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Dissertationen

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Erstellt: Sun, 23 Feb 2020 06:20:54 +0100 in 0.0390 sec


Kehrle Miranda, Ricardo;
Beamforming techniques for next generation communication systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (128 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Die digitale Kommunikation ist in ihren verschiedenen Formen zu einem wesentlichen Teil des Alltags unserer Gesellschaft geworden. Dies hat die zunehmende Nachfrage nach digitalen Nachrichtensystemen zur Folge. Mobilfunknetze haben derzeitig insgesamt 7,3 Milliarden Abonnenten weltweit, wovon 1,4 Milliarden zur aktuellsten Mobilfunktechnologie der vierten Generation (4G) gehören. Bis 2022 soll die Gesamtmenge der Abonnenten auf etwa 8,9 Milliarden und für 4G auf 4,3 Milliarden anwachsen. Ferner werden Anwendungen, die einen hohen Datendurchsatz benötigen, wie z.B. virtuelle Realitätssoftware, vorausgesehen. Die Kommunikationssysteme sollten die ebenfalls ansteigende Nachfrage nach machine to machine communications abdecken. Darunter sind Internet der Dinge (IoT) und vehicular ad hoc networks (VANETs). Um eine derartige Nachfrage unterstützen zu können, wird ein Wachstum der Datenübertragungsrate in der Größenordnung von 100 derzeit als Anforderung für die Standards der fünfte Generation (5G), die bereits 2020 im Einsatz sein sollten, betrachtet. Um eine bessere Ausnutzung des knappen Spektrums zu ermöglichen, bietet sich der Einbau von Mehrantennensystemen in Kommunikationsgeräte als Schlüsseltechnologie an. Die vorliegende Arbeit legt den Schwerpunkt besonders auf Beamforming-Techniken, die das Strahlungsmuster des in Mehrantennensystemen angeordneten Geräte virtuell anpassen können, um das Signal aus einer erwünschten Richtung zu verstärken beziehungsweise die Störung aus weiteren Winkeln zu neutralisieren. Beamforming ermöglicht somit die räumliche Trennung von mehreren Quellen, die dasselbe Spektrum teilen, und kann ebenso verwendet werden, um elektronische Störer und Interferenzquellen abzuschwächen. In der vorliegenden Arbeit wurden Beamforming-Verfahren und Frameworks entwickelt, um unterschiedliche Fälle des farbigen Rauschens, zweidimensionalen Mehrantennensystemen (URA) und breitbandigen Signalen zu untersuchen. Für Systemen mit farbigen Rauschen wurden Prewhitening, Rank Reduction und eine Transformation verwendet. Für URA und breitbandige Systemen wurde die Tensordarstellung benutzt und dabei ist die Tensorzerlegung anhand der Parallel Factor Analysis (PARAFAC) zusammen mit frequency invariant beamformers (FIBs) verwendet worden. Zuletzt wurde mittels der Unscented Transformation mit geringem Rechenaufwand eine Evaluationsmethode entwickelt.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000099
Sawitzki, Axel;
Zur Berechnung der elektromagnetischen Felder von ausgedehnten komplexen Systemen durch Erweiterung der Momentenmethode um eine effiziente Rasterung. - Ilmenau, 2017. - VII, 233 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Diese Arbeit stellt eine Erweiterung der Momentenmethode (MoM) dar. Eine neue Vorgehensweise für die Diskretisierung von Linienströmen und Oberflächenströmen ist vorgestellt worden (Phasen-Diskretisierungsraster-Verfahren [PDRV]). Sie basiert auf der Phase des einfallenden tangentialen elektrischen Feldes. Die Verwendbarkeit der Theorie wurde an Beispielen gezeigt. Die Auswertung der gezeigten Rechenbeispiele ergibt folgende Kernaussagen: Eine gute Übereinstimmung der Ströme bei Ebenen mit Querabmessungen ab ca. 2 Wellenlängen, wobei im Abstand von ca. einem Viertel der Wellenlänge zu den Rändern Abweichungen auftreten. Als Kriterium für die Anwendbarkeit vom PDRV gilt, dass die Phasendifferenz der Tangentialkomponente des einfallenden Feldes auf der Ebene mindestens 4 pi beträgt. Bei Ebenen ergibt sich eine z. T. deutliche Reduktion der Anzahl der unbekannten Amplituden. In einem Rechenbeispiel konnte eine Berechnung mit nur ca. 69,3 Prozent der Basisfunktionen auf der Streuebene durchgeführt werden, die bei Anwendung der Standard-MoM mit 8 Funktionen je Wellenlänge notwendig wären. Theoretisch wurde gezeigt, dass sich dieser Wert bei großen Ebenen der 50 Prozent-Grenze annähert. Bei kleineren Ebenen (d. h. die Phasendifferenz der Tangentialkomponente