TY  - THES
A1  - Herrmann, Christian
T1  - Robotic Motion Compensation for Applications in Radiation Oncology
T1  - Robotergestützte Bewegungskompensation für Anwendungen in der Radioonkologie
N2  - Aufgrund vieler Verbesserungen der Behandlungsmethoden im Laufe der letzten 60 Jahre, erlaubt die Strahlentherapie heutzutage präzise Behandlungen von statischen Tumoren. Jedoch birgt die Bestrahlung von sich bewegenden Tumoren noch große Herausforderungen in sich, da bewegliche Tumore oft den Behandlungsstrahl verlassen. Dabei reduziert sich die Strahlendosis im Tumor während sich diese im umliegenden gesunden Gewebe erhöht. Diese Forschungsarbeit zielt darauf ab, die Grenzen der Strahlentherapie zu erweitern, um präzise Behandlungen von beweglichen Tumoren zu ermöglichen. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Erstellung eines Echtzeitsystems zur aktiven Kompensation von Tumorbewegungen durch robotergestützte Methoden. Während Behandlungen befinden sich Patienten auf einer Patientenliege, mit der statische Lagerungsfehler vor Beginn einer Behandlung korrigiert werden. Die in dieser Arbeit verwendete Patientenliege "HexaPOD" ist ein paralleler Manipulator mit sechs Freiheitsgraden, der große Lasten innerhalb eines eingeschränkten Arbeitsbereichs präzise positionieren kann. Obwohl der HexaPOD ursprünglich nicht für dynamische Anwendungen konzipiert wurde, wird dieser für eine dauerhafte Bewegungskompensation eingesetzt, in dem Patienten so bewegt werden, dass Tumore präzise im Zentralstrahl während der Dauer einer gesamten Behandlung verbleiben. Um ein echtzeitfähiges Kompensationssystem auf Basis des HexaPODs zu realisieren, muss eine Reihe an Herausforderungen bewältigt werden. Echtzeitaspekte werden einerseits durch die Verwendung eines harten Echtzeitbetriebssystems abgedeckt, andererseits durch die Messung und Schätzung von Latenzzeiten aller physikalischen Größen im System, z.B. Messungen der Tumor- und Atemposition. Neben der konsistenten und durchgängigen Berücksichtigung von akkuraten Zeitinformation, werden alle software-induzierten Latenzen adaptiv ausgeglichen. Dies erfordert Vorhersagen der Tumorposition in die nahe Zukunft. Zahlreiche Prädiktoren zur Atem- und Tumorpositionsvorhersage werden vorgeschlagen und anhand verschiedenster Metriken evaluiert. Erweiterungen der Prädiktionsalgorithmen werden eingeführt, die sowohl Atem- als auch Tumorpositionsinformationen fusionieren, um Vorhersagen ohne explizites Korrelationsmodell zu ermöglichen. Die Vorhersagen bestimmen den zukünftigen Bewegungspfad des HexaPODs, um Tumorbewegungen zu kompensieren. Dazu werden verschiedene Regler entwickelt, die eine Trajektorienverfolgung mit dem HexaPOD ermöglichen. Auf der Basis von linearer und nicht-linearer dynamischer Modellierung des HexaPODs mit Methoden der Systemidentifikation, wird zunächst ein modellprädiktiver Regler entwickelt. Ein zweiter Regler wird auf Basis einer Annahme über das Arbeitsprinzip des internen Reglers im HexaPOD entworfen. Schließlich wird ein dritter Regler vorgeschlagen, der beide vorhergehenden Regler miteinander kombiniert. Für jeden dieser Regler werden vergleichende Ergebnisse aus Experimenten mit realer Hardware und menschlichen Versuchspersonen präsentiert und diskutiert. Darüber hinaus wird die geeignete Wahl von freien Parametern in den Reglern vorgestellt. Neben einer präzisen Verfolgung der Referenztrajektorie spielt der Patientenkomfort eine entscheidende Rolle für die Akzeptanz des Systems. Es wird gezeigt, dass die Regler glatte Trajektorien realisieren können, um zu garantieren, dass sich Patienten wohl fühlen während ihre Tumorbewegung mit Genauigkeiten im Submillimeterbereich ausgeglichen wird. Gesamtfehler werden im Kompensationssystem analysiert, in dem diese zu Trajektorienverfolgungsfehlern und Prädiktionsfehlern in Beziehung gesetzt werden. Durch Ausnutzung von Eigenschaften verschiedener Prädiktoren wird gezeigt, dass die Startzeit des Systems bis die Verfolgung der Referenztrajektorie erreicht ist, wenige Sekunden beträgt. Dies gilt insbesondere für den Fall eines initial ruhenden HexaPODs und ohne Vorwissen über Tumorbewegungen. Dies zeigt die Eignung des Systems für die sehr kurz fraktionierten Behandlungen von Lungentumoren. Das Tumorkompensationssystem wurde ausschließlich auf Basis von klinischer Standard-Hardware entwickelt, die in vielen Behandlungsräumen zu finden ist. Durch ein einfaches und flexibles Design können Behandlungsräume in kosteneffizienter Weise um Möglichkeiten der Bewegungskompensation ergänzt werden. Darüber hinaus werden aktuelle Behandlungsmethoden wie intensitätsmodulierte Strahlentherapie oder Volumetric Modulated Arc Therapy in keiner Weise eingeschränkt. Aufgrund der Unterstützung verschiedener Kompensationsmodi kann das System auf alle beweglichen Tumore angewendet werden, unabhängig davon ob die Bewegungen vorhersagbar (Lungentumore) oder nicht vorhersagbar (Prostatatumore) sind. Durch Integration von geeigneten Methoden zur Tumorpositionsbestimmung kann das System auf einfache Weise zur Kompensation von anderen Tumoren erweitert werden.
