STARS 3 rd Research Achievement Rapport. Reconfigurability for sustainable Security

STARS 3rd Research Achievement Rapport

Reconfigurability for sustainable Security

Inhoud 1

INLEIDING

3

2

APPLICATIEONDERZOEK

6

2.1 2.2

INRICHTING APPLICATIEONDERZOEK RESULTATEN APPLICATIEONDERZOEK

3

HERCONFIGUREERBAARHEID VAN SENSOREN

4

SYSTEEMCONCEPTEN EN ARCHITECTUREN 4.1 4.2 4.3

5

ARCHITECTUUR RESOURCE ALLOCATIE FUNCTIONELE EVALUATIE EN VALIDATIE

ANALOOG FRONT-END 5.1 5.2 5.3

6

HERCONFIGUREERBARE ANTENNES HERCONFIGUREERBARE ONTVANGERS HERCONFIGUREERBARE ZENDERS

DIGITALE SIGNAALVERWERKING 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

7

HERCONFIGUREERBARE ARCHITECTUREN MULTI-PROCESSOR SYSTEM-ON-CHIP (MP-SOC) RUN TIME MAPPING DATAFLOW BETROUWBAARHEID

SOFTWARE, ALGORITMES EN METHODOLOGIE 7.1 7.2

8

STARS-PLATFORM EN DEMONSTRATIE CELIX ALS OSGI-STANDAARD

KANSEN 8.1 8.2 8.3

9

MAATSCHAPPELIJKE VEILIGHEID DEFENSIE SPILL-OVER

IMPACT 9.1 9.2 9.3 9.4

10

VERSTERKING VAN DE NEDERLANDSE KENNIS-INFRASTRUCTUUR MAATSCHAPPELIJKE VEILIGHEIDSDOMEIN DEFENSIE SPILL-OVER TOT SLOT

STARS-project

6 8 9 12 12 12 13 15 16 16 17 19 19 19 21 21 22 23 23 25 26 26 27 28 29 29 30 30 31 32

1

Acroniemen AAR

Applicatie Advies Raad

ANP

Algemeen Nederlands Persbureau

CDAG

Concept Development Assessment Game

DAC

Digitaal Analoog Convertor

dB

decibel

DMO

Defensie Materieel Organisatie

ESM

Electronic Support Measure

FES

Fonds Economische Structuurversterking

FPGA

Field Programmable Gate Array

GHz

GigaHertz

GSM

Global System for Mobile communications

HW

Hardware

IC

Integrated Circuit

IF

Intermediate Frequency

KM

Koninklijke Marine

LNA

Low Noise Amplifier

LO

Local Oscillator

MP-SoC

Multi Processor System-on-Chip

NoC

Network on Chip

NXP

NXP Semiconductors Netherlands B.V.

PAO

Post Academisch Onderwijs

PCB

Printed Circuit Board

RAR

Research Achievement Report

RF

Radio Frequency

RTM

Run Time Mapping

SOA

Service Oriented Architecture

SoC

System-on-Chip

STARS

Sensor technology Applied in Reconfigurable systems for sustainable Security

SW

Software

TNO

Nederlandse organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek

VHDL

Very (High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language

WLCSP

Wafer Level Chip Scale package

STARS-project

2

1 Inleiding SAIL Amsterdam. Eén van de drukst bezochte evenementen in Nederland. Er worden ongeveer 1,5 miljoen bezoekers verwacht, met als grootste publiekstrekker de intocht van 120 tall-ships die van over de hele wereld via de sluizen van IJmuiden naar Amsterdam gaan. In deze armada van schepen vaart de klipper “Stad Amsterdam” mee, het schip van het Nederlands Koningspaar. Het schip krijgt veel aandacht van het publiek en zal vanuit veiligheidsoptiek een hoge prioriteit krijgen. Op het moment dat de “Stad Amsterdam” in het sluizencomplex van IJmuiden ligt te wachten, krijgen de veiligheidsdiensten meldingen binnen dat er een klein onbemand vliegtuigje gesignaleerd is en richting de sluizen vliegt. Direct vindt koortsachtig overleg plaats; wat is de intentie van het vliegtuigje, kan het een explosieve lading of, erger, chemische stoffen bevatten en wat zijn de evacuatieroutes?

Figuur 1: SAIL 2000 (bron: ANP - foto Cor Mulder). Dit is één van de scenario’s die is voorgelegd aan operationele eindgebruikers binnen het STARS-project met de vraag hoe zij de benodigde informatie krijgen om adequaat te kunnen reageren. Uit discussies met een brede en diverse vertegenwoordiging uit het maatschappelijke veiligheidsdomein, blijkt dat het, bij een diversiteit aan dreigingen, grote dynamiek en veelal ontbreken van voldoende waarschuwingstijd, met de huidige waarnemingsmiddelen moeilijk is om deze informatiepositie op te

STARS-project

3

bouwen. Ook is het beleidsmatig niet mogelijk om continu te investeren in nieuwe systemen. De ontwikkeling van geheel nieuwe sensortechnologie, waarbij ‘herconfigureerbaarheid’ het sleutelbegrip is, kan bijdragen aan een oplossingsrichting voor dit probleem. Herconfigureerbare sensoren kunnen flexibel ingezet worden doordat de functionaliteit van het systeem relatief eenvoudig en snel te wijzigen is. Hierdoor kan tijdens de ontwikkeling en het gebruik van de infrastructuur, continu ingespeeld worden op de grote dynamiek en complexiteit van het veiligheidsdomein. Het STARS (Sensor Technology Applied in Reconfigurable Systems) project heeft als doelstelling om de noodzakelijke technologische kennis te ontwikkelen waarmee in Nederland herconfigureerbare sensorsystemen ten behoeve van duurzame veiligheid gebouwd kunnen worden. Om invulling te geven aan deze doelstelling is door Thales Nederland BV, NXP Semiconductors BV, Recore Systems BV, TNO, Technische Universiteit Delft en de Universiteit Twente het STARS-consortium opgericht. Het STARS project wordt gefinancierd uit FES (Fonds Economische Structuur versterking) gelden (totaal budget is 34 M€, waarvan 18 M€ subsidie). STARS is gestart in 2010 en loopt tot 2016. Om de droom van herconfigureerbare sensoren te realiseren is fundamenteel onderzoek noodzakelijk. Herconfigureerbaarheid grijpt namelijk in op vrijwel alle delen en alle niveaus van een systeem. Dit geldt voor ontwerpmethodieken, architecturen en technologieën. Binnen het STARS-project is daarom gekozen voor een brede onderzoeksaanpak, waarbij de relevante gebieden onderzocht worden binnen een viertal samenhangende onderzoeksthema’s: “Systeemconcepten en Architecturen”, “Analoge Front-ends”, “Digitale Signaalverwerking” en “Software, Methodologie en Algoritmes”. Thema 1 (Systeemconcepten en Architecturen) werkt systeemconcepten uit waarbij zowel in de ontwerpfase, als in de verschillende operationele fases, systeemfunctionaliteit aangepast kan worden voor specifieke gebruikers of omstandigheden. Thema 2 (Analoge Front-ends) richt zich op het herconfigureerbaar maken van de analoge delen van sensorsystemen, zodanig dat verschillende sensorfuncties kunnen worden ondersteund. Thema 3 (Digitale signaalverwerking) onderzoekt nieuwe herconfigureerbare hardware voor de digitale signaalverwerking in sensorsystemen. Vooral in systemen met een zeer hoge doorvoersnelheid van gegevens en grote benodigde rekenkracht is herconfiguratie een uitdaging.