des einfallenden Feldes auf der Ebene ist kleiner als 4 pi) ist die Anwendung des PDRV aus 2 Gründen nicht sinnvoll. Der randnahe Bereich umfasst einen großen Teil der Ebene. Abweichungen in der Lösung für die randnahen Ströme würden das Gesamtergebnis stark beeinflussen (Genauigkeitsproblem). Der 2. Grund betrifft den numerischen Aufwand. Die Diskretisierung unter Anwendung des PDRV resultiert in einer i. A. geringeren Anzahl von Funktionen im Innenteil von Ebenen und in einer erhöhten Anzahl am Rand. Dadurch wird sich bei elektrisch kleinen Ebenen oft ein numerischer Mehraufwand ergeben. Die elektrische Ausdehnung kann als ein wesentliches Kriterium zur Verwendbarkeit angegeben werden. Die Momentenmethode besitzt eine wesentliche Anwendungsgrenze dahingehend, dass die Berechnungen an elektrisch großen Körpern viel Rechenzeit und Speicherbedarf erfordern. Wesentliche Anteile bezüglich des Rechenaufwands sind das Aufstellen der Koppelimpedanzmatrix und die Lösung der Matrixgleichung. Durch eine Reduktion der für eine korrekte Berechnung notwendigen Anzahl von Basisfunktionen kann der Gesamtaufwand reduziert werden. Nach dem Stand der Technik ist die Anzahl der benötigten Basisfunktionen bestimmbar aus den geometrischen Abmessungen und der anregenden Frequenz. Unter bestimmten Annahmen gilt die folgende Bedingung: Ca. 8 Dreiecks-Funktionen je Wellenlänge für angenommene Linienströme (Stäbe) bzw. 2 &hahog; 8 &hahog; 8 = 128 Rooftop-Funktionen für Rechtecksflächen mit Kantenlängen von einer Wellenlänge (Flächenströme) sind erforderlich. Eine Lageberechnung der Funktionen erfolgt nicht, d. h. die Funktionen werden auf einer Weglänge gemäß ihrer Anzahl angeordnet. In dieser Arbeit ist zunächst untersucht worden, inwieweit zusätzliche Informationen verwendet werden können, um den Rechenaufwand zu senken. Gemäß der Herleitung des Berechnungsverfahrens (MoM) existiert ein Übergang von der elektrischen Feldintegralgleichung zu den Basisfunktionen. Die Basisfunktionen werden aus dem Grunde eingeführt, weil die Feldintegralgleichung nur in wenigen Spezialfällen analytisch nach einem unbekannten Strom lösbar ist. Der Übergang von der Integralgleichung zu einer Matrixgleichung ermöglicht die Berechnung einer Lösung nicht nur für diese wenigen Spezialfälle, sondern für praxisnahe Streuprobleme. Der Stromverlauf auf Oberflächen wird als eine additive Überlagerung einzelner, mit ihren Amplituden gewichteten, Basisfunktionen modelliert. Mit dem Ziel der Reduktion des numerischen Aufwandes für die Gesamtberechnung ist der Übergang von der elektrischen Feldintegralgleichung zu den Basisfunktionen modifiziert worden. Unter der Annahme, dass auf leitfähigen Oberflächen fließende Ströme bestimmte Eigenschaften besitzen, kann die Diskretisierung problemangepasst durchgeführt werden. Am Anfang und am Ende elektrisch leitfähiger Oberflächen ist die Stromstärkekomponente senkrecht zum Rand identisch Null. Im inneren Bereich von Ebenen (bzw. Leitern) ergeben sich oft Stromverläufe, die als annähernd sinusförmig beschrieben werden können. Vor allem durch die endliche Ausdehnung der leitfähigen Körper sowie Einstrahlungen, Abstrahlungen und Verlusten kommt es zu Veränderungen der Kurvenformen des Stromes. Unter Verwendung bestimmter Annahmen werden die Stromverläufe zunächst bezüglich der örtlichen Lage der Basisfunktionen berechnet. Daraus kann eine Diskretisierung des Stromverlaufes ermittelt werden. Erst danach folgen die Berechnung der elektromagnetischen Verkopplung der Basis- und Gewichtsfunktionen sowie die Lösung des Gleichungssystems nach dem unbekannten Strom. Durch diese Vorgehensweise kann die Anzahl der erforderlichen Basisfunktionen gegenüber dem bisherigen Stand der Technik reduziert werden. Verwendet werden Phasenlinien des tangentialen elektrischen Feldes. Aus dem Verlauf der Phasenlinien wird die Lage der Basisfunktionen ermittelt. Im Randbereich sind weitere Funktionen notwendig, um die Kantenströme und den Übergang zwischen Kantenströmen und Flächenströmen im Innenteil von Ebenen korrekt zu modellieren. Eine wesentliche Einschränkung im PDRV besteht durch die verwendeten Basisfunktionen vom Typ Rooftop und Sinus. Die Überlappungen der Sinusfunktionen mit anderen Sinus- oder Rooftop-Funktionen erfordern genaue Lageberechnungen für die Sinusfunktionen. Geringe Abweichungen