N2  - Radiation therapy today, on account of improvements in treatment procedures over the last 60 years, allows precise treatment of static tumors inside the human body. However, irradiation of moving tumors is still a challenging task as moving tumors often leave the treatment beam and the radiation dose delivered to the tumor reduces simultaneously increasing that on healthy tissue. This research work aims to push the frontiers of radiation therapy in order to enable precise treatment of moving tumors with focus on research and development of a unique real-time system enabling active motion compensation through robotic means to compensate tumor motion. During treatment, patients lie on a treatment couch which is normally used for static position corrections of patient set-up errors prior to radiation treatment. The treatment couch used, called HexaPOD, is a parallel manipulator with six degrees of freedom which can precisely position heavy loads inside a small region. Despite the HexaPOD not initially built with dynamics in mind, it is used in this work for sustained motion compensation by moving patients such that tumors stay precisely located at the center of the treatment beam during the complete course of treatment. In order to realize real-time tumor motion compensation by means of the HexaPOD, several challanges need to be addressed. Real-time aspects are covered by the adoption of a hard real-time operation system in combination with measurement and estimation of latencies of all physical quantities in the compensation system such as tumor or breathing position measurements. Accurate timing information is respected consistently in the whole system and all software-induced latencies are adaptively compensated for. This requires knowledge of future tumor positions from predictors. Several predictors for breathing and tumor motion predictions are proposed and evaluated in terms of a variety of different performance metrics. Extensions to prediction algorithms are introduced fusing both breathing and tumor position information to allow for predictions without the need of an explicit correlation model. Predictions determine the future motion path of the HexaPOD in order to compensate for tumor motion. Several control schemes are developed to enable reference tracking for the HexaPOD. Based on linear and non-linear dynamic modelling of the HexaPOD with system identification methods, a first controller is derived in the form of a model predictive controller. A second controller is proposed based on an assumption of the working principle of the HexaPOD's internal controller. Finally, a third controller is derived as combination of the first and second one. For each of these controllers, comparative results with real hardware experiments and humans in the loop as well as choices of free parameters are presented and discussed. Apart from precise tracking, emphasis is placed on patient comfort which is of crucial importance for acceptance of the system. It is demonstrated that smooth trajectories can be realized by the controllers to guarantee that patients feel comfortable while their tumor motion is compensated at sub-millimeter accuracies. Overall errors of the system are analyzed by relating them to tracking and prediction errors. By exploiting the properties of different predictors, it is shown that the startup time until tracking is reached can be reduced to only a few seconds, even in the case of an initially at-rest HexaPOD and with no initial knowledge of tumor motion. This makes the system especially suitable for the relatively short-fractionated treatment sessions for lung tumors. The tumor motion compensation system has been developed solely based on standard clinical hardware, found in most treatment rooms. With a simple and flexible design, existing treatment can be updated in a cost-efficient way to introduce motion compensation capabilities. Simultaneously, the system does not impose any constraints on state-of-the-art treatment types such as intensity modulated radiotherapy or volumetric modulated arc therapy. Supporting different compensation modes, the system can be applied to any moving tumor whether its motion is predictable (lung tumors) or unpredictable (prostate tumors). By integration of adequate tumor position determination methods, the system can be easily extended to other tumors as well.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 7 
KW  - Robotik
KW  - Bewegungskompensation
KW  - Regelung
KW  - Strahlentherapie
KW  - Vorhersage
KW  - Tumorbewegung
KW  - Echzeit
KW  - Prediction
KW  - Tumor motion
KW  - Real-time
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79045
SN  - 978-3-923959-88-4
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herrler, Rainer
T1  - Agentenbasierte Simulation zur Ablaufoptimierung in Krankenhäusern und anderen verteilten, dynamischen Umgebungen
T1  - Agent based simulation of processes in hospitals and other distributed, dynamic environments.