STARS-project

4

Thema 4 (Software, Methodologie en Algoritmes) heeft de ambitie om systeem- en softwareontwerpers vanuit één abstract model te laten samenwerken aan sensor processing. Daarnaast wordt gewerkt aan een software raamwerk dat op basis van service georiënteerde technologie een systeem realiseert. Naast het onderzoek in de vier technische thema’s, is er binnen STARSonderzoek gedaan in twee niet-technische thema’s, thema 5 “Integratie Eindgebruiker” en thema 6 “Disseminatie”. In thema 5 is in het kader van het applicatieonderzoek de discussie met de (potentiële) operationele eindgebruikers gevoerd. In thema 6 is het applicatiepotentieel buiten het maatschappelijk veiligheidsdomein, de zogenaamde spill-over, in kaart gebracht. Daarnaast is er aandacht besteed aan de disseminatie van de binnen STARS opgebouwde kennis en ontwikkelde concepten. In dit Research Achievement Report (RAR) worden de STARSonderzoeksresultaten in maatschappelijke context beschreven. Daarbij vormen de resultaten uit het applicatieonderzoek, de discussie met operationele eindgebruikers, een belangrijk startpunt. Dit wordt in hoofdstuk 2 beschreven. Hoofdstuk 3 beschrijft conceptueel de wijze waarop herconfigureerbaarheid van sensoren kan bijdragen aan vergroting van maatschappelijke veiligheid. Vervolgens zal in hoofdstukken 4 tot en met 7 per technisch thema een overzicht gegeven worden van de belangrijkste onderzoeksresultaten. In hoofdstuk 8 zal ingegaan worden op de randvoorwaarden die van betekenis zijn voor een succesvolle introductie van STARS-technologie en -concepten. Ten slot zal hoofdstuk 9 de voorziene impact van STARS op het veiligheidsdomein en de geïdentificeerde spill-over domeinen beschrijven.

STARS-project

5

2 Applicatieonderzoek Het applicatieonderzoek was gericht op de voorziene toegevoegde waarde van STARS-concepten en -technologie voor operationele eindgebruikers binnen het maatschappelijke veiligheidsdomein. De uitkomsten van het onderzoek zijn toetsend geweest voor het onderzoek in de vier technische thema’s.

2.1 Inrichting applicatieonderzoek Belangrijk instrument bij de uitvoering van het applicatieonderzoek is de Concept Development and Assessment Game (CDAG), waarbij in spelvorm herconfigureerbare sensorconcepten zijn getoetst aan de hand van operationele scenario’s. Er zijn in totaal zes CDAG’s uitgevoerd met meer dan 30 spelers uit tien verschillende veiligheidsorganisaties, een brede en diverse vertegenwoordiging uit het maatschappelijke veiligheidsdomein. Naast de CDAG’s, is er een specifieke case studie opgezet voor toepassingen binnen de Koninklijke Marine (KM). Hierbij zijn verschillende functionele ketens van een toekomstig sensorsysteem doorgesproken en op zowel operationeel als technisch niveau geëvalueerd. Het applicatieonderzoek is zowel uitgevoerd op bestuurlijk/beleidsmatig als op operationeel uitvoerend niveau. De discussie op het eerste niveau is voornamelijk gevoerd met de Applicatie Advies Raad (AAR). Hierin is door de themaleiders van thema 1 en 5 en de STARS-projectdirecteur, samen met beleidsuitvoerders en -voorbereiders van o.a. Defensie (Kustwacht, Koninklijke Marechaussee, Defensie Materieel Organisatie), Veiligheid & Justitie en vertegenwoordigers van de havenschappen Amsterdam, Rotterdam en Zeeland richting gegeven aan de te onderzoeken technologieconcepten en gerelateerde scenario’s. Hoofdvraag was daarbij wat, afgezet tegen de domein-specifieke problematiek, de impact van STARS-concepten en -technologieën zou kunnen zijn. De discussie op het tweede niveau is gevoerd met spelers op het operationeel uitvoerende niveau. Met behulp van CDAG’s is het potentieel van STARS expliciet gemaakt. De centrale vraag bij deze CDAG’s was of het herconfigureerbaar maken van sensorfuncties positief van invloed is op de uitvoering van operationele taken. Er zijn in totaal drie scenario’s (in verschillende varianten) uitgewerkt: de Zeeuwse Havendagen, een internationale politieke top nabij Maastricht en SAIL Amsterdam. Bij ieder scenario werden verschillende aspecten van STARS binnen het operationele domein expliciet gemaakt, maar was er tijdens de verschillende scenario’s ook sprake van toenemende complexiteit en diepgang. Tijdens de CDAG’s hadden de deelnemers de beschikking over fictieve herconfigureerbare sensorsystemen, waarmee tussen verschillende operationele capaciteiten kon worden geschakeld. Onder leiding van een

STARS-project

6

‘challenge board’ werden de oplossingen en gemaakte keuzes bediscussieerd. Op deze manier is een goed inzicht gekregen in het applicatiepotentieel.

Figuur 2-1: SPARQS-screenshot uit het SAIL Amsterdam scenario.

STARS-project

7

2.2 Resultaten applicatieonderzoek Uit de CDAG’s is gebleken dat eindgebruikers verwachten dat herconfigureerbare sensoren een belangrijke meerwaarde kunnen gaan opleveren tijdens grootschalige evenementen. De multifunctionele inzetbaarheid, modulariteit en kosteneffectiviteit zijn hierbij vooral genoemd als positieve aspecten. Uit de workshops met de KM, waarbij de zelfbescherming van marineschepen onder diverse omstandigheden is onderzocht, is een vergelijkbare conclusie getrokken. Naast de hierboven genoemde aspecten, werd specifiek door de KM geconcludeerd dat in het geval van verdergaande bemanningsreducties, met behoud van operationele capaciteiten, het concept van herconfigureerbare sensortechnologie een belangrijke ‘enabler’ kan zijn. Om dit applicatiepotentieel daadwerkelijk te kunnen realiseren, moeten dergelijke sensorsystemen ook technisch haalbaar zijn. Dit is onderzocht in de technische thema’s die in de volgende hoofdstukken verder worden beschreven. Uit het applicatieonderzoek is gebleken dat STARS-technologie en concepten bij doorontwikkeling en toepassing een grote impact zullen hebben op het operationele domein. Daarbij ligt de focus niet alleen op de technische mogelijkheden die zullen worden ontsloten, maar zeker ook op de positie van de operator in operationele situaties. Dat roept tegelijkertijd ook vragen op rond de invloed die STARS-technologie en -concepten hebben op bevoegdheden, verantwoordelijkheden en besluitvorming. Om die reden is ook onderzoek gedaan naar de mogelijke ethische vraagstukken die te relateren zijn aan STARS. Voor de huidige sensorsystemen is het ethiek-uitgangspunt dat privacy en dataprotectie uitgaat van een eenduidige en stabiele realisatie met geïnformeerde instemming door alle legitieme stakeholders over het gebruik. Herconfigureerbaarheid breekt met dit principe. Als intelligente sensoromgevingen instantaan kunnen worden veranderd naar andere functionaliteit, dan heeft dat ethische gevolgen. Hierbij is de kernvraag wie op welk moment en onder welke omstandigheden verantwoordelijk en bevoegd is om prioriteiten te wijzigen en daarmee ook de instellingen/functionaliteiten van de sensorsystemen te veranderen. Dit aspect wordt nog belangrijker als op de lagere systeemniveaus autonomie wordt toegevoegd aan het sensorsysteem. Aanbeveling is om ethiek als een belangrijk onderdeel mee te nemen bij de organisatorische aanpassingen die nodig zijn voor het gebruik van op STARS gebaseerde systemen.