in der Lage der Funktionen können zu deutlichen Abweichungen in den Flächenströmen führen, besonders bei den Überlappungen zwischen Rooftop-Funktionen und Sinusfunktionen. Wenn beide Stromrichtungen in einem nicht kollinearen System von Basisfunktionen, am selben Ort, deutlich unterschiedlich große Flächenströme besitzen, dann kann die MoM-Lösung für die kleinen Flächenströme fehlerhaft sein. Eine mögliche Abhilfe ist die Verwendung von der Standard-MoM für diese Gebiete auf den Streukörper. Die Erkennung derartiger Streuprobleme vor der Kenntnis der Flächenströme ist nicht leicht durchführbar. Eine Kombination aus PDRV und Standard-MoM ist möglich. Das jeweils verwendete Verfahren kann für einzelne Streukörper zugeordnet werden. Es ist auch möglich, die Trennlinie zwischen beiden Verfahren auf leitfähige Oberflächen zu legen. Ein Teil der Modellierungen, wie die Stab-Ebene-Verbindung, die Verbindung von Ebenen usw., könnte mit der Standard-MoM beschrieben werden, andere Oberflächenteile mit dem PDRV. Eine Berechnung des jeweiligen Gesamtproblems erscheint dadurch möglich. Die Zusammenfassung von mehreren Basisfunktionen zu einer größeren Basisfunktion, beschrieben im Abschnitt 3.6, ist entscheidend für die Verkleinerung der Systemmatrix der MoM. Die Anwendbarkeit der Gruppenbildung sowohl im PDRV als auch bei der Standard-MoM wurde gezeigt, d. h. auch in der Standard-MoM können Rasterungen derart verändert werden, dass weniger Basisfunktionen benötigt werden. Die Modellierung einer Stab-Ebene-Verbindung im Rahmen der Standard-MoM wurde bereits in der Literatur vorgestellt [NP78]. Die in der vorliegenden Arbeit beschriebene, auf Phasenlinien basierende Diskretisierung ist um die Stabanbindung erweitert worden. Die Berechnung unter Verwendung des PDRV erforderte mehr Basisfunktionen als bei Verwendung der Standard-MoM. Der Grund hierfür sind die kleinen Abmessungen der Streuebene. Bei deutlich größeren Streuebenen ist jedoch eine Reduktion der Anzahl der Unbekannten zu erwarten. Die vorgestellten Untersuchungen zu den Anwendungsgrenzen zeigen die vielfältige Anwendbarkeit des PDRV. Das Verhalten bezüglich der Toleranzen der Eingangsgrößen wurde anhand von berechneten Beispielen gezeigt. Die Diskretisierung mit dem PDRV basiert auf der Phase des einfallenden Feldes. Eine genaue Berechnung der Lage der Phasenlinien ist unbedingt notwendig, war für die vorgestellten Beispiele auch möglich. In einer Parameterstudie wurde die Anzahl der Phasenlinien des einfallenden Feldes geändert, die zur Rasterung der Streuebene verwendet werden. Dadurch wird angenommen, dass eine genaue Berechnung der Rasterung nicht möglich wäre. Der Einfluss dieses Parameters beschränkt sich im Wesentlichen auf die genaue Lage der Basisfunktionen vom Typ Sinus. Bei einer geänderten Anzahl von Phasenlinien wurden die Verläufe der Flächenströme ungenauer, vor allem bei lokalen Extremwerten. Im Allgemeinen sollten die Anzahl und der Verlauf der Phasenlinien ausreichend genau bestimmbar sein. Die Überlegungen zur Anzahl der Phasenlinien sind wichtig für eventuelle Erweiterungen des PDRV auf mehrere Streukörper. Die Diskretisierung einer Ebene erfordert die Kenntnis der Streufelder aller anderen Streukörper, welche auf diese Ebene einwirken. Eine vereinfachte Diskretisierung unter Vernachlässigung anderer Streukörper erscheint dann möglich, wenn dadurch die Phase des einfallenden Feldes nur gering geändert wird. Als Ergebnis der Parameteruntersuchung kann in Einzelfällen sogar eine wenig geänderte Anzahl von Phasenlinien akzeptiert werden. Die Änderung der Polarisation des einfallenden Feldes, durch Drehung einer Antenne, bewirkte eine Änderung der Genauigkeit gegenüber den Vergleichslösungen. Eine besondere Beachtung erfordern die Streuprobleme, bei denen stark unterschiedliche Stromamplituden mit verschiedenen Richtungen dicht benachbart auftreten. Im ersten Rechenbeispiel im Abschnitt 9.4.3 trat dieser Fall auf. Für jede Polarisation der Antenne ist grundsätzlich eine erneute Diskretisierung der Streuebene erforderlich. Dies ist ein Nachteil des PDRV gegenüber der Standard-MoM. Dort können bei kleinen Änderungen des Streuproblems, besonders bei konstanter Frequenz, das Diskretisierungsraster unverändert bleiben und große Anteile der Koppelimpedanzmatrix erneut verwendet werden. Es ist in jedem Einzelfall