Today’s companies are adjusting to the new connectivity realities. New applications require more bandwidth, lower latency, and higher reliability as industries become more distributed and autonomous. Private 5th Generation (5G) networks known as 5G Non-Public Networks (5G-NPN), is a novel 3rd Generation Partnership Project (3GPP)- based 5G network that can deliver seamless and dedicated wireless access for a particular industrial use case by providing the mentioned application’s requirements. To meet these requirements, several radio-related aspects and network parameters should be considered. In many cases, the behavior of the link connection may vary based on wireless conditions, available network resources, and User Equipment (UE) requirements. Furthermore, Optimizing these networks can be a complex task due to the large number of network parameters and KPIs that need to be considered. For these reasons, traditional solutions and static network configuration are not affordable or simply impossible. Despite the existence of papers in the literature that address several optimization methods for cellular networks in industrial scenarios, more insight into these existing but complex or unknown methods is needed.
In this thesis, a series of optimization methods were implemented to deliver an optimal configuration solution for a 5G private network. To facilitate this implementation, a testing system was implemented. This system enables remote control over the UE and 5G network, establishment of a test environment, extraction of relevant KPI reports from both UE and network sides, assessment of test results and KPIs, and effective utilization of the optimization and sampling techniques.
The research highlights the advantageous aspects of automated testing by using OFAT, Simulated Annealing, and Random Forest Regressor methods. With OFAT, as a common sampling method, a sensitivity analysis and an impact of each single parameter variation on the performance of the network were revealed. With Simulated Annealing, an optimal solution with MSE of roughly 10 was revealed. And, in the Random Forest Regressor, it was seen that this method presented a significant advantage over the simulated annealing method by providing substantial benefits in time efficiency due to its machine- learning capability. Additionally, it was seen that by providing a larger dataset or using some other machine-learning techniques, the solution might be more accurate.
Die durch den Konsumenten intensive Nutzung des Smartphones im Alltag sowie der fortwährend technologische Wandel erzeugen eine Abwanderung der Konsumenten in die Onlinewelt. Das infolgedessen zunehmend veränderte Konsumentenverhalten zwingt Unternehmen, ihre Kommunikationskanäle anzupassen sowie zu überdenken, um so bestmöglich mit ihren Kunden zu interagieren. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Thematik des Conversational Commerce, einem derzeit noch jungen Trend innerhalb des E-Commerce.
Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, eine fundierte Wissensgrundlage zum Gebiet Conversational Commerce zu schaffen, einschließlich den wichtigsten, damit in Verbindung stehenden Begriffen.
Als Einstieg in das Thema wird zu Beginn der Arbeit die Entwicklung des E-Commerce, hinsichtlich der Transformation dessen durch die Digitalisierung, thematisiert sowie auf die Marktentwicklung von Messaging Applikationen eingegangen. Neben der Unterteilung in text- und sprachbasierte Dialogsysteme, sprich Bots und Sprachassistenten, sollen die derzeit aktuell am Markt befindlichen Systeme vorgestellt und detailliert erläutert werden. Darüber hinaus werden diese anhand ihrer unterschiedlichen Typologien klassifiziert.
Anhand der Einbindung zweier Studien zum Thema Conversational Commerce sowie der Untersuchung dreier Chat Applikationen, soll nicht nur der künftige Einsatz von messaging-basierter Kommunikation geprüft, sondern auch, der für den Kunden und das Unternehmen entsprechende Mehrwert herausgearbeitet werden. Zusätzlich setzt sich die Arbeit mit den Herausforderungen aus Kunden-, Anbieter- und Händlersicht auseinander. Die daraus resultierenden Ergebnisse führen zu einem abschließenden Gesamtfazit dieser Arbeit.