STARS-project

8

3 Herconfigureerbaarheid van sensoren Eén van de kernproblemen voor veiligheidsdiensten is dat zij continu moeten kunnen anticiperen op veranderende omstandigheden en taken. Het hebben van een optimale informatiepositie is hierbij essentieel. Eén van de belangrijkste bronnen bij de opbouw van een informatiepositie zijn sensoren. Het STARS-project richt zich op onderzoek naar Radio-Frequente (RF) sensoren zoals radar en Electronic Support Measures (ESM). Hoewel het strikt genomen geen sensoren zijn, worden stoorzenders en radiocommunicatiesystemen ook in het project meegenomen vanwege de grote overkomsten in architectuur en technologie met RF-sensoren. In de huidige situatie ligt bij het ontwerp van de sensoren de functionaliteit vast en deze kan in een later stadium slechts met een grote investering in tijd en geld worden aangepast. Herconfigureerbaarheid maakt het mogelijk om met kleinere investeringen in tijd en geld de systeemfunctionaliteit aan te passen. Hierbij worden drie tijdsschalen onderscheiden:  de ontwerpfase, waarin relatief veel tijd is om functionaliteit aan te passen en/of uit te breiden,  de ontplooiingsfase, waarin de inzet van sensoren wordt gepland,  de operationele fase, waarin functionaliteit tijdens de inzet kan worden aangepast. RF-sensor- en communicatiesystemen zijn globaal opgebouwd uit een aantal delen (zie Figuur 3-1). Het analoge deel (“het analoge front-end” zorgt voor zowel het opwekken en versterkt uitzenden van RF-signalen als het ontvangen van inkomende RF-signalen en de omzetting naar een digitaal signaal. Deze digitale signalen worden via een aantal signaalverwerkingsstappen omgezet naar informatie die een bijdrage levert aan de globale informatiepositie. Daarnaast zal de digitale processing ook de besturing van de sensor regelen.

STARS-project

9

Figuur 3-1: Globale en schematische opbouw RF-sensorsysteem. In de huidige methodiek van systeemontwerpen wordt een sensorsysteem ontworpen voor één specifieke applicatie. In het ontwerpproces wordt, gegeven de eisen die deze applicatie stelt, een optimaal ontwerp gemaakt dat vervolgens wordt geïmplementeerd. Zo wordt in het analoge front-end bijvoorbeeld de keuze gemaakt voor de zendfrequenties, de polarisatie en het zend- en ontvangstspatroon van de antenne die het best passen bij de applicatie. Een andere applicatie leidt al snel tot andere keuzes. Een radar bestemd voor de scheepvaartverkeersleiding heeft bijvoorbeeld een andere uitvoeringsvorm dan een peilzender die wordt gebruikt om mobiel dataverkeer te monitoren. Dit is geïllustreerd in Figuur 3-2. Voor de signaalverwerking zijn er eveneens belangrijke verschillen tussen verschillende applicaties.

STARS-project

10

Figuur 3-2: Van functie-specifieke ontwerpen naar herconfigureerbare systemen. Het introduceren van herconfigureerbaarheid in sensoren heeft grote gevolgen voor het systeemontwerp. Deze gevolgen, in de vorm van nieuw te ontsluiten mogelijkheden, komen ook sterk naar voren in de zogenaamde phased array antenne ontwerpen. Een phased array antenne is opgebouwd uit een groot aantal kleine zend- en ontvangstelementen die elektronisch stuurbaar zijn. Door de elektronische sturing van de elementen kunnen zeer snel veel verschillende soorten antennepatronen worden gemaakt. Met dezelfde antenne kan zo het equivalent gemaakt worden van een ronddraaiende radarantenne en een directieve communicatie-antenne. Door vervolgens de individuele zend- en ontvangstelementen zodanig te ontwerpen dat bijvoorbeeld verschillende frequentiebanden kunnen worden gekozen, modulatievormen aangepast kunnen worden en de polarisatie instelbaar is, ontstaat een analoog front-end waarvan de configuratie ingesteld kan worden op basis van de gewenste functionaliteit. Een dergelijk herconfigureerbaar analoog front-end zal leiden tot een grotere complexiteit van de achterliggende besturing, een grotere variëteit van de datastromen en diversiteit in de bijbehorende signaalverwerking. Hiervoor zijn zowel technologische ontwikkelingen nodig op digitale hardware en software, als de noodzakelijke algoritmiek en ontwerpmethodieken. Hieronder zal voor de noodzakelijke ontwerpmethodieken, architecturen en technologieën de onderzoeksresultaten worden toegelicht die mogelijk op termijn kunnen leiden tot volledig herconfigureerbare RF-sensoren.

STARS-project

11

4 Systeemconcepten en architecturen De traditionele wijze van systeemontwikkeling vindt plaats op basis van vooraf gespecificeerde taken en prestaties en biedt daarom beperkte flexibiliteit. Een herconfigureerbaar systeem is echter op een zodanige manier ontworpen dat het snel aangepast kan worden om onvoorziene taken uit te kunnen voeren. Het systeem is daarmee toekomstbestendig. Bovendien kan het gebruik van een herconfigureerbaar systeem dat diverse taken kan uitvoeren, leiden tot besparingen op de kosten voor onderhoud, logistiek, training en opleiding. Het introduceren van herconfigureerbaarheid in systeemconcepten en -architecturen betekent daarmee een flinke ommezwaai in de denkwijze van systeemarchitecten.

4.1 Architectuur Het gebruik van gestandaardiseerde bouwblokken en een modulaire architectuur is een bekende aanpak om de tijd en kosten van het ontwikkelen van een complex systeem te beheersen. Hoewel deze ontwerpfilosofie veel wordt toegepast, leidt deze aanpak ook tot een beperktere toekomstbestendigheid omdat nieuwe taken buiten het toepassingsgebied van de architectuur kunnen vallen. In het STARS-project is gekozen voor een architectuur met herconfigureerbare bouwblokken waardoor het systeem sneller en efficiënter kan worden ontwikkeld en voor een breed scala aan missies worden ingezet met lagere kosten dan een traditioneel systeem. De herconfigureerbare bouwblokken die in de STARS-systeemarchitectuur worden gebruikt bestaan uit subsystemen en algoritmes voor het analoge front-end, de digitale processing en software. Deze zullen in de volgende hoofdstukken behandeld worden. Een systeemarchitectuur geeft aan hoe de operationele eisen van gebruikers vertaald worden naar bouwblokken en het beschrijft het gedrag en de onderlinge relatie van de bouwblokken. Verschillende aspecten van de herconfigureerbare systeemarchitectuur zijn geanalyseerd in een aantal “use cases” waaronder een geïntegreerde mast voor een marineschip en het eerder genoemde SAIL-evenement.

4.2 Resource Allocatie Het gebruik van herconfigureerbare bouwblokken maakt een grote mate van flexibiliteit mogelijk. Deze flexibiliteit kan worden benut om een systeem snel aan te passen aan nieuwe taken en omgevingsomstandigheden. Een voorbeeld hiervan is het eerder geschetste SAIL-evenement waarbij het sensorsysteem naast de opbouw van het globale omgevingsbeeld ook moet bijdragen aan de opsporing van een GSM-stoorzender. De keuze van de juiste bouwblokken én de configuraties van deze bouwblokken die voldoen aan de operationele eisen en randvoorwaarden zoals afmetingen, gewicht en

STARS-project

12

vermogensverbruik is echter een grote uitdaging vanwege het enorme aantal systeemconfiguraties dat mogelijk is. Traditionele oplossingen voor niet-herconfigureerbare systemen waarbij missieplanners en/of operators op basis van de verwachte operationele situatie de systeemconfiguratie aanpassen voldoen niet omdat het aantal keuzes veel te groot is. Een potentiële binnen STARS ontwikkelde oplossing voor het selecteren van de beste systeemconfiguratie zijn resource-allocatietechnieken die, op basis van de in het operationeel raamwerk gedefinieerde kwaliteitsmaten, berekenen welke systeemconfiguratie het best voldoet aan de operationele eisen en randvoorwaarden van de eindgebruiker(s). Resultaten van deze missie-gedreven aanpak voor resource-allocatie zijn aan vertegenwoordigers van veiligheidsorganisaties en eindgebruikers gepresenteerd tijdens de “Vlissingen”, “Neercanne” en “SAIL” CDAG’s.

4.3 Functionele evaluatie en validatie In het kader van de geïntegreerde mast “use case” is een model van een herconfigureerbare architectuur geïmplementeerd in MATLAB™-software. Met dit model is een functionele evaluatie van de architectuur uitgevoerd in een aantal maritieme scenario’s. De resultaten van deze functionele evaluatie tonen aan dat herconfiguratie van de geïntegreerde mast leidt tot operationele meerwaarde in scenario’s met onvoorspelbare veranderingen in de dreiging.

Figuur 4-1: Artist impression van een toekomstig marineschip met herconfigureerbare sensormast (bron: DMO).