zu entscheiden, ob das PDRV anwendbar ist. Die Aussagen in dieser Arbeit können nicht auf alle möglichen Problemstellungen verallgemeinert werden. Die tatsächlich gesuchten Größen sowie die gewünschte Genauigkeit der Ergebnisse sind für die Wahl von Parametern im PDRV zu berücksichtigen. So wirkt z. B. das Zusammenfassen von Basisfunktionen sowohl auf die Anzahl der Unbekannten als auch auf die Genauigkeit. Bei der Berechnung elektrisch kleiner Ebenen und bei kleinen Phasendifferenzen des auf die Ebene einfallenden Feldes bestehen Nachteile des PDRV. In diesen Fällen können Rechengenauigkeit und Aufwand ungünstiger sein als bei Verwendung der MoM. Allerdings ist die Anzahl der Basisfunktionen auf elektrisch kleinen Oberflächen naturgemäß gering. Berechnungen kleiner Ebenen mit Hilfe der MoM erscheinen möglich. Erst bei größeren Ebenen tritt der hohe numerische Aufwand der MoM als Problem auf. Die entwickelte Theorie wurde auf Rechenbeispiele angewendet. Die Vergleiche der Flächenströme erfolgten entlang von Schnittlinien auf den Oberflächen. Dabei zeigte sich, dass Ströme im Randbereich abweichen können, im Inneren der Ebenen jedoch genau berechnet werden. Eine mögliche Fortsetzung der Arbeit könnte in der Weiterentwicklung des Übergangs zwischen den Randströmen und dem Inneren der Ebenen liegen. In dieser Arbeit wurden Flächenströme auf viereckigen Streuebenen berechnet. Es wurde versucht, die Vorteile und die Nachteile des PDRV anhand von unterschiedlichen Anwendungsfällen aufzuzeigen. Praktische Streuprobleme können jedoch deutlich kompliziertere Streukörper enthalten: z. B. mehrere nicht ebene Vierecke mit unterschiedlicher Größe, Form und Lage zueinander. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten für eine Fortsetzung der Arbeit. Praxisnahe Problemstellungen können größere Abmessungen besitzen. Die Frequenzen der technischen Anwendungen haben den Gigahertzbereich bereits überschritten. Das in der Einleitung beschriebene Problem des stark ansteigenden Rechenaufwands bei der Verwendung der Momentenmethode wird auch in der Zukunft eine wichtige Anwendungsgrenze darstellen. In dieser Arbeit wurden Streuprobleme mit wenigen Tausend Unbekannten berechnet. Im Beispiel konnte der numerische Aufwand bei der Diskretisierung von Ebenen, verglichen mit dem bisherigen Stand der Technik, auf Werte von 69,3 % gesenkt werden. Die Anzahl der Funktionen auf Stabstrukturen beträgt ca. 50 % gegenüber der MoM.



Kieler, Oliver F. O.;
Pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal - Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer. - Bremen : Fachverlag NW in der Schünemann Verlag GmbH, 2017. - X, 141 Seiten. . - (PTB-Bericht)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

ISBN 978-3-95606-303-9

Im Rahmen der Arbeit wurde vom Autor ein pulsgetriebenes AC-Josephson-Spannungsnormal (kurz "JAWS": Josephson Arbitrary Waveform Synthesizer) zur Erzeugung von AC Wellenformen höchster Güte entwickelt. Dies beinhaltet die Entwicklung geeigneter Schaltungsdesigns/layouts, die Optimierung von Josephson-Kontakt Parametern und die Fabrikation der Schaltungen im Reinraumzentrum der PTB. Algorithmen zur Code-Erzeugung mittels [Sigma-Delta]-Simulation wurden erstellt. Der experimentelle Aufbau wurde im Rahmen der Arbeit entwickelt und kontinuierlich optimiert. Es konnten bis zu 9000 Josephson-Kontakte in einer JAWS-Schaltung durch Verwendung von 3-fach gestapelten SNS Kontakten mit NbxSi1-x Barriere integriert werden (S: Supraleiter, N: Normalleiter). Mit 2 Schaltungen pro Chip konnte somit eine Ausgangsspannung von ca. Vsignal = 0,35 VRMS bei einer Clock-Frequenz von fclock = 15 GHz realisiert werden. Durch Nutzung eines neuartigen 8-Kanal Sympuls Pulsgenerators wurde mit 8 Schaltungen auf 4 Chips (63 000 Josephson-Kontakte) eine Spannung von 1 VRMS erreicht. Beliebige Wellenformen konnten mit exzellenter spektraler Reinheit (SNR bis -125 dBc) in einem sehr breiten Frequenzbereich synthetisiert werden: DC-Signale und AC-Wellenformen von fsignal = 2 Hz bis fsignal > 1 MHz. Es wurde nachgewiesen, dass diese Wellenformen zeitlich sehr stabil sind, und ein extrem geringes Rauschen und Drift aufzeigen. Die hohe Präzision des JAWS wurde durch einen direkten Vergleich JAWS vs. JAWS eindrucksvoll demonstriert. Für die Verbreitung von Josephson Spannungsnormalen