N2  - Verteilte dynamische Systeme unter lokalen und globalen Gesichtspunkten zu optimieren ist eine schwierige Aufgabe. Zwar sind grundsätzliche Auswirkungen einzelner Maßnahmen häufig bekannt, durch widerstrebende Ziele, Wechselwirkungen zwischen Prozessen und Nebenwirkungen von Maßnahmen ist ein analytisches Vorgehen bei der Optimierung nicht möglich. Besonders schwierig wird es, wenn lokale Einheiten einerseits ihre Ziele und Autonomie behalten sollen, aber durch zentrale Vorgaben bzw. Anreize so gesteuert werden sollen, dass ein übergeordnetes Ziel erreicht wird. Ein praktisches Beispiel dieses allgemeinen Optimierungsproblems findet sich im Gesundheitswesen. Das Management von modernen Kliniken ist stets mit dem Problem konfrontiert, die Qualität der Pflege zu gewährleisten und gleichzeitig kosteneffizient zu arbeiten. Hier gilt es unter gegeben Rahmenbedingungen und bei Respektierung der Autonomie der Funktionseinheiten, Optimierungsmaßnahmen zu finden und durchzuführen. Vorhandene Werkzeuge zur Simulation und Modellierung bieten für diese Aufgabe keine ausreichend guten Vorgehensmodelle und Modellierungsmechanismen. Die agentenbasierte Simulation ermöglicht die Abbildung solcher Systeme und die Durchführung von Simulationsexperimenten zur Bewertung einzelner Maßnahmen. Es werden Lösungswege und Werkzeuge vorgestellt und evaluiert, die den Benutzer bei der Formalisierung des Wissens und der Modellierung solch komplexer Szenarien unterstützen und ein systematisches Vorgehen zur Optimierung ermöglichen.
N2  - To optimize distributed dynamic systems or organizations under local and global constraints is a difficult task. Although basic effects of single improvement steps are often known, it is difficult to examine a complex system with conflicting goals, interdependent processes and sideeffects. A special situation occurs, when local entities are supposed to keep autonomy but should be directed by a central instance, to reach a global goal. A concrete example of this optimization problem can be found in health care. The management of modern hospitals has to ensure the quality of service and at the same time work cost efficient. They want to find improvement steps, which on the one hand respect the typical local autonomy of functional units and on the other hand reduce cost factors like the avarage stay duration of patients. Existing tools for modelling and simulation don't provide adequate methodologies and techniques for this problem. Agent based simulation allowes to realize suitable models and finding improvement steps in simulation studies. New approaches and tools are presented and evaluated, that support users in knowledge formalization and model building.