STARS-project

13

Het concept van een herconfigureerbare geïntegreerde mast voor marineschepen is besproken met vertegenwoordigers van de Koninklijke Marine in twee workshops. De reacties toonden aan dat het nut en de noodzaak van herconfigureerbaarheid wordt onderkend en dat de ontwikkeling van automatische resource-allocatie methoden een belangrijke stap is om de behoefte aan sterk-gespecialiseerde operators voor de bediening van complexe sensorsystemen te verminderen. Er werd opmerkt dat de invoering van herconfigureerbare sensorsystemen kan leiden tot aanpassingen in de operationele organisatie.

STARS-project

14

5 Analoog front-end Voor het uitzenden en ontvangen van signalen vormt het analoge front-end de bottleneck voor herconfiguratie. De uitgezonden signalen bepalen de elementaire sensor-performance, zoals afstandsbereik en resolutie, en de informatie-extractie vindt vervolgens plaats op de ontvangen signalen. Wat niet ontvangen is, kan onmogelijk geëxtraheerd worden. Verder is het frontend ook nog in hoge mate bepalend voor kosten, warmteontwikkeling, bescherming en selectiviteit, kortom: de grenzen van wat met het sensorsysteem kan, worden bepaald door wat er in de flessenhals van het front-end mogelijk gemaakt wordt. Het analoge front-end vormt enerzijds via de antenne de verbinding met de buitenwereld, en anderzijds via de analoog/digitaal en digitaal/analoog omzetter de verbinding met de digitale signaalverwerking. Om het analoge front-end verschillende functies te kunnen laten ondersteunen is het noodzakelijk om aspecten zoals frequentie, polarisatie, antennepatronen, modulatievormen en bandbreedtes flexibel te kunnen aanpassen. Een analoog front-end bestaat uit een antenne, een zendmodule en een ontvangtmodule. Figuur 5-1 geeft aan welke delen van het front-end herconfigureerbaar moeten worden gemaakt (weergegeven in geel) en daarmee onderwerp zijn van het onderzoek binnen STARS. Analoge front-ends zijn complexe sub-systemen, die veel verschillende functies en technologieën in zich verenigen. Er is daarom ook aan veel verschillende aspecten onderzoek gedaan, met soms heel goede en soms met mindere resultaten, en met highlights als antenne-elementen met lage koppeling, een dual-band geintegreerde radarontvanger en een vrijwel geheel digitale zender. Het onderzoek naar herconfigureerbare antennes, ontvangers en zenders komen onderstaand kort aan bod.

Figuur 5-1: Blokschema van een zender (A) en een ontvanger (B).

STARS-project

15

5.1 Herconfigureerbare antennes Schakelbare antennes. Op antennegebied is onderzoek gedaan naar het schakelbaar maken van een array tussen twee frequentiebanden. Hiervoor zijn de L-band (1.2-1.4 GHz) en S-band (2.9-3.4 GHz) als uitgangspunt genomen. In STARS is een proefontwerp gemaakt, gerealiseerd en gemeten. Vergroting frequentiebereik. Een ander deelonderzoek is gericht op het vergroten van de frequentiebandbreedte om de toepasbaarheid voor meerdere functies te vergroten. Niet alleen het antenne-element moet een groot frequentiebereik hebben, maar ook het bijbehorende array-ontwerp moet worden aangepast. Hierbij is de onderlinge beïnvloeding van de antenne-elementen (de koppeling) van belang, deze moet zo laag mogelijk zijn. Door het onderzoek in STARS is een nieuwe fabricagemethodiek voorgesteld en aangetoond waardoor deze koppeling sterk gereduceerd kan worden. Daarmee is het mogelijk om over een frequentiebereik van 1.5:1 en een grote scan hoek (+/- 60 graden) een lage koppeling (< -14 dB) te halen. Geïntegreerde filter-antennes. Ten slotte is gewerkt aan de integratie van een antenne-element met een filter. Heel goede resultaten zijn bereikt met de integratie van lage-orde filters die bijvoorbeeld harmonische uitzendingen kunnen onderdrukken. Ook is onderzoek gedaan naar antenne-elementen waarvan de resonantiefrequentie bepaald wordt door de interactie met het actieve front-end.

5.2 Herconfigureerbare ontvangers N-path filters. Voor herconfigureerbare ontvangers is het moeilijk voldoende selectiviteit aan te brengen, omdat vaste filters per definitie niet voldoen. Daarom is selectiviteit op verschillende plaatsen in de keten (antenne, RF, IF) onderzocht. Een zeer in het oog springend resultaat zijn ‘N-path’ filters. Bij een N-path filter wordt het inkomende signaal periodiek aan subsecties toe- en afgevoerd. Het bestaat dus uit meerdere paden (N-path) waarlangs het signaal gefilterd wordt. Het samenstel gedraagt zich daardoor als een banddoorlaatfilter rondom de frequentie van af- en aanvoer. Zeer smalbandige en ook nog lineaire filters zijn zo gerealiseerd. Ze verleggen de state-of-art en kunnen gemaakt worden tot ongeveer 3 GHz. Aan allerlei aspecten, zoals het onderdrukken van klok-overspraak, is gewerkt. Volledig herconfigureerbare ontvanger. Een geïntegreerde ontvanger geschikt voor meerdere frequentiebanden is ontwikkeld waar alle mogelijke vormen van herconfiguratie in ontworpen zijn. De ontvanger ondersteunt analoge en digitale bundelvorming, herconfiguratie van het frequentie-plan, de polarisatie (inclusief circulaire polarisaties), hoge- of lage-zijband downconversie etc. etc. Eén van de onderscheidende factoren die dit mogelijk maakt is de hoge spiegelfrequentie-onderdrukking van meer dan 40 dB, die ongeveer 20 dB (een factor 100) hoger is dan bij conventionele ontwerpen. Dit onderzoek heeft de basis gelegd voor de dual-band radar ontvanger.

STARS-project

16

Dual-Band ontvanger. Uit het onderzoek is naar voren gekomen dat het mogelijk zou moeten zijn een enkele geïntegreerde ontvanger te maken die niet alleen twee radarbanden afdekt, maar ook herconfigureerbaar is over verschillende systemen, enkele of dubbele downconversie, verschillende analoog-naar-digitaal omzetters aan kan sturen (met verschillende snelheden, nauwkeurigheden en piekspanningen), verschillende interne of externe filters kan configureren, een heel hoge middenfrequentbandbreedte heeft etc. Deze ontvanger is een prachtig voorbeeld van wat herconfiguratie kan bieden aan radarsystemen.

5.3 Herconfigureerbare zenders De digitaal naar analoog omzetter. De DAC zet een digitaal signaal om naar een analoog signaal. Een DAC moet nauwkeurig, snel en zuinig zijn, maar deze eigenschappen zijn moeilijk tegelijk in één component te realiseren. Daarom is een nieuwe, flexibele, DAC-architectuur ontwikkeld waarbij nauwkeurigheid, snelheid en energieverbruik tegen elkaar kunnen worden uitgewisseld afhankelijk van de toepassing. Er zijn twee DAC’s ontwikkeld. 1) Een “laagfrequente/hoge lineariteitsversie”. Deze heeft een hoge nauwkeurigheid (lineariteit) van 60dB bij een snelheid van 1.7Gs/s en een verbruik van 70mW, wat een verbetering is van 10 dB in vergelijking met eerdere resultaten. 2) Een “hoogfrequente/lage lineariteitsversie”. Deze heeft een nauwkeurigheid (lineariteit) van 50 dB bij een snelheid van 11 Gs/s en een verbruik van 110 mW. Alle DAC’s hebben een fractie van de IC oppervlakte en het vermogensverbruik vergeleken met de state-of-the-art en zijn gemaakt in geavanceerde IC-technologieën. Het onderzoek is een belangrijke stap op weg naar het meer digitaal maken van de zender, met alle bijkomende voordelen. De geïntegreerde zender met LO generatie. De geïntegreerde zender met LO-generatie is een zender die ontwikkeld is om herconfigureerbaar te zijn tussen Ka-band Satcom (VSAT, 27-31 GHz) en Ka-band Radar (35-38 GHz). Hiermee is aangetoond dat het mogelijk is om een single chip ontwerp te maken dat beide banden kan afdekken. De chip is gerealiseerd als Wafer Level Chip Scale package (WLCSP) waarbij de chip direct op het Printed Circuit Board (PCB) wordt gemonteerd. In vergelijking met andere technologieën levert dit de kleinste verstoring op van de RF-signalen. Dit onderzoek is een belangrijke stap voor herconfigureerbare Satcom-zenders, maar haalt de specificaties van lange-afstands-radarzenders nog niet. De vermogensversterker. De vermogensversterker wordt normaliter ontworpen op één enkele frequentieband en type golfvorm. Dit wordt ingegeven door het benodigde vermogen en efficiëntie. Het onderzoek binnen STARS richt zich op het uitbreiden van het aantal frequentiebanden zodanig dat dit zo klein mogelijke gevolgen heeft voor het opgewekte STARS-project