gewinnt die Verwendbarkeit dieser in Kleinkühlern zunehmend an Bedeutung. Es wurde gezeigt, dass das JAWS problemlos im Kleinkühler betrieben werden kann. Anhand einiger ausgewählter beliebiger Wellenformen konnte die Leistungsfähigkeit des JAWS für zukünftige Anwendungen aufgezeigt werden. Einige Beispiele für erste Anwendungen wurden erläutert. Vom Autor wurden im Rahmen der Arbeit nahezu selbständig drei JAWS-Systeme aufgebaut, die nun in der elektrischen Metrologie weiterentwickelt und genutzt werden können. Dies schließt die umfangreiche Software-Entwicklung zur Code-Erzeugung, System-Steuerung und Daten-Erfassung mit ein. Mit einer Ausgangsspannung von 1 VRMS stehen nun viele Einsatzmöglichkeiten für das JAWS offen (z.B. Einsatz in Impedanz-Brücken - diese Entwicklung hat an PTB bereits begonnen).



Neudert-Schulz, Dominik;
A contribution to efficient direction finding using antenna arrays. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (x, 177 Seiten, 25.09 MB).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017

Sicherlich gibt es nicht den einen Algorithmus zur Schätzung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Wellen. Statt dessen existieren Algorithmen, die darauf optimiert sind Hunderte Pfade zu finden, mit uniformen linearen oder kreisförmigen Antennen-Arrays genutzt zu werden oder möglichst schnell zu sein. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit letzterer Art. Wir beschränken uns jedoch nicht auf den reinen Algorithmus zur Richtungsschätzung (RS), sondern gehen das Problem in verschiedener Hinsicht an. Die erste Herangehensweise befasst sich mit der Beschreibung der Array-Mannigfaltigkeit (AM). Bisherige Interpolationsverfahren der AM berücksichtigen nicht inhärent Polarisation. Daher wird separat für jede Polarisation einzeln interpoliert. Wir übernehmen den Ansatz, eine diskrete zweidimensionale Fouriertransformation (FT) zur Interpolation zu nutzen. Jedoch verschieben wir das Problem in den Raum der Quaternionen. Dort wenden wir eine zweidimensionale diskrete quaternionische FT an. Somit können beide Polarisationszustände als eine einzige Größe betrachtet werden. Das sich ergebende Signalmodell ist im Wesentlichen kompatibel mit dem herkömmlichen komplexwertigen Modell. Unsere zweite Herangehensweise zielt auf die fundamentale Eignung eines Antennen-Arrays für die RS ab. Zu diesem Zweck nutzen wir die deterministische Cramér-Rao-Schranke (Cramér-Rao Lower Bound, CRLB). Wir leiten drei verschiedene CRLBs ab, die Polarisationszustände entweder gar nicht oder als gewünschte oder störende Parameter betrachten. Darüber hinaus zeigen wir auf, wie Antennen-Arrays schon während der Design-Phase auf RS optimiert werden können. Der eigentliche Algorithmus zur RS stellt die letzte Herangehensweise dar. Mittels einer MUSIC-basierte Kostenfunktion leiten wir effiziente Schätzer ab. Hierfür kommt eine modifizierte Levenberg- bzw. Levenberg-Marquardt-Suche zum Einsatz. Da die eigentliche Kostenfunktion hier nicht angewendet werden kann, ersetzen wir diese durch vier verschiedene Funktionen, die sich lokal ähnlich verhalten. Diese Funktionen beruhen auf einer Linearisierung eines Kroneckerproduktes zweier polarimetrischer Array-Steering-Vektoren. Dabei stellt sich heraus, dass zumindest eine der Funktionen in der Regel zu sehr schneller Konvergenz führt, sodass ein echtzeitfähiger Algorithmus entsteht.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000020
Finke, Thomas;
SEREMA : self-organized routing in heterogeneous mobile ad hoc networks. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2016. - 1 Online-Ressource (xvi, 211 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Nach Naturkatastrophen, wie beispielsweise Erdbeben, Wirbelstürmen, Flutwellen oder auch nach durch den Menschen verursachten Katastrophen wie Terroranschlägen oder Unfällen, ist es sehr wichtig die Ersthelfer zu organisieren. Hierfür ist eine Kommunikationsinfrastruktur, welche zum Beispiel Basisstationen für Mobilfunknetze enthält, von entscheidender Bedeutung. Diese Infrastruktur kann durch die Katastrophe jedoch schwer beeinträchtigt oder vollkommen zerstört sein. Heutzutage sind Ersthelfer als auch Opfer üblicherweise mit leistungsfähigen mobilen Endgeräten, wie Smartphones oder Notebooks, ausgerüstet. Diese mobilen Endgeräte, welche über eine