Data Mining of the Edge
(2016)
Kleine, intelligente Systeme prägen zunehmend unsere Umwelt, dass sogenannte Internet of Things wird immer mehr Teil unseres Alltages. Diese Geräte sind immer mehr dazu in der Lage Daten aufzunehmen und zu verarbeiten. Doch wie jede Technische Revolution, führt auch der Ausbau des IoT zu neuen Herausforderungen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Qualität von verschiedenen Data Mining Frameworks im Edge Bereich, die Erstellung mehrere Demonstatoren eines Edge Szenario Aufbaus sowie deren Evaluation.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: APV and e-tractors as Flexibility Assets
(2023)
This work presents an analysis of the impact of introducing Agrophotovoltaic technologies and electric tractors into Germany’s energy system. Agrophotovoltaics involves installing photovoltaic systems in agricultural areas, allowing for dual usage of the land for both energy generation and food production. Electric tractors, which are agricultural machinery powered by electric motors, can also function as energy storage units, providing flexibility to the grid. The analysis includes a sensitivity study to understand how the availability of agricultural land influences Agrophotovoltaic investments, followed by the examination of various scenarios that involve converting diesel tractors to electric tractors. These scenarios are based on the current CO2 emission reduction targets set by the German Government, aiming for a 65% reduction below 1990 levels by 2030 and achieving zero emissions by 2045. The results indicate that approximately 3% of available agricultural land is necessary to establish a viable energy mix in Germany. Furthermore, the expansion of electric tractors tends to reduce the overall system costs and enhances the energy-cost-efficiency of Agrophotovoltaic investments.
Decarbonisation Strategies in Energy Systems Modelling: Biochar as a Carbon Capture Technology
(2022)
The energy system is changing since some years in order to achieve the climate goals from the Paris Agreement which wants to prevent an increase of the global temperature above 2 °C. Decarbonisation of the energy system has become for governments a big challenge and different strategies are being stablished. Germany has set greenhouse gas reduction limits for different years and keeps track of the improvement made yearly. The expansion of renewable energy systems (RES) together with decarbonisation technologies are a key factor to accomplish this objective.
This research is done to analyse the effect of introducing biochar, a decarbonisation technology, and study how it will affect the energy system. Pyrolysis is the process from which biochar is obtained and it is modelled in an open-source energy system model. A sensibility analysis is made in order to assess the effect of changing the biomass potential and the costs for pyrolysis.
The role of pyrolysis is analysed in the form of different future scenarios to evaluate the impact. The CO2 emission limits from the years 2030 and 2045 are considered to create the scenarios, as well as the integration of flexibility technologies. Four scenarios in total are assessed and the result from the sensibility analysis considering pyrolysis are always compared to the reference scenario, where pyrolysis is not considered.
Results show that pyrolysis has a bigger impact in the energy system when the CO2 limit is low. Biochar can be used to compensate the emissions from other conventional power plant and achieve an energy transition with lower costs. Furthermore, it was also found that pyrolysis can also reduce the need of flexibility. This study also shows that the biomass potential and the pyrolysis costs can affect a lot the behaviour of pyrolysis in the energy system.
The identification of vulnerabilities is an important element of the software development process to ensure the security of software. Vulnerability identification based on the source code is a well studied field. To find vulnerabilities on the basis of a binary executable without the corresponding source code is more challenging. Recent research has shown how such detection can be performed statically and thus runtime efficiently by using deep learning methods for certain types of vulnerabilities.
This thesis aims to examine to what extent this identification can be applied sufficiently for a variety of vulnerabilities. Therefore, a supervised deep learning approach using recurrent neural networks for the application of vulnerability detection based on binary executables is used. For this purpose, a dataset with 50,651 samples of 23 different vulnerabilities in the form of a standardised LLVM Intermediate Representation was prepared. The vectorised features of a Word2Vec model were then used to train different variations of three basic architectures of recurrent neural networks (GRU, LSTM, SRNN). For this purpose, a binary classification was trained for the presence of an arbitrary vulnerability, and a multi-class model was trained for the identification of the exact vulnerability, which achieved an out-of-sample accuracy of 88% and 77%, respectively. Differences in the detection of different vulnerabilities were also observed, with non-vulnerable samples being detected with a particularly high precision of over 98%. Thus, the methodology presented allows an accurate detection of vulnerabilities, as well as a strong limitation of the analysis scope for further analysis steps.