17

vermogen, efficiency en de mate van verstoring van de golfvorm. Dit heeft geresulteerd in een ontwerp wat zowel op L-band (1.2-1.4 GHz) als op Sband (2.9-3.4 GHz) goed kan werken. Het onderzoek heeft erg goede resultaten opgeleverd voor vermogensversterkers die direct digitaal aangestuurd kunnen worden. Het ontwerp leent zich op dit moment vooral om in enkelvoudige zenders gebruikt te worden, en nog niet zozeer om in een array te gebruiken vanwege de afmetingen.

Figuur 5-2: Technologiedemonstraties zijn uitgevoerd op verschillende aspecten van een front-end.

STARS-project

18

6 Digitale signaalverwerking Het onderzoek op het gebied van de digitale signaalverwerking binnen het STARS-project heeft zich geconcentreerd op de rekenintensieve delen van een sensorsysteem (processoren) waarbij vooral het digitale deel van de ontvanger bepalend is. In dit deel wordt de digitale data van individuele antennes ontvangen en verder bewerkt. Het digitale deel zit dicht bij de antennes op een plek waar weinig ruimte beschikbaar is en waar strikte eisen worden gesteld aan vermogensopname. Hierdoor worden vanaf het begin de datastromen beperkt. Dit is nodig want het transporteren van veel data kost veel energie en tijd. Als er alleen naar deze eisen gekeken wordt, kan een oplossing op maat gemaakt worden. Echter, een dergelijke oplossing is weinig flexibel. Bij veranderende eisen zou het systeem opnieuw ontworpen, geproduceerd en geïnstalleerd moeten worden. Dit is financieel vaak onhaalbaar en het is ook onmogelijk om snel en adequaat in te spelen op een veranderende omgeving. Om die reden zijn digitale signaalverwerkingsoplossingen onderzocht met een optimale balans tussen rekencapaciteit, vermogensopname, (chip-)oppervlak en flexibiliteit.

6.1 Herconfigureerbare architecturen Binnen de digitale signaalverwerking is het gebruik van herconfigureerbare processoren centraal gesteld. Door middel van herconfiguratie zijn de processoren in staat verschillende taken na elkaar efficiënt uit te voeren. Met herconfigureerbare processoren als uitgangspunt is een schaalbare hiërarchische architectuur ontwikkeld zodat systemen van verschillende grootte met verschillende rekencapaciteit, op een gestructureerde manier samengesteld kunnen worden. Belangrijk element binnen deze architectuur vormt de communicatie tussen de elementen op hetzelfde hiërarchisch niveau en tussen de niveaus onderling waarbij veel data in korte tijd verplaatst moet worden. Om snel systemen te kunnen bouwen en optimaal te kunnen profiteren van toekomstige ontwikkelingen is het van essentieel belang om zoveel mogelijk aan te sluiten op bestaande industriële standaarden. Uit het STARS-onderzoek is gebleken dat deze standaarden bruikbaar zijn binnen de architectuur zoals die in het STARS-project ontwikkeld is.

6.2 Multi-Processor System-on-Chip (MP-SoC) De basisbouwsteen van het digitale processing gedeelte is een MultiProcessor System-on-Chip (MP-SoC) waarin meerdere herconfigureerbare processoren gecombineerd worden tot één enkele chip om voldoende rekenkracht te realiseren. Tot aan het begin van het STARS-project was het maximum aantal herconfigureerbare processoren op een enkele chip beperkt tot ongeveer tien. Binnen de architectuur zoals die ontwikkeld is, is er een chip gedefinieerd waarbij 48 processoren gecombineerd worden. Om de stap van tien naar 48 processoren te kunnen maken is een precieze specificatie

STARS-project

19

van een dergelijke chip opgesteld en zijn essentiële bouwstenen verder uitgewerkt. Op basis van simulatie en emulatie op een Field Programmable Gate Array (FPGA) zijn de prestaties van deze bouwstenen geëvalueerd. Er zijn twee aspecten die de STARS MP-SoC onderscheiden van vergelijkbare SoC’s. Ten eerste is er een uitgebalanceerde geheugenhiërarchie op de chip geïntegreerd. Naast de herconfigureerbare processoren zijn zogenaamde intelligente ‘geheugen-tegels’ in het ontwerp opgenomen. Samen met de geheugens in de processoren zelf, dragen de geheugentegels zorg voor de beschikbaarheid van data op de juiste plek op het juiste moment zodat berekeningen niet vertraagd worden doordat op data gewacht moet worden. Ten tweede onderscheidt de STARS MP-SoC zich door een alternatieve benadering van de data communicatie op de chip. In recente ontwikkelingen wordt de data ‘on-chip’ getransporteerd via een complex Network-on-Chip (NoC). Binnen STARS is juist gekozen voor een relatief lichtgewicht netwerk waardoor hardware- en software implementaties snel en vermogensefficiënt zijn. Binnen de routers van het netwerk wordt gebruik gemaakt van een aantal simpele regels m.b.t. het routeren van data. Hierdoor hoeven routes niet vooraf berekend en in de routers opgeslagen te worden. Deze aanpak is uiterst effectief en efficiënt gebleken.

Figuur 6-1: Demonstrator van de STARS schaalbare hiërarchische architectuur.

STARS-project

20

6.3 Run time mapping Om taken af te beelden op de STARS-architectuur is een Run Time Mapping (RTM)-systeem ontwikkeld. RTM kent tijdens operationeel gebruik taken toe aan verschillende processoren. Dit lijkt op de functie van een operating system binnen een multi-core-systeem. Er zijn echter een aantal essentiële verschillen. Binnen een digitaal signaalverwerkingssysteem is er sprake van een grote interactie tussen de verschillende taken en moeten garanties gegeven worden met betrekking tot verwerkings- en doorvoersnelheden van data. Daarom moeten, naast de benodigde rekenkracht, ook de communicatie-eisen in balans worden gebracht met de beschikbare rekenen communicatiecapaciteit. Het vinden van de optimale oplossing is rekenen tijdintensief. Om RTM daadwerkelijk in een signaalverwerkingssysteem toe te passen is daarom een nieuw RTM-algoritme, dat op basis van de beschikbare (reken- en communicatie-)capaciteit en de eisen gesteld door een toepassing, binnen korte tijd een ‘bijna-optimale’ afbeelding berekent, ontwikkeld en geëvalueerd. Omdat binnen thema 3 gekozen is voor een hiërarchische architectuur is ook de RTM hiërarchisch opgezet.