Vielzahl von Netzzugangstechnologien verfügen, können zu einem sogenannten Ad-hoc-Netzwerk zusammengeschlossen werden und bilden anschließend eine infrastrukturlose Kommunikationsbasis. Die Leistungsfähigkeit von kabellosen Ad-hoc-Netzwerken ist dabei stark von der Anzahl bekannter Verbindungen im Netz abhängig. Diese Verbindungen, auch Routen genannt, werden durch das verwendete Routingprotokoll gesucht und ständig aktualisiert. Hierzu stehen verschiedenartige Routingprotokolle zur Verfügung, welche Topologieinformationen zwischen den einzelnen Knoten eines Netzwerks austauschen. Für kabellose Ad-hoc-Netzwerke sind hierfür zahlreiche Routingprotokolle verfügbar, jedoch sind diese bereits existierenden Protokolle nur eingeschränkt für hochdynamische mobile Ad-hoc-Netzwerke geeignet. Dies liegt darin begründet, dass sie nicht in der Lage sind, sich an große Änderungen im Netzwerk anzupassen. In Katastrophenszenarien können allerdings hochdynamische Netzwerke vorkommen, in welchen beispielsweise die Größe des Netzes zwischen einigen wenigen und einigen hundert Knoten schwankt oder sich die Knotengeschwindigkeit von statischen bis hin zu hochmobilen Knoten verändert. Die vorliegende Arbeit präsentiert einen adaptiven Ansatz, welcher in der Lage ist, die gegebenen Parameter des Netzwerks in einer dezentralen Weise zu ermitteln und anschließend das verwendete Routingprotokoll während der Laufzeit zu wechseln, um somit das Routing sehr flexibel an die Gegebenheiten des Netzwerks anzupassen.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000383
Hijazi, Naeim;
Entwurf und Optimierung eines Übertragungssystems zur induktiven Energieversorgung für medizinische Implantate mit der Trägerfrequenz 13,56 MHz. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (138 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Die Entwicklung eines Augenimplantats mit Komponenten für die drahtlose Energie- und Datenübertragung steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurden verschiedene Konzepte zur drahtlosen Übertragung von Energie und Daten an einem medizinischen Implantat untersucht und optimiert. Die Entwicklung des Energieübertragungssystems erfolgte mit dem Ziel der Erreichung einer hoher Effizienz und einer möglichst geringen Wärmeentwicklung. Weiterhin sollte die Energieversorgung zum Implantat so gesteuert werden, dass eine akzeptable konstante Energiemenge übertragen werden kann. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten, müssen der Typ des eingesetzten Verstärkers richtig konstruiert sein und seine Komponenten sorgfältig gewählt werden. Nur durch die Wahl des richtigen Verstärkers kann der Wunsch nach niedrigen Energieverlusten und hohem Wirkungsgrad erfüllt werden. In der Arbeit sind verschiedene Verstärkertypen zur drahtlosen Energieübertragung vorgestellt und untersucht worden, um anschließend den für das Anforderungsprofil am besten geeigneten Verstärkertyp auszuwählen. Dieser Verstärker wurde entworfen und mit Hilfe von Simulationen, Berechnungen und Messungen für den Einsatz optimiert. Der Sender ist mit einem optimierten analogen Klasse-E-Verstärker aufgebaut worden und arbeitet bei einer Trägerfrequenz von 13,56 MHz im ISM-Band. Zunächst wurde der Übertragungskanal innerhalb des elektronischen Systems entsprechend nachgebildet und gemessen. Danach ist das ganze Übertragungssystem entworfen, optimiert, realisiert und getestet worden. Die geeigneten Systemkomponenten zur drahtlosen Datenübertragung mussten noch konzipiert, entwickelt und realisiert werden. Die Algorithmen für Signaldekodierung und Displayansteuerung werden ebenfalls in einer Hardwarebeschreibungssprache (Verilog-HDL) geschrieben und als Displaytreiberchip realisiert. Weitern Bestandteile des Implantats, wie Daten- und Energiechips, wurden als integrierte Schaltkreise gefertigt. Ebenso wurde die geeignete implantierbare Empfangsspule dimensioniert und hergestellt. Die Komponenten des Implantats wurden zusammengebaut und in eine Silikonhülle eingegossen. Im Rahmen des IOS-Projekts (intraokulare Sehhilfe) sollte ein Prototyp des Gesamtsystems entwickelt werden, mit dessen Hilfe nicht nur die prinzipielle Machbarkeit einer technischen Sehhilfe gezeigt werden kann, sondern auch ihre Realisierbarkeit als Mikrosystem nachgewiesen wird.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000854