KW  - Simulation
KW  - Prozessoptimierung
KW  - Modellierung
KW  - Mehragentensystem
KW  - Krankenhaus
KW  - Simulation
KW  - Process Optimization
KW  - Agentbased System
KW  - Hospital
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-24483
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hentschel, Simon
A1  - Kobs, Konstantin
A1  - Hotho, Andreas
T1  - CLIP knows image aesthetics
JF  - Frontiers in Artificial Intelligence
N2  - Most Image Aesthetic Assessment (IAA) methods use a pretrained ImageNet classification model as a base to fine-tune. We hypothesize that content classification is not an optimal pretraining task for IAA, since the task discourages the extraction of features that are useful for IAA, e.g., composition, lighting, or style. On the other hand, we argue that the Contrastive Language-Image Pretraining (CLIP) model is a better base for IAA models, since it has been trained using natural language supervision. Due to the rich nature of language, CLIP needs to learn a broad range of image features that correlate with sentences describing the image content, composition, environments, and even subjective feelings about the image. While it has been shown that CLIP extracts features useful for content classification tasks, its suitability for tasks that require the extraction of style-based features like IAA has not yet been shown. We test our hypothesis by conducting a three-step study, investigating the usefulness of features extracted by CLIP compared to features obtained from the last layer of a comparable ImageNet classification model. In each step, we get more computationally expensive. First, we engineer natural language prompts that let CLIP assess an image's aesthetic without adjusting any weights in the model. To overcome the challenge that CLIP's prompting only is applicable to classification tasks, we propose a simple but effective strategy to convert multiple prompts to a continuous scalar as required when predicting an image's mean aesthetic score. Second, we train a linear regression on the AVA dataset using image features obtained by CLIP's image encoder. The resulting model outperforms a linear regression trained on features from an ImageNet classification model. It also shows competitive performance with fully fine-tuned networks based on ImageNet, while only training a single layer. Finally, by fine-tuning CLIP's image encoder on the AVA dataset, we show that CLIP only needs a fraction of training epochs to converge, while also performing better than a fine-tuned ImageNet model. Overall, our experiments suggest that CLIP is better suited as a base model for IAA methods than ImageNet pretrained networks.
KW  - Image Aesthetic Assessment
KW  - CLIP
KW  - language-image pre-training
KW  - text supervision
KW  - prompt engineering
KW  - AVA
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-297150
SN  - 2624-8212
VL  - 5
ER  - 
TY  - THES
A1  - Henjes, Robert
T1  - Performance Evaluation of Publish/Subscribe Middleware Architectures
T1  - Leistungsuntersuchung von Publish/Subscribe Middleware Architekturen
N2  - While developing modern applications, it is necessary to ensure an efficient and performant communication between different applications. In current environments, a middleware software is used, which supports the publish/subscribe communication pattern. Using this communication pattern, a publisher sends information encapsulated in messages to the middleware. A subscriber registers its interests at the middleware. The monograph describes three different steps to determine the performance of such a system. In a first step, the message throughput performance of a publish/subscribe in different scenarios is measured using a Java Message Service (JMS) based implementation. In the second step the maximum achievable message throughput is described by adapted models depending on the filter complexity and the replication grade. Using the model, the performance characteristics of a specific system in a given scenario can be determined. These numbers are used for the queuing model described in the third part of the thesis, which supports the dimensioning of a system in realistic scenarios. Additionally, we introduce a method to approximate an M/G/1 system numerically in an efficient way, which can be used for real time analysis to predict the expected performance in a certain scenario. Finally, the analytical model is used to investigate different possibilities to ensure the scalability of the maximum achievable message throughput of the overall system.
N2  - Bei der Entwicklung moderner Applikationen ist es notwendig eine effiziente und performante Kommunikation zwischen den einzelnen Anwendungen sicherzustellen. In der Praxis kommt dabei eine Middleware Software zum Einsatz, die das Publish/Subscribe Kommunikationsmuster unterstützt. Dabei senden Publisher Informationen in Form von Nachrichten an die Middleware. Die Subscriber hingegen zeigen durch die Nutzung von Filtern der Middleware an, welche Informationen zugestellt werden sollen. Die Arbeit beschreibt ein dreistufiges Verfahren zur Leistungsbestimmung eines solchen Systems. Zunächst wird durch Messung die Leistung von Publish/Subscribe Systemen in verschiedenen Szenarien untersucht am Beispiel von Java Message Service (JMS) basierten Implementierungen. Danach wird der maximale Nachrichtendurchsatz in Abhängigkeit der Filterkomplexität und des Nachrichtenreplikationsgrades durch einfache Modelle beschrieben. Damit können die Leistungskennwerte für ein System und vorgegebenen Randbedingungen beschrieben werden. Im dritten Teil wird mittels Leistungsbewertung und durch Anwendung eines Warteschlangenmodells die Leistung in praxisnahen Umfeld beschrieben, so dass eine Dimensionierung möglich wird. Zusätzlich wird ein mathematisch, approximatives Verfahren vorgestellt, um ein M/G/1 System numerisch effizient berechnen zu können, was bei der Echtzeitbewertung eines Systems zur Leistungsvorhersage benutzt werden kann. Des Weiteren werden mittels des Modells Möglichkeiten untersucht die Skalierbarkeit des Gesamtsystems in Bezug auf den Nachrichtendurchsatz sicherzustellen.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 04/10 
KW  - Middleware
KW  - Publish-Subscribe-System
KW  - Java Message Service
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Middleware
KW  - Publish-Subscribe-System
KW  - Java Message Service
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53388
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hein, Rebecca M.