6.4 Dataflow Parallel aan de integratie van zoveel mogelijk processoren op één chip is ook onderzoek gedaan naar een nieuwe generatie herconfigureerbare processoren. De huidige processoren werken met taken (instructies) die in een vaste volgorde worden afgehandeld. De moeilijkheid is dan om de juiste data op het juiste moment ter bewerking aan te bieden, dus om instructies en data te synchroniseren. Een fundamenteel ander principe waarvan de geschiktheid is onderzocht is het ‘dataflow’ principe. Daarbij wordt data aan een processor aangeboden en de processor beschikt over een tabel waarin de relatie gelegd wordt tussen de informatie en de taak (instructie) die op de aangeboden data moet worden uitgevoerd. Synchronisatie verloopt in een dergelijk systeem automatisch. Een relatief eenvoudige processor volgens dit dataflowprincipe is ontworpen en meerdere dataflowprocessoren zijn gecombineerd in een netwerk. Bij het ontwerp van de processor is gebruik gemaakt van een functionele programmeertaal. Op basis van één functionele beschrijving kan een processor zowel gesimuleerd als gesynthetiseerd worden. Tijdens het onderzoek bleek deze taal ook uitermate geschikt om de Instructie-SetArchitectuur van de dataflowprocessor, de definitie van een programmeertaal, de compiler en toepassingen te beschrijven. Door al deze elementen te integreren is één platform ontstaan waarmee tegelijkertijd een toepassing en een processor architectuur kunnen worden gesimuleerd waardoor co-design mogelijk is en geen onnodige en foutgevoelige omschrijvingen van een specificatietaal naar een programmeertaal meer nodig is.

STARS-project

21

6.5 Betrouwbaarheid Bij het onderzoek naar architecturen voor digitale signaalverwerking zijn, naast de functionele eisen, schaalbaarheid en energie-efficiëntie, twee vragen erg belangrijk: welke ondersteuning kan geboden worden om een systeem werkend te krijgen en hoe kan een systeem functionerend worden gehouden? Om een systeem werkend te krijgen is binnen STARS gewerkt aan simulatie technieken voor multi-core architecturen. Er zijn oplossingen ontwikkeld om taken die op een multi-core-systeem naast elkaar, tegelijkertijd worden uitgevoerd op sequentiële systemen efficiënt te simuleren. Verder zijn bij het ontwerp van de MP-SoC, van meet af aan debugging faciliteiten geïntegreerd in de hardware en is de bijbehorende software ontwikkeld en geëvalueerd. Om een werkend systeem functionerend te houden is gekozen voor een volkomen nieuwe benadering. Bestaande technieken zijn vooral gebaseerd op reparatie na foutdetectie. Binnen STARS is echter gekozen voor een aanpak gebaseerd op ‘health monitoring’ waarbij, op basis van metingen van onder andere temperatuur, vermogensopname, en vertragingstijden in elektronische systeemcomponenten, voorspellingen worden gedaan over de veroudering van deze componenten en daarmee over toekomstige betrouwbaarheid van het systeem. Op basis van deze informatie kan door RTM ingegrepen worden, kunnen risico’s verminderd worden en daardoor de betrouwbaarheid verhoogd worden. Voorwaarde voor een succesvolle toepassing van deze techniek is dat de verouderingskenmerken van de health monitors en van de processoren in het systeem bekend zijn. Daarvoor zijn binnen het STARS project de meetfaciliteiten ontwikkeld en zijn uitgebreide verouderingsmetingen uitgevoerd. De resultaten daarvan zijn opgenomen in het softwaremodel waarmee het verloop van verouderingsprocessen binnen elektronische schakelingen voorspeld wordt.

STARS-project

22

7 Software, algoritmes en methodologie Het onderzoeksgebied “Software, Algoritmes en Methodologie” omvat de gehele ontwikkelketen voor digitale processing & control van sensorsystemen. De speerpunten van het onderzoek zijn: 1. Software architecturen die op verschillende digitale processing platformen om kunnen gaan met de gevraagde herconfiguraties. 2. Het ontwikkelen van algoritmes die inherent rekening houden met, of geschikt zijn voor, herconfiguratie. 3. Ontwikkelmethodologie: Om van het wiskundig algoritme niveau naar een optimale afbeelding op de software en hardware te komen zijn er transformaties & gereedschappen (tools) nodig.

7.1 STARS-platform en demonstratie Een belangrijk element binnen het onderzoek is een nieuw soort van middleware A laag die zorgt dat software (SW) op verschillende type hardware (HW) kan herconfigureren. Dit STARS-platform zorgt voor het starten en stoppen van de verschillende software taken (via de Deployer) en het monitoren van beschikbare platform capaciteit (Platform Monitor). Selectie van de gevraagde sensor-capabilities is een vertaling van de operationele behoefte naar ketens van de SW-taken. Deze vertaling is niet triviaal en daarom binnen het STARS-project verder onderzocht. Op zijn beurt zal de capability manager de gevraagde ketens doorgeven aan de run-time mapper Het run-time mapping onderzoek is samen met het digitale signaalverwerkingsthema uitgevoerd. Het doel is om het toekennen van taken aan verschillende processoren zo efficiënt mogelijk te laten verlopen (zie Figuur 7-1). Dit optimalisatieprobleem is in de ontwerpfase al ‘NPcompleet’. Dit is een bepaalde klasse van wiskundige problemen waarvoor waarschijnlijk een optimale oplossing te vinden is, maar de tijd om deze oplossing te vinden kan behoorlijk oplopen. Na een bepaalde rekentijd is er een suboptimale oplossing gevonden. De afweging is of deze oplossing goed genoeg is of dat er meer rekentijd moet worden genomen om naar een betere oplossing te zoeken. Daarmee is het een grote uitdaging om de verdeling van taken naar processoren tijdens de run-time fase te berekenen. Stappen zijn gezet naar aantoonbaar snellere en robuustere aanpak met de Tabu zoekalgoritmiek en de resultaten hiervan zijn gepubliceerd.

A

Middleware is software die services aanbiedt aan software-applicaties buiten de services die door het operating system worden aangeboden.

STARS-project

23

Capability manager

Capability request/replies Run time mapper

Deployment request

Applications Repository

Software deployer

Platform status

Hardware platform monitor

Hardware Platform(s)

Figuur 7-1: STARS herconfiguratieplatform.

STARS-project

24

Het gehele concept van het STARS-herconfiguratieplatform is voor een representatieve radar processing keten op een HW-platform aangetoond via een real-time demonstratie. De impact op de operationele performance is hierbij nihil, wat aantoont dat het toevoegen hiervan in de SW-architectuur geen negatieve gevolgen heeft.

7.2 CELIX als OSGi-standaard Om de middleware laag zo efficiënt mogelijk haar taken uit te kunnen laten voeren is gekozen voor een Service-Oriented Architecture (SOA). Deze architecturen werken met opdrachten binnen de software die als een soort servicecontract worden afgehandeld. De opdracht wordt als een dienst geleverd door een ‘leverancier’ en afgenomen door een ‘afnemer’. De afnemer heeft zelf echter geen idee van de inhoud van de opdracht. Dit maakt dat herconfigureerbaarheid eenvoudiger kan worden geïmplementeerd, doordat alleen de afspraken over de afhandeling worden vastgelegd en niet de specifieke inhoud. Deze afspraken over de afhandeling zijn vastgelegd in de OSGi open standaard. Om deze standaard voor realtime sensor processing te kunnen gebruiken is er voor het STARS-platform hierbinnen een C-versie ontwikkeld, genaamd “Celix”. “Celix” is volgens deze OSGi-standaard opgericht binnen de Apache foundation. Dit heeft in december 2012 geleid tot de succesvolle eerste release binnen deze open-source foundation. Hierna is in 2014 deze release gepromoveerd tot een Apache top-level project. Dit betekent dat deze bijdrage aan de open-source gemeenschap nu officieel is erkend.