Vogt, Gabor;
Effizienter, flexibler und genauer Entwurf von Mehrlagen-Mikrowellenschaltungen mittels modularer Techniken. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (ii, 159 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Mit der Erschließung neuer Frequenzbereiche und der steigenden Komplexität von Mehrlagen-Mikrowellenschaltungen steigt auch der Bedarf nach effizienten, flexiblen und genauen Entwurfsmethoden. Die vorliegende Arbeit verfolgt daher einen systematischen Ansatz zur Evaluierung von Entwurfsverfahren anhand dieser wesentlichen Kriterien. Grundidee der daraus entwickelten und anhand von Teststrukturen verifizierten Methodik ist die konsequente Modularisierung von Mikrowellensystemen mit entsprechend geeigneten Entwurfstechniken. Auf der Basis einer flexibel erweiterbaren Modulbibliothek werden komplexe Leitungsstrukturen mittels konstruktiver und elektromagnetischer Verkettung, unter Minimierung auftretender Simulationsfehler effizient modelliert, simuliert und optimiert. Auch technologische Herausforderungen bei der strukturtreuen Herstellung keramischer Mehrlagenmodule (engl. low temperature co-fired ceramics, LTCC) werden dabei quantitativ erfasst und entwurfsseitig berücksichtigt. Als wichtigstes Ergebnis neben den ausgeführten und erprobten Entwurfstechniken, konnte ausgehend vom Forschungsprojekt KERAMIS II (Keramische Mikrowellenschaltkreise für die Satellitenkommunikation) ein Schaltmatrix-Modul für einen LTCC-Substratwechsel adaptiert, aufgebaut, erfolgreich charakterisiert und zur Verifikation des modularen Entwurfsansatzes genutzt werden.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000736
Butt, Safwat Irteza;
Compact adaptive planar antenna arrays for robust satellite navigation systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (185 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

- Enthält Thesen

In den zurückliegenden zwei Jahrzehnten ist die Abhängigkeit der Industriegesellschaft von satellitengestützten Ortungssystemen, Navigationsdiensten und Zeitsignalen dramatisch gewachsen. Darauf aufbauende moderne Anwendungen reichen von hochgenauen Ortungsgeräten bis zu intelligenten Transportsystemen und von der Synchronisation mobiler Netzwerke zu Wetter- und Klimabeobachtung. Dies setzt neue höhere Standards in der Robustheit, Genauigkeit, Verfügbarkeit und Verlässlichkeit moderner Navigationsempfänger voraus. Möglich werden diese Verbesserungen aktuell mit der Einführung von Multiantennensystemen in den Navigationsgeräten. Jedoch wird die Nutzung dieses Ansatzes durch die größeren Abmessungen der Antennenarrays erschwert, weil standardmäßig der Elementabstand zu einer halben Freiraumwellenlänge gewählt wird, was im L Band ca. 10 cm bedeutet. In dieser Arbeit werden kompakte Antennenarrays für Navigationsempfänger mit geringerem Elementabstand vorgeschlagen, die eine Miniaturisierung der Empfängerabmessungen erlauben. Diese kompakten Arrays werden in ihrer Leistungsfähigkeit jedoch durch die negativen Effekte der Verkopplung zwischen den Einzelelementen beeinträchtigt. Für die Beurteilung der Empfängerleistungsfähigkeit existieren verschiedene Qualitätsparameter für Analyse und Entwurf der planaren Arrays. Damit werden z. B. Diversity Freiheitsgrade, Qualität der Richtungsschätzung, Polarisationsreinheit und die wechselseitigen Kopplungen gemessen und eine Entwurfsumgebung wird vorgestellt, in der das optimale kompakte Antennenarray für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt und konfiguriert werden kann. Dieser Prozess wird durch eine Analyse des Rauschens und seiner Korrelationseigenschaften für den gesamten Empfänger begleitet. Darüber hinaus wird ein analytisches Modell des effektiven carrier-to-interference-plus-noise ratio abgeleitet, um die Leistungsfähigkeit der Navigationsempfänger in Szenarien mit Störsignalen zu untersuchen. Schließlich werden diese Betrachtungen durch den Aufbau eines kompletten Satellitennavigationsempfängers ergänzt, um mit ihm den Nachweis der Funktionsfähigkeit und der stabilen Funktion des entworfenen Systems mit kompaktem Array unter Störereinfluss bei Laborbedingungen und in den realen Außeneinsatz zu erbringen.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000659
Begerow, Peggy;