The status quo of PROFINET, a commonly used industrial Ethernet standard, provides no inherent security in its communication protocols. In this thesis an approach for protecting real-time PROFINET RTC messages against spoofing, tampering and optionally information disclosure is specified and implemented into a real-world prototype setup. Therefor authenticated encryption is used, which relies on symmetric cipher schemes. In addition a procedure to update the used symmetric encryption key in a bumpless manner, e.g. without interrupting the real-time communication, is introduced and realized.
The concept for protecting the PROFINET RTC messages was developed in collaboration with a task group within the security working group of PROFINET International. The author of this thesis has also been part of that task group. This thesis contributes by proofing the practicability of the concept in a real-world prototype setup, which consists of three FPGA-based development boards that communicate with each other to showcase bumpless key updates.
To enable a bumpless key update without disturbing the deterministic real-time traffic by dedicated messages, the key update annunciation and status is embedded into the header. By provisioning two key slots, of which only one is in used, while the other is being prepared, a well-synchronized coordinated switch between the receiver and the sender performs the key update.
The developed prototype setup allows to test the concept and builds the foundation for further research and implementation activities, e.g. the impact of cryptographic operations onto the processing time.
Steroid hormones (SHs) are a rising concern due to their high bioactivity, ubiquitous nature, and prolonged existence as a micropollutants in water, they pose a potential risk to both human health and the environment, even at low concentrations. Estrogens, progesterone, and testosterone are the three important types of steroids essential for human development and maintaining multiorgan balance, are focus to this concern. These steroid hormones originate
from various sources, including human and livestock excretions, veterinary medications, agricultural runoff, and pharmaceuticals, contributing to their presence in the environment. According to the recommendation of WHO, the guidance value for estradiol (E2) is 1 ng/L. There are several methods been attempted to remove the SH micropollutant by conventional water and wastewater technologies which are still under research. Among the various methods, electrochemical membrane reactor (EMR) is one of the emerging technologies that can address the challenge of insufficient SHs removal from the aquatic environment by conventional treatment. The degradation of SHs can be significantly influenced by various factors when treated with EMR.
In this project, the removal of SH and the important mechanism for the removal using carbon nanotube CNT-EMR is studied and the efficiency of CNT-EMR in treating the SH micropollutant is identified. By varying different parameters this experiment is carried out with the (PES-CNTs) ultrafiltration membrane. The study is carried out depending upon the SH removal based on the limiting factor such as cell voltage, flux, temperature, concentration, and type of the SH.
In dieser Arbeit geht es um das Thema des digitalisierten Scrum Prozesses. Scrum ist eine agile Projektmanagement Methode und ist mittlerweile nicht mehr aus der Softwarebranche wegzudenken.
Die Forschungsfrage, mit der sich dieser wissenschaftlichen Arbeit beschäftigt, lautet:
Wie lässt sich der Scrum Prozess bei der App-Entwicklung mittels einer geeigneten Softwarelösung effizienter durchführen?
Dabei wird zunächst die aktuelle Situation der eyeworkers GmbH in Bezug auf den Einsatz von Softwarelösungen im Projektmanagement beleuchtet und vorhandene Probleme her- ausgearbeitet.
Danach werden mit Hilfe einer Anforderungserhebung und -Analyse alle Anforderungen gesammelt und analysiert, die das Scrum Team und die Geschäftsleitung der Agentur an die gesuchte Softwarelösung stellen.
Im weiteren Schritt wird durch die Filterung eines Generators, der sich mit Scrum Software- lösungen befasst, eine Vorauswahl für weitere Einzelanalyse potenzieller Anwendungen durchgeführt. Diese Auswahl wird weiter verfeinert, sodass am Ende nur noch drei Systeme übrigbleiben, denen eine weitere Analyse unterzogen wird.
Bei den Einzelanalysen werden die drei Softwarelösungen – Jira, GitLab und Hansoft – auf die Erfüllung aller gesammelten Anforderungen geprüft. Dabei erweist sich die Jira Software als das am besten geeignetste Projektmanagement Tool für die Durchführung des Projekts „Die Sitema-App“.
Im vorletzten Schritt wird der Prozess mit der Anwendung GitLab durchlaufen und kritisch evaluiert um der Software dann die Empfehlung, Jira, gegenüberzustellen und herauszuarbeiten, wie der Verlauf mit dieser Software von Statten gegangen wäre. Dies beruht auf Annahmen der Verfasserin.