STARS-project

25

8 Kansen Het applicatieonderzoek geeft aan dat er in potentie grote kansen zijn voor doorontwikkeling en uiteindelijke toepassing van STARS-concepten en technologie binnen het maatschappelijke veiligheidsdomein. "Potentie" is in deze het geïdentificeerde aanwezige vermogen dat nog op (verdere) ontwikkeling wacht en "Kans" gaat dan over de waarschijnlijkheid, dat dit gaat gebeuren. Met betrekking tot de potentie geven de onderzoeksresultaten en bijbehorende demonstraties in thema 1 tot en met 4 aan dat binnen drie tot vijf jaar gestart kan worden met productontwikkeling van de eerste generatie herconfigureerbare sensorsystemen. Om de kans op doorontwikkeling en toepassing te optimaliseren zal echter aan een aantal randvoorwaarden voldaan moeten worden. Het gaat daarbij om zowel harde als zachte randvoorwaarden. De eerste categorie heeft voornamelijk betrekking op de mate waarin het STARS-gedachtengoed geïntegreerd is binnen bestaande of nog in ontwikkeling zijnde strategische visies en plannen met betrekking tot sensoren binnen het veiligheidsdomein. Daaraan direct gekoppeld of aan die visies en plannen ook middelen zijn verbonden die doorontwikkeling en uiteindelijk implementatie van STARSconcepten en -technologie borgen. De tweede categorie betreft onder andere de bewustwording dat herconfigureerbare sensortechnologie een grote impact heeft op de wijze van optreden en de wijze waarop bevoegdheden, verantwoordelijkheden en besluitvorming in een operationele organisatie zijn neergelegd. Hier spelen ook de ethische vragen zoals in de eerste fase van het project zijn onderzocht. De bereidheid van het maatschappelijke veiligheidsdomein om de genoemde wijzigingen te onderkennen is een belangrijke factor in de besluitvorming om STARS-technologie en -concepten te implementeren. Deze aspecten zijn binnen het STARS-project uitgebreid besproken. Hieronder wordt een inschatting gemaakt van de kansen voor STARS in het maatschappelijke veiligheidsdomein, Defensie en op de verschillende spilloverdomeinen.

8.1 Maatschappelijke veiligheid Het applicatieonderzoek heeft aangetoond dat STARS meerwaarde heeft bij het verkrijgen en consolideren van een adequate informatiepositie en hierdoor het optreden van operationele eindgebruikers efficiënter en effectiever zal maken. Concreet zijn tijdens de discussies met de AAR en operationele eindgebruikers de volgende toepassingen geïdentificeerd:  Transformatie van de kustwacht naar informatie-gestuurd optreden. Hierbij is een optimale informatiepositie uiteraard van wezenlijk belang. Herconfigureerbaarheid kan hierbij meerwaarde creëren om de benodigde sensorinfrastructuur aanpasbaar te maken aan

STARS-project

26

veranderende operationele eisen zonder dat hiervoor hoge structurele investeringen noodzakelijk zijn.  Monitoren van de maritieme ruimte in en rondom de belangrijkste Nederlandse havens, inclusief de lage luchtruimte. Dit zou de veiligheid kunnen verhogen, maar ook de economische groei stimuleren door bijvoorbeeld met hulp van sensorfunctionaliteit de verkeerscapaciteit in de nautische infrastructuur te vergroten. In dit geval wordt de sensorinfrastructuur voor meerdere toepassingen ingezet, ondersteund door herconfigureerbaarheid. Om bovenstaande kansen te operationaliseren zal er een duidelijk beeld moeten zijn van de toepassing en een daaraan verbonden gebruiker en gebruikersomgeving. Die gebruiker zal een beeld moeten hebben van de weg die van opgebouwde kennis en technologie ontwikkeling leidt naar applicatiemogelijkheden en daadwerkelijke toepassing (in een product). Ook zullen hier middelen aan moeten worden gekoppeld. Hoewel dit aspect binnen het maatschappelijke veiligheidsdomein langs verschillende lijnen en op verschillende niveaus in ontwikkeling is, is dit momenteel voor sensortechnologie nog onvoldoende uitgewerkt. Daarmee ontbreekt vooralsnog één van de belangrijkste randvoorwaarden om kansen voor herconfigureerbare sensorsystemen in het civiele maatschappelijke veiligheidsdomein te creëren.

8.2 Defensie Binnen het defensiedomein, is de Koninklijke Marine (KM) een duidelijk aanwezige eindgebruiker met een heldere toekomststrategie. Door de KM is gesteld dat herconfigureerbaarheid een belangrijke ‘enabler’ is om de volgende generatie sensorsystemen doelmatig te kunnen realiseren. Kortom, deze concepten zijn essentieel om in de context van steeds veranderende operationele eisen en daaruit volgende functionele eisen de toekomstige sensorsuites betaalbaar te houden. Deze visie is opgenomen in de roadmap van de toekomstige generatie marineschepen. Onderdeel van deze roadmap is een investeringsplan om te komen tot productontwikkeling. Daaruit spreekt de overtuiging van de betrokken industrie en kennisinstellingen dat doorontwikkeling en toepassing van STARS-technologie en -concepten reëel is. Binnen Defensie is de Koninklijke Marine het meest vooruitstrevend op sensorgebied en bijbehorende operationele toepassingen. De verwachting is dat de andere krijgsmachtdelen ook gebruik gaan maken van STARStechnologie en –concepten.

STARS-project

27

8.3 Spill-over In het STARS-project is ook aandacht besteed aan het spill-over potentieel buiten het veiligheidsdomein. Hierbij is vooral gekeken naar de kansen op de professionele- en consumentenmarkt. Op beide markten zijn door de STARS-consortiumpartners mogelijkheden geïdentificeerd, maar de professionele markt lijkt de beste kansen te bieden. Hieronder zijn de meest kansrijke spill-overtoepassingen verder toegelicht. Ruimtevaart: in dit applicatiedomein zijn verschillende toepassingen geïdentificeerd en op sommige vlakken al concreet is ingezet. De belangrijkste toepassing lijkt op het gebied van de STARS Multi-Processor System-on-Chip (MP-SoC) technologie. De redundante uitvoering van verschillende processing cores op de MP-SoC en de mogelijkheden tot herconfiguratie van de verbindingen, geeft voordelen bij het vinden van robuuste oplossingen, ook in het geval delen uitvallen. Ook de ondersteunde low power modes in de architectuur openen nieuwe mogelijkheden. ICT: met de introductie van OSGi-standaard “Celix” heeft STARS al een concrete bijdrage geleverd aan het ICT-domein. Ook op andere aspecten, zoals de verwerking van grote hoeveelheden data in korte termijn, ontwikkelingen op het gebied van diagnostiek en de real-time hardware en software lijkt meerwaarde te zitten voor STARS-technologie. Automatisering elektronica-ontwerp: de synthese tooling die uitgewerkt is in thema’s 3 en 4 om vanuit functionele modellen snel hardware vertalingen te kunnen maken in VHDL-code, lijkt veel breder toepasbaar te zijn. De in STARS ontwikkelde tools zouden goede uitbreidingen kunnen zijn op bestaande VHDL-tools. Draadloze communicatie: de toenemende behoefte aan informatiebandbreedte (bijvoorbeeld binnen de 4G en 5G standaarden), geeft een noodzaak om efficiënt om te gaan met beschikbare ruimte, tijd en frequentie. De in STARS gerealiseerde concepten in bijvoorbeeld “phasedarray” antennes, filters en RF- ontvangers zijn direct toepasbaar in de telecommunicatie. Voorbeelden zijn de digitaal-naar-analoog conversie chips met groot dynamisch bereik en de herconfigureerbare filters die gebruikt kunnen worden om sterke interferentiebronnen weg te filteren in variërende omstandigheden. Industrie: ‘embedded vision’ is een belangrijke nieuwe ontwikkeling binnen de wereld van procesautomatisering. Hierbij gebruiken machines visuele middelen om zich aan te passen aan de omstandigheden. Ook hier lijken de ontwerpvraagstukken van STARS op de vraagstukken van dit specifieke domein en ontstaan er kansen.

STARS-project

28

9 Impact Het STARS-project heeft zowel op de korte (binnen vijf jaar) als op de lange termijn (binnen 10 jaar) impact op het maatschappelijke veiligheidsdomein en spill-over domeinen. Dit hoofdstuk beschrijft de effecten die in directe zin aan STARS kunnen worden gerelateerd. Dan gaat het niet alleen over de wetenschappelijke en technologische resultaten die binnen STARS zijn behaald, maar ook om de community building die door STARS heeft plaatsgevonden. Verder is onderscheid gemaakt tussen de effecten die de resultaten uit het STARS-project kunnen hebben voor de Nederlandse Kennis infrastructuur en daarbij meer specifiek voor consortium partners en subcontractors (o.a. de kansen binnen hun eigen marktsegment, de ontsluiting van nieuwe marktsegmenten en R&D-programma’s) en de effecten voor (operationele) eindgebruikers binnen het maatschappelijke veiligheidsdomein, Defensie en het spill-overdomein.