Zuverlässige Gruppenkommunikation in mobilen Ad-hoc-Netzen auf Basis eines verzögerungstoleranten Kommunikationsdienstes. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (131 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Ein zuverlässiges Netz für die Kommunikation ist die Basis für eine erfolgreiche Organisation und Koordination von Rettungskräften in Katastrophenfällen. Die heutige Kommunikationstechnik der Rettungskräfte basiert auf dem digitalen Funksystem Terrestrial Trunked Radio (TETRA). TETRA bietet keine ausreichende Datenrate für Multimediadaten und ist bei zerstörter Infrastruktur nur eingeschränkt nutzbar. Deshalb ist es notwendig die Kommunikation in Katastrophenfällen auf anderen Netztypen aufzubauen und Protokolle weiterzuentwickeln. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der zuverlässigen Gruppenkommunikation in Katastrophenfällen. Durch die oft fehlende Infrastruktur in solchen Szenarien, werden Mobile Ad-hoc Networks (MANETs) verwendet, um eine Kommunikation kurzfristig wieder herzustellen. MANETs bilden sich selbständig und sind in ihrer Reichweite eingeschränkt. Das kann dazu führen, dass mehrere zu einer Kommunikationsgruppe gehörende Kommunikationspartner nicht direkt miteinander verbunden sind. Um trotzdem eine Kommunikation zu ermöglichen, wurde unter Nutzung eines verzögerungstoleranten Kommunikationsdienstes (Delay Tolerant Networking (DTN)) ein Gruppenkommunikationsprotokoll entwickelt. Dieses Protokoll (Reliable Multicast over Delay Tolerant Mobile Ad Hoc Networks (RMDA)) übermittelt Gruppennachrichten mit einer hohen wählbaren Zuverlässigkeit an die gewünschten Gruppenmitglieder unter Optimierung des Speicherplatzbedarfs der DTN-Knoten.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000562
Salman, Aymen Dawood Salman;
Quality of service aware routing protocol for a self-organized communication network. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (ix, 152 Seiten).
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016

Mobile Ad-hoc-Netze (MANETs) ermöglichen eine Kommunikation überall zu jedem Zeitpunkt. Frei sich bewegende Knoten können überall ein solches Netz bilden, wobei die Teilnehmer zu jeder Zeit dem Netz beitreten oder es wieder verlassen können. Ein teilnehmender Knoten in einem MANET kommuniziert mit allen anderen über Multi-Hop-Kommunikation. So ermöglicht ein MANET viele unterschiedliche Anwendungen aus verschiedenen Domänen wie beispielsweise Unterhaltungskommunikation, Notfallkommunikation oder Einsatzkommunikation. Allerdings benötigen Echtzeitanwendungen wie Telefonie oder Videokommunikation eine stringente Kommunikationsdienstgüte, was für MANETs eine große Herausforderung darstellt. Diese Herausforderung hat viele Gründe: das dynamische und unvorhersehbare Verhalten der Knoten im MANET, die Unzuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation, die Beschränkung der zur Verfügung stehenden Kommunikationsressourcen (wie Batterielaufzeit, Bandbreite oder Prozessorleistung), die relativ große Abdeckung durch ein MANET. Die Herausforderung kann in der Vermittlungsschicht durch ein spezielles Routingprotokoll gelöst werden, das mehrere gleichzeitige Pfade von der Quelle zum Ziel verwendet, sodass die Dynamik in einem MANET Berücksichtigung findet ohne dass die Dienstgüte kompromittiert werden muss. Das vorrangige Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung eines solchen Routingverfahrens, das Echtzeitanwendungen in einem MANET unterstützt. Für das adaptive Mehrwegerouting wurde ein Ameisenalgorithmus (Ant Colony Optimization, ACO) angewendet, der das Prinzip der Schwarmintelligenz ausnutzt. Die Bestimmung der aktuell möglichen Kommunikationsdienstgüte erfolgt über die Informationen, die das Netzmanagementprotokoll Simple Network Management Protocol SNMP standardmäßig zur Verfügung stellt. Durch die Kombination dieser beiden Ansätze wurde das adaptive Mehrwegeroutingprotokoll "QoS-aware Routing Protocol based on ACO" (QoRA) vorgeschlagen. In der vorliegenden Dissertation werden das Konzept von QoRA vorgestellt und die interne Funktionsweise erläutert. Anhand umfangreicher Simulationen auf Basis des Simulationswerkzeug ns-3 werden die Vorteile des Verfahrens nachgewiesen. Den Abschluss bildet die Diskussion einer Implementierung von QoRA in einer realen Testumgebung.



http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000494