A1  - Wienrich, Carolin
A1  - Latoschik, Marc E.
T1  - A systematic review of foreign language learning with immersive technologies (2001-2020)
JF  - AIMS Electronics and Electrical Engineering
N2  - This study provides a systematic literature review of research (2001–2020) in the field of teaching and learning a foreign language and intercultural learning using immersive technologies. Based on 2507 sources, 54 articles were selected according to a predefined selection criteria. The review is aimed at providing information about which immersive interventions are being used for foreign language learning and teaching and where potential research gaps exist. The papers were analyzed and coded according to the following categories: (1) investigation form and education level, (2) degree of immersion, and technology used, (3) predictors, and (4) criterions. The review identified key research findings relating the use of immersive technologies for learning and teaching a foreign language and intercultural learning at cognitive, affective, and conative levels. The findings revealed research gaps in the area of teachers as a target group, and virtual reality (VR) as a fully immersive intervention form. Furthermore, the studies reviewed rarely examined behavior, and implicit measurements related to inter- and trans-cultural learning and teaching. Inter- and transcultural learning and teaching especially is an underrepresented investigation subject. Finally, concrete suggestions for future research are given. The systematic review contributes to the challenge of interdisciplinary cooperation between pedagogy, foreign language didactics, and Human-Computer Interaction to achieve innovative teaching-learning formats and a successful digital transformation.
KW  - foreign language learning and teaching
KW  - intercultural learning and teaching
KW  - immersive technologies
KW  - education
KW  - human-computer interaction
KW  - systematic literature review
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-268811
VL  - 5
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Hein, Rebecca M.
A1  - Latoschik, Marc Erich
A1  - Wienrich, Carolin
T1  - Inter- and transcultural learning in cocial virtual reality: a proposal for an inter- and transcultural virtual object database to be used in the implementation, reflection, and evaluation of virtual encounters
JF  - Multimodal Technologies and Interaction
N2  - Visual stimuli are frequently used to improve memory, language learning or perception, and understanding of metacognitive processes. However, in virtual reality (VR), there are few systematically and empirically derived databases. This paper proposes the first collection of virtual objects based on empirical evaluation for inter-and transcultural encounters between English- and German-speaking learners. We used explicit and implicit measurement methods to identify cultural associations and the degree of stereotypical perception for each virtual stimuli (n = 293) through two online studies, including native German and English-speaking participants. The analysis resulted in a final well-describable database of 128 objects (called InteractionSuitcase). In future applications, the objects can be used as a great interaction or conversation asset and behavioral measurement tool in social VR applications, especially in the field of foreign language education. For example, encounters can use the objects to describe their culture, or teachers can intuitively assess stereotyped attitudes of the encounters.
KW  - virtual stimuli
KW  - implicit association test
KW  - virtual reality
KW  - social VR
KW  - InteractionSuitcase
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-278974
SN  - 2414-4088
VL  - 6
IS  - 7
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heck, Klaus
T1  - Wireless LAN performance studies in the context of 4G networks
N2  - Wireless communication is nothing new. The first data transmissions based on electromagnetic waves have been successfully performed at the end of the 19th century. However, it took almost another century until the technology was ripe for mass market. The first mobile communication systems based on the transmission of digital data were introduced in the late 1980s. Within just a couple of years they have caused a revolution in the way people communicate. The number of cellular phones started to outnumber the fixed telephone lines in many countries and is still rising. New technologies in 3G systems, such as UMTS, allow higher data rates and support various kinds of multimedia services. Nevertheless, the end of the road in wireless communication is far from being reached. In the near future, the Internet and cellular phone systems are expected to be integrated to a new form of wireless system. Bandwidth requirements for a rich set of wireless services, e.g.