9.1 Versterking van de Nederlandse kennis-infrastructuur Door de opzet en uitvoering van het STARS-project zijn er een aantal nieuwe verbindingen ontstaan die er anders niet zouden zijn geweest. Naar verwachting zullen deze relaties zich verder ontwikkelen na afloop van STARS en gaan leiden tot nieuwe economische bedrijvigheid in Nederland. De verbindingen zijn zowel op individueel-, bedrijfs- en eindgebruikersniveau gerealiseerd. Op individueel niveau zijn de STARS-onderzoekers (meer dan 100 personen) op de zeer uiteenlopende onderzoeksgebieden continu uitgedaagd om verbindingen te leggen tussen de verschillende expertisegebieden. Dit is onder andere gebeurd door middel van plenaire workshops, uitwisseling van presentaties en ‘elevator pitches’. Door de onderzoekers is dit ervaren als een belangrijke toegevoegde waarde in hun persoonlijke en professionele ontwikkeling. Tussen de consortiumpartijen onderling zijn de relaties verstevigd via STARS. Via herconfigureerbaarheid zijn er nieuwe mogelijkheden voor samenwerking ontstaan tussen bedrijven die normaal opereren op verschillende markten. Een voorbeeld hierbij is de ontwikkeling van elektronische (herconfigureerbare) componenten in bijvoorbeeld defensie en industriële toepassingen. Hierdoor neemt als gevolg van bijvoorbeeld hergebruik van investeringen en grotere productie aantallen, de (Nederlandse) concurrentiepositie toe. Ook via het open budget zijn relaties ontstaan met nieuwe, voor de consortium partners soms nog onbekende, partijen. Ook zijn er via de ‘Integratie Eindgebruiker’-activiteit van STARS nieuwe verbindingen ontstaan tussen eindgebruikers die als zeer nuttig zijn ervaren. De impact van STARS kan ook worden bepaald aan de hand van de gerealiseerde kennis disseminatie. STARS heeft bijvoorbeeld meer dan 90

STARS-project

29

wetenschappelijke publicaties opgeleverd. Ook is de kennis van STARS opgenomen in verschillende vakken aan de Universiteit Twente en de Technische Universiteit Delft en de postacademische PAO-cursus “Radar System Design”.

9.2 Maatschappelijke veiligheidsdomein Een inschatting van het business potentieel binnen het civiele maatschappelijke veiligheidsdomein is momenteel nog moeilijk te maken. Hoewel de AAR en operationele eindgebruikers de multifunctionele inzetbaarheid, modulariteit en kosteneffectiviteit positief beoordelen, ontbreekt het momenteel aan een concrete roadmap die kan leiden tot productontwikkelingen. Zolang dit nog niet is gerealiseerd, is het maken van een reële inschatting van het economisch volume en de mogelijke besparingen voor eindgebruikers nauwelijks mogelijk.

9.3 Defensie Zoals eerder is aangegeven, is bij operationele eindgebruikers de behoefte aan herconfigureerbare sensoren vastgesteld en heeft het project veelbelovende concepten en technologieën opgeleverd die binnen drie tot vijf jaar de basis kunnen vormen van nieuwe productontwikkelingen, en dus het genereren van business. Om de toekomstige generatie marineschepen betaalbaar te houden, ondanks de continu veranderende dreigingen en missies, wordt herconfigureerbaarheid door de KM als één van de kernprincipes gezien. Dit principe moet invulling geven aan de noodzaak om te gaan opereren met kleinere bemanningen op de schepen in complexe omstandigheden, met een grotere operationele beschikbaarheid en lagere exploitatiekosten. Daarnaast zal ook voor land-gebonden toepassingen de technologie meerwaarde gaan opleveren. Dit zou mogelijk ook een brugfunctie kunnen opleveren voor het gebruik van de systemen in het maatschappelijke veiligheidsdomein. Het optreden van Defensie als een zogenaamde “launching customer” zal een belangrijke stap zijn om het potentieel op de wereldmarkt te realiseren. Dit levert een groot export potentieel van herconfigureerbare sensoren op voor de Nederlandse industrie. Ook in het buitenland worden studies gestart naar herconfigureerbaarheid. Echter, door STARS is een voorsprong opgebouwd in de kennispositie op dit strategische onderwerp. Dit moet leiden tot een versterking van de huidige sterke positie op de exportmarkt.

STARS-project

30

9.4 Spill-over Tot slot is er in hoofdstuk 8 een groot aantal spin-off gebieden geïdentificeerd. De kennis opgedaan binnen STARS, zal naar verwachting leiden tot significante business op component en sub-systeemniveau. Dit business volume kan nog verder oplopen als via de STARS-disseminatie activiteit meer geïnteresseerde Nederlandse partijen gevonden kunnen worden. Een inschatting hiervan kan op dit moment nog niet worden vastgesteld.

STARS-project

31

10

Tot slot

Het STARS-hoofdproject is succesvol afgerond. Naast de resultaten uit onderzoek moet als resultaat zeker ook de gemeenschap genoemd worden die rond het project is opgebouwd. Er zijn zoals eerder aangegeven door het project bruggen geslagen tussen onderzoeksgebieden en stakeholders die anders niet zondermeer tot stand waren gekomen. Op basis van een brede discussie met de civiele en militaire eindgebruikers is vastgesteld dat herconfigureerbare sensorsystemen een belangrijke meerwaarde kunnen hebben in het maatschappelijke veiligheidsdomein, namelijk beter en sneller kunnen anticiperen op snel veranderende en slecht te voorspellen omstandigheden. Daarnaast is duidelijk geworden dat in het STARS-project de basis is gelegd voor duurzame sensortechnologie en concepten die voor het securitydomein noodzakelijke investeringen bij veranderende dreigingen naar verwachting drastisch zullen reduceren. Het is bij de afsluiting van het totale project eind 2015, van belang dat het momentum dat is gecreëerd binnen zowel de research als binnen de opgebouwde community, behouden blijft en zal leiden tot vervolgonderzoek en doorontwikkeling van concepten naar applicaties. Veel ligt onder handbereik; door middel van “proof-of-concept” demonstraties is de haalbaarheid van een herconfigureerbare sensor-infrastructuur aangetoond. Het is de verwachting dat binnen drie tot vijf jaar gestart zou kunnen worden met de productontwikkeling van de eerste generatie herconfigureerbare systemen. In het militaire domein is binnen de “gouden driehoek (Kennis, Industrie en Overheid)” met de KM als “launching customer” een roadmap met bijbehorende investeringen opgezet. Dit is een essentiële stap om het verwachte business potentieel voor de Nederlandse industrie te kunnen realiseren. In het civiele deel van het securitydomein zijn wel mogelijke toepassingen gedefinieerd, maar ontbreekt het vooralsnog aan een duidelijke roadmap, met een heldere toekomststrategie en voldoende middelen om te investeren. Door het penvoerend Ministerie (Defensie) is de aanbeveling gegeven aan de veiligheidspartners om dit punt te adresseren in de verschillende beleidskaders voor maatschappelijke veiligheid. Naast de specifieke securitytoepassingen binnen het STARS-project zijn ook de toepassingen binnen andere domeinen (ICT, Space etc.) onderzocht. Ook daaruit is duidelijk naar voren gekomen dat binnen deze spill-overdomeinen de resultaten van het STARS-project een aanzienlijke impact kunnen hebben. Naar verwachting zal het STARS-project nieuwe economische activiteiten opleveren en mede ook door de hierboven genoemde community bijdragen aan de versterking van de Nederlandse concurrentiepositie wereldwijd. Ook zal de overheid door toepassing van toekomstige herconfigureerbare sensorsystemen op een doelmatiger manier kunnen anticiperen op veranderende omstandigheden in het maatschappelijke veiligheidsdomein. Daarmee heeft het STARS-project de beloftes en ambities die bij de start zijn neergelegd, waargemaakt.

STARS-project

32

STARS Projectbureau [email protected] 053-4893748 Universiteit Twente t.a.v. CTIT STARS-project Postbus 217 7500 AE Enschede