Zuletzt werden alle Forschungsergebnisse noch einmal zusammengefasst und ein Ausblick in die zukünftige Nutzung agiler Projektmanagement Tools bei der eyeworkers GmbH gegeben.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, inwiefern sich der Einsatz und die Produktion von Lernvideos an baden-württembergischen Berufsschulen aus der Per-spektive von Lehrpersonen auf Lehr- und Lernprozesse auswirken. Auf den ersten Blick ein sehr fokussierter Blick auf ein Randthema, auf eine von vielen didaktischen Möglich-keiten des Unterrichtens. Lernvideos – also irgendeine Methode, die sich aus den tech-nischen Möglichkeiten der digitalen Medien ergeben und eine zeitgemäße Weiterent-wicklung von Overhead-Projektor und Lehrbuch bedeuten. Dies wäre ein sehr verkürzter Blick, ja ein falscher auf dieses Thema. Nicht die technische Umsetzung, nicht die Er-gänzung des didaktischen Methodenpools steht im Vordergrund. Es geht um eine ganz grundsätzliche Sicht auf das Lehren und Lernen an Schulen, um die Kompetenzen, die bei den Schülern als output angestrebt werden, um die Anforderungen und Erwartun-gen welche die Gesellschaft – und vor allem die Arbeitswelt - zukünftig an die heran-wachsenden Generationen stellt.
DigitalPakt Schule der Bundesregierung , Industrie 4.0 , Berufsbildung 4.0 sind neue und umfassende Programme, um einen weiteren großen Schritt bei der so genannten digitalen Revolution zu gehen. Digitale Kompetenz, so formuliert das zuständige Minis-terium für Bildung und Forschung zur Begründung des DigitalPakts Schule, ist
„[…] von entscheidender Bedeutung für jeden und jede Einzelne, um digitale Medien selbst-bestimmt und verantwortungsvoll nutzen zu können und um gute Chancen auf dem Ar-beitsmarkt zu haben; und für die Gesellschaft, um Demokratie und Wohlstand im 21. Jahr-hundert zu erhalten.“
Auch innerhalb des Schulsystems wird seit langem geforscht und werden Handlungsempfehlungen herausgearbeitet, wie das System Schule auf die Digitalisierung aller Lebensbereiche reagieren muss. Später wird darauf noch näher eingegangen. Beispielhaft eine Aussage einer vom zuständigen Ministerium in Auftrag gegebenen Studie die festhält: Statt Wissensanhäufung und ‚Lernen auf Vorrat‘ sind andere Kompetenzen gefragt: In praxisbezogenen Problemstellungen soll Wissen angewendet werden. Dazu muss neues Wissen selbständig erarbeitet, neue Informationen recherchiert werden. Lernen und Arbeiten wachsen daher immer stärker zusammen.
Es geht also bei aller Integration der so genannten ‚Neuen Medien‘ in den Unterrichts-alltag an Schulen immer um die Prozess- und Ergebnisqualität des Lernprozesses.
Diese Vorgehensweise bietet auch ein Korrektiv in diesem Tempo der Veränderung, damit nicht jegliche Form der Digitalisierung per se als fortschrittlich und gut bewertet wird, sondern auf den qualitativen Prüfstand gestellt wird. Nicht die technische Mach-barkeit bestimmt den Fortschritt, sondern die Gütekriterien für eine gute Didaktik.