\ video telephony, video streaming, online gaming, will be easily met. The transmission of voice data will just be another IP based service. On the other hand, building such a system is by far not an easy task. The problems in the development of the UMTS system showed the high complexity of wireless systems with support for bandwidth-hungry, IP-based services. But the technological challenges are just one difficulty. Telecommunication systems are planned on a world-wide basis, such that standard bodies, governments, institutions, hardware vendors, and service providers have to find agreements and compromises on a number of different topics. In this work, we provide the reader with a discussion of many of the topics involved in the planning of a Wireless LAN system that is capable of being integrated into the 4th generation mobile networks (4G) that is being discussed nowadays. Therefore, it has to be able to cope with interactive voice and video traffic while still offering high data rates for best effort traffic. Let us assume a scenario where a huge office complex is completely covered with Wireless LAN access points. Different antenna systems are applied in order to reduce the number of access points that are needed on the one hand, while optimizing the coverage on the other. No additional infrastructure is implemented. Our goal is to evaluate whether the Wireless LAN technology is capable of dealing with the various demands of such a scenario. First, each single access point has to be capable of supporting best-effort and Quality of Service (QoS) demanding applications simultaneously. The IT infrastructure in our scenario consists solely of Wireless LAN, such that it has to allow users surfing the Web, while others are involved in voice calls or video conferences. Then, there is the problem of overlapping cells. Users attached to one access point produce interference for others. However, the QoS support has to be maintained, which is not an easy task. Finally, there are nomadic users, which roam from one Wireless LAN cell to another even during a voice call. There are mechanisms in the standard that allow for mobility, but their capabilities for QoS support are yet to be studied. This shows the large number of unresolved issues when it comes to Wireless LAN in the context of 4G networks. In this work we want to tackle some of the problems.
KW  - Drahtloses lokales Netz
KW  - Wireless LAN
KW  - Voice-over-IP (VoIP)
KW  - Quality-of-Service (QoS)
KW  - IEEE 802.11e
KW  - 4G Networks
KW  - Wireless LAN
KW  - Voice-over-IP (VoIP)
KW  - Quality-of-Service (QoS)
KW  - IEEE 802.11e
KW  - 4G Networks
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14896
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Hasslinger, Gerhard
A1  - Ntougias, Konstantinos
A1  - Hasslinger, Frank
A1  - Hohlfeld, Oliver
T1  - Performance Analysis of Basic Web Caching Strategies (LFU, LRU, FIFO, ...) with Time-To-Live Data Validation
T2  - KuVS Fachgespräch - Würzburg Workshop on Modeling, Analysis and Simulation of Next-Generation Communication Networks 2023 (WueWoWAS’23)
N2  - Web caches often use a Time-to-live (TTL) limit to validate data consistency with web servers. We study the impact of TTL constraints on the hit ratio of basic strategies in caches of fixed size. We derive analytical results and confirm their accuracy in comparison to simulations. We propose a score-based caching method with awareness of the current TTL per data for improving the hit ratio close to the upper bound.
KW  - LRU
KW  - LFU
KW  - FIFO caching strategies
KW  - hit ratio analysis and simulation
KW  - TTL validation of data consistency
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322048
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hartmann, Matthias
T1  - Optimization and Design of Network Architectures for Future Internet Routing
T1  - Optimierung und Design von Netzwerkarchitekturen für zukünftiges Internet Routing
N2  - At the center of the Internet’s protocol stack stands the Internet Protocol (IP) as a common denominator that enables all communication. To make routing efficient, resilient, and scalable, several aspects must be considered. Care must be taken that traffic is well balanced to make efficient use of the existing network resources, both in failure free operation and in failure scenarios. 

Finding the optimal routing in a network is an NP-complete problem. Therefore, routing optimization is usually performed using heuristics. This dissertation shows that a routing optimized with one objective function is often not good when looking at other objective functions. It can even be worse than unoptimized routing with respect to that objective function. After looking at failure-free routing and traffic distribution in different failure scenarios, the analysis is extended to include the loop-free alternate (LFA) IP fast reroute mechanism. Different application scenarios of LFAs are examined and a special focus is set on the fact that LFAs usually cannot protect all traffic in a network even against single link failures. Thus, the routing optimization for LFAs is targeted on both link utilization and failure coverage. Finally, the pre-congestion notification mechanism PCN for network admission control and overload protection is analyzed and optimized. Different design options for implementing the protocol are compared, before algorithms are developed for the calculation and optimization of protocol parameters and PCN-based routing. 

The second part of the thesis tackles a routing problem that can only be resolved on a global scale. The scalability of the Internet is at risk since a major and intensifying growth of the interdomain routing tables has been observed. Several protocols and architectures are analyzed that can be used to make interdomain routing more scalable. The most promising approach is the locator/identifier (Loc/ID) split architecture which separates routing from host identification. This way, changes in connectivity, mobility of end hosts, or traffic-engineering activities are hidden from the routing in the core of the Internet and the routing tables can be kept much smaller. All of the currently proposed Loc/ID split approaches have their downsides. In particular, the fact that most architectures use the ID for routing outside the Internet’s core is a poor design, which inhibits many of the possible features of a new routing architecture. To better understand the problems and to provide a solution for a scalable routing design that implements a true Loc/ID split, the new GLI-Split protocol is developed in this thesis, which provides separation of global and local routing and uses an ID that is independent from any routing decisions. 

Besides GLI-Split, several other new routing architectures implementing Loc/ID split have been proposed for the Internet. Most of them assume that a mapping system is queried for EID-to-RLOC mappings by an intermediate node at the border of an edge network. When the mapping system is queried by an intermediate node, packets are already on their way towards their destination, and therefore, the mapping system must be fast, scalable, secure, resilient, and should be able to relay packets without locators to nodes that can forward them to the correct destination. The dissertation develops a classification for all proposed mapping system architectures and shows their similarities and differences. Finally, the fast two-level mapping system FIRMS is developed. It includes security and resilience features as well as a relay service for initial packets of a flow when intermediate nodes encounter a cache miss for the EID-to-RLOC mapping.
N2  - Daten durch das Internet werden heutzutage mit dem paketbasierten Internet Protokoll (IP) übertragen. Dezentralisierte Routingprotokolle innerhalb der einzelnen Netze sorgen für eine zielgerichtete Weiterleitung der einzelnen Pakete. Diese verteilten Protokolle können auch im Fehlerfall weiterarbeiten, benötigen aber mitunter sehr lange bis Daten wieder zuverlässig am Ziel ankommen. Um im Betrieb des Internets eine hohe Leistungsfähigkeit auch bei auftretenden Problemfällen zu gewährleisten, müssen die eingesetzten Protokolle optimal eingestellt werden.

Zielfunktionen zur Optimierung paketbasierter Link-State Intradomain-Routingprotokolle:  Ein wichtiger Faktor für die Performanz eines Netzes ist die Auswahl der administrativen Linkkosten, anhand derer die Weiterleitungsentscheidungen im Netz getroffen werden. Mit Hilfe von Modellen für Verkehrsaufkommen und für die darunterliegende Netzarchitektur kann mit geeigneten Optimierungsmethoden das Netz für verschiedene Szenarien bestmöglich eingestellt werden. Von besonderer Wichtigkeit ist hierbei die Auswahl der betrachteten Szenarien und Zielfunktionen für die Optimierung. Eine Routingkonfiguration die optimal für ein bestimmtes Ziel ist, kann beliebig schlecht für ein anderes Ziel sein. Zum Beispiel kann eine Konfiguration, die eine besonders hohe Fehlerabdeckung erreicht, zu einer sehr schlechten Verkehrsverteilung führen. Im Rahmen der Dissertation werden heuristische Optimierungen des Routings für verschiedene Protokolle und Anwendungsszenarien durchgeführt. Darüber hinaus wird eine Pareto-Optimierung implementiert, die gleichzeitig mehrere Ziele optimieren kann. Die Analysen werden zuerst für normales Routing im fehlerfreien Fall und für Fehlerszenarien durchgeführt. Daraufhin werden verschiedenste Anwendungsfälle des IP Fast-Reroute Mechanismus Loop-Free Alternates (LFA) betrachtet. Hier wird insbesondere auf die Problematik eingegangen, dass LFAs in Abhängigkeit vom eingestellten Routing in bestimmten Fehlerfällen nicht angewendet werden können. Beim Optimieren des Routings muss hier zusätzlich zur Lastverteilung auch noch die Maximierung der Fehlerabdeckung berücksichtigt werden. Schließlich folgt eine Untersuchung und Optimierung des Pre-Congestion Notification (PCN) Verfahren zur Netzzugangskontrolle und Überlaststeuerung. Hier werden verschiedene Architekturvarianten des Protokolls miteinander verglichen und Algorithmen zur Berechnung und Optimierung wichtiger Parameter des Protokolls entwickelt. 