Ein weiterer Aspekt dieses Themenbereichs ist, dass bei der didaktischen Nut-zung von Lernvideos die Schule nicht Vorreiter oder gar Erfinder war. Die JIM-Studie aus dem Jahr 2016 zeigt, dass 87% der Jugendlichen und jungen Erwachsenen durchschnitt-lich 200 Minuten pro Tag im Internet surfen um sich zu informieren sowie zur Unterhal-tung. Weiter sehen sich 81% der Befragten mehrmals wöchentlich Videos im Internet an. Dabei steht die Nutzung des Online Portals YouTube an erster Stelle. Das Medium Film ist zusammenhängend als Leitmedium junger Erwachsener anzusehen und bedarf dementsprechend besonderer Aufmerksamkeit. Um nicht einer naiven Fortschrittsgläu-bigkeit zu verfallen soll daher der Einsatz von Lernvideos an baden-württembergischen Berufsschulen anhand einer qualitativen Forschung untersucht werden. Auch aufgrund der noch geringen Verbreitung dieser Lehr- und Lernform würde bei einer quantitativen Vorgehensweise kein ausreichendes Datenmaterial zur Verfügung stehen. Die vorlie-gende Arbeit fokussiert die Einbeziehung vorgefertigter Lernvideos in den Unterricht wie auch die eigene Herstellung und die damit verbundenen Lernprozesse. Da Lernvi-deos – zumindest von Ihrer Definition - eine sehr umfassende Möglichkeit selbstgesteu-erten Lernens beinhalten sollen, wird der Frage nachgegangen, ob Lernvideos auch im Rahmen von ‚Flipped Classroom‘ Anwendung finden können.
Aufgrund bisheriger Erfahrungen und theoretischen Auseinandersetzungen des Autors mit den Themen Film und digitale Medien wird der Arbeit folgende Hypothese vorweg-gestellt:
Der Einsatz und die Herstellung von Lernvideos im Unterricht an Berufsschu-len steigert die Prozess- wie auch die Ergebnisqualität des Unterrichts.
Die Auswertung wird zeigen, ob diese Lehr- und Lernmethode ein Baustein ist, die di-daktische Qualität des Unterrichts an die Anforderungen der digitalen Revolution anzu-passen.
Konkret soll die medienpädagogische Untersuchung auf Grundlage von 3 Forschungs-fragen durchgeführt werden.
1. Wie beeinflusst der Einsatz und die Herstellung von Lernvideos im Unterricht an beruflichen Schulen die Lehrer/Schüler Interaktion und wie verändert sich die Rolle der Lehrperson?
2. Wie wirken sich der Einsatz und die Herstellung von Lernvideos auf die Qualität des Unterrichts aus und lässt sich ein höherer Lernerfolg bei den Schülerinnen und Schülern feststellen?
3. Welche Rahmenbedingungen müssen an den Berufsschulen vorhanden sein, um diese Lehr- und Lernmethode gut integrieren zu können.
Aufbau und Ablauf dieser medienpädagogischen Untersuchung gliedert sich wie folgt: In Kapitel 2 findet eine Auseinandersetzung mit den mannigfaltigen Begrifflichkeiten statt, die in der Diskussion verwendet werden. Digitale Kompetenz, Medienkompetenz, Medi-enbildung, Medienpädagogik, sind Begriffe, die teilweise synonym verwendet werden, dadurch aber nicht zu Klarheit und Präzision führen. Oftmals entstehen aufgrund dieses Problems Verwirrungen, die für den Bereich beruflicher Praxis wenig hilfreich sind.
In Ableitung daraus soll das Thema in der bildungspolitischen Diskussion veror-tet werden, aber auch untersucht, inwieweit Gütekriterien für guten Unterricht in die Arbeit mit digitalen Medien integriert werden können. Im 3. Kapitel wird genauer auf die theoretischen Erkenntnisse und Forderungen der Lerntheorie eingegangen, mit Hilfe der Aspekte konstruktivistisches, kooperatives und selbstgesteuertes Lernen. Daraus folgernd, wie dieses Verständnis über Lernprozesse bei der Arbeit mit Lernvideos im Unterricht didaktisch umgesetzt werden kann. Im 4. Kapitel wird, ausgehend von einer kurzen theoretischen Begründung der qualitativen Sozialforschung, das Forschungsdes-ign beschrieben und ein Leitfaden für die Experteninterviews entwickeln. Nach Auswer-tung der transkribierten Gespräche werden die gewonnen Erkenntnisse auf die For-schungsfragen und die Erkenntnisse des Theorieteils bezogen.
Wünschenswert wäre, wenn diese Arbeit einen kleinen Baustein in die Diskussion eingebringen kann, wie die Formen heutiger Wissens- und Informationsverarbeitung sowie die prognostizierten Anforderungen der Arbeitswelt, in die Didaktik schulischen Lernens eingehen können.