Das Wachstum der Routingtabellen im Kern des Internets droht zu einem Skalierbarkeitsproblem zu werden. Ein Grund für diese Problematik ist die duale Funktion der IP-Adresse. Sie wird einerseits zur Identifikation eines Geräts benutzt und andererseits zur Weiterleitung der Daten zu diesem Gerät. Neue Mechanismen und Protokolle die eine Trennung zwischen den beiden Funktionalitäten der IP-Adresse ermöglichen sind potentielle Kandidaten für eine bessere Skalierbarkeit des Internetroutings und damit für die Erhaltung der Funktionalität des Internets.

Design eines neuen Namens- und Routingprotokolls für skalierbares Interdomain-Routing: In der Dissertation werden grundlegende Eigenschaften die zu diesem Problem führen erörtert. Daraufhin werden vorhandene Ansätze zur Verbesserung der Skalierbarkeit des Internetroutings analysiert, und es werden Gemeinsamkeiten wie auch Schwachstellen identifiziert. Auf dieser Basis wird dann ein Protokoll entwickelt, das eine strikte Trennung zwischen Identifikationsadressen (IDs) und routebaren Locator-Adressen einhält. Das GLI-Split genannte Protokoll geht dabei über den einfachen Split von vorhandenen Architekturvorschlägen hinaus und führt eine weitere Adresse ein die nur für das lokale Routing innerhalb eines Endkunden-Netzes benutzt wird. Hierdurch wird die ID eines Endgeräts vollständig unabhängig vom Routing. Durch das GLI-Split Protokoll kann das globale Routing wieder skalierbar gemacht werden. Zusätzlich bietet es viele Vorteile für Netze die das Protokoll einführen, was als Anreiz nötig ist um den Einsatz eines neuen Protokolls zu motivieren. Solch ein Identifier/Locator Split Protokoll benötigt ein Mappingsystem um die Identifier der Endgeräte in routebare Locator-Adressen zu übersetzen. Im letzten Teil der Dissertation wird eine mehrstufige Mapping-Architektur namens FIRMS entwickelt. Über ein hierarchisches Verteilungssystem, das die Adressvergabestruktur der fünf Regionalen Internet Registrare (RIRs) und der darunterliegenden Lokalen Internet Registrare (LIRs) abbildet, werden die erforderlichen Zuordnungstabellen so verteilt, dass jederzeit schnell auf die benötigten Informationen zugegriffen werden kann. Hierbei wird auch besonders auf Sicherheitsaspekte geachtet.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/15 
KW  - Netzwerk
KW  - Routing
KW  - Optimierung
KW  - Netzwerkmanagement
KW  - Optimization
KW  - Future Internet
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-114165
SN  - 1432-8801
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Halbig, Andreas
A1  - Latoschik, Marc Erich
T1  - A systematic review of physiological measurements, factors, methods, and applications in virtual reality
JF  - Frontiers in Virtual Reality
N2  - Measurements of physiological parameters provide an objective, often non-intrusive, and (at least semi-)automatic evaluation and utilization of user behavior. In addition, specific hardware devices of Virtual Reality (VR) often ship with built-in sensors, i.e. eye-tracking and movements sensors. Hence, the combination of physiological measurements and VR applications seems promising. Several approaches have investigated the applicability and benefits of this combination for various fields of applications. However, the range of possible application fields, coupled with potentially useful and beneficial physiological parameters, types of sensor, target variables and factors, and analysis approaches and techniques is manifold. This article provides a systematic overview and an extensive state-of-the-art review of the usage of physiological measurements in VR. We identified 1,119 works that make use of physiological measurements in VR. Within these, we identified 32 approaches that focus on the classification of characteristics of experience, common in VR applications. The first part of this review categorizes the 1,119 works by field of application, i.e. therapy, training, entertainment, and communication and interaction, as well as by the specific target factors and variables measured by the physiological parameters. An additional category summarizes general VR approaches applicable to all specific fields of application since they target typical VR qualities. In the second part of this review, we analyze the target factors and variables regarding the respective methods used for an automatic analysis and, potentially, classification. For example, we highlight which measurement setups have been proven to be sensitive enough to distinguish different levels of arousal, valence, anxiety, stress, or cognitive workload in the virtual realm. This work may prove useful for all researchers wanting to use physiological data in VR and who want to have a good overview of prior approaches taken, their benefits and potential drawbacks.
KW  - virtual reality
KW  - use cases
KW  - sesnsors
KW  - tools
KW  - biosignals
KW  - psychophyisology
KW  - HMD (Head-Mounted Display)
KW  - systematic review
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260503
VL  - 2
ER  -