Robust multi-dimensional model order estimation using LineAr Regression of Global Eigenvalues (LaRGE). - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 70 (2022), S. 5751-5764
The efficient estimation of an approximate model order is very important for real applications with multi-dimensional low-rank data that may be corrupted by additive noise. In this paper, we present a novel robust to noise method for model order estimation of noise-corrupted multi-dimensional low-rank data based on the LineAr Regression of Global Eigenvalues (LaRGE). The LaRGE method uses the multi-linear singular values obtained from the HOSVD of the measurement tensor to construct global eigenvalues. In contrast to the Modified Exponential Test (EFT) that also exploits the approximate exponential profile of the noise eigenvalues, LaRGE does not require the calculation of the probability of false alarm. Moreover, LaRGE achieves a significantly improved performance in comparison with popular state-of-the-art methods. It is well suited for the analysis of noisy multidimensional low-rank data including biomedical signals. The excellent performance of the LaRGE method is illustrated via simulations and results obtained from EEG recordings.
https://doi.org/10.1109/TSP.2022.3222737
Benefits and limits of machine learning for the implicit coordination on SON functions. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (iv, 184 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Bedingt durch die Einführung neuer Netzfunktionen in den Mobilfunknetzen der nächsten Generation, z. B. Slicing oder Mehrantennensysteme, sowie durch die Koexistenz mehrerer Funkzugangstechnologien, werden die Optimierungsaufgaben äußerst komplex und erhöhen die OPEX (OPerational EXpenditures). Um den Nutzern Dienste mit wettbewerbsfähiger Dienstgüte (QoS) zu bieten und gleichzeitig die Betriebskosten niedrig zu halten, wurde von den Standardisierungsgremien das Konzept des selbstorganisierenden Netzes (SON) eingeführt, um das Netzmanagement um eine Automatisierungsebene zu erweitern. Es wurden dafür mehrere SON-Funktionen (SFs) vorgeschlagen, um einen bestimmten Netzbereich, wie Abdeckung oder Kapazität, zu optimieren. Bei dem konventionellen Entwurf der SFs wurde jede Funktion als Regler mit geschlossenem Regelkreis konzipiert, der ein lokales Ziel durch die Einstellung bestimmter Netzwerkparameter optimiert. Die Beziehung zwischen mehreren SFs wurde dabei jedoch bis zu einem gewissen Grad vernachlässigt. Daher treten viele widersprüchliche Szenarien auf, wenn mehrere SFs in einem mobilen Netzwerk instanziiert werden. Solche widersprüchlichen Funktionen in den Netzen verschlechtern die QoS der Benutzer und beeinträchtigen die Signalisierungsressourcen im Netz. Es wird daher erwartet, dass eine existierende Koordinierungsschicht (die auch eine Entität im Netz sein könnte) die Konflikte zwischen SFs lösen kann. Da diese Funktionen jedoch eng miteinander verknüpft sind, ist es schwierig, ihre Interaktionen und Abhängigkeiten in einer abgeschlossenen Form zu modellieren. Daher wird maschinelles Lernen vorgeschlagen, um eine gemeinsame Optimierung eines globalen Leistungsindikators (Key Performance Indicator, KPI) so voranzubringen, dass die komplizierten Beziehungen zwischen den Funktionen verborgen bleiben. Wir nennen diesen Ansatz: implizite Koordination. Im ersten Teil dieser Arbeit schlagen wir eine zentralisierte, implizite und auf maschinellem Lernen basierende Koordination vor und wenden sie auf die Koordination zweier etablierter SFs an: Mobility Robustness Optimization (MRO) und Mobility Load Balancing (MLB). Anschließend gestalten wir die Lösung dateneffizienter (d. h. wir erreichen die gleiche Modellleistung mit weniger Trainingsdaten), indem wir eine geschlossene Modellierung einbetten, um einen Teil des optimalen Parametersatzes zu finden. Wir nennen dies einen "hybriden Ansatz". Mit dem hybriden Ansatz untersuchen wir den Konflikt zwischen MLB und Coverage and Capacity Optimization (CCO) Funktionen. Dann wenden wir ihn auf die Koordinierung zwischen MLB, Inter-Cell Interference Coordination (ICIC) und Energy Savings (ES) Funktionen an. Schließlich stellen wir eine Möglichkeit vor, MRO formal in den hybriden Ansatz einzubeziehen, und zeigen, wie der Rahmen erweitert werden kann, um anspruchsvolle Netzwerkszenarien wie Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) abzudecken.
https://doi.org/10.22032/dbt.54710
Homogeneous finite-gain Lp-stability analysis on homogeneous systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (XVI, 197 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die klassische Lp-Stabilität und Lp-Verstärkung für beliebige stetige, gewichtete homogene Systeme nicht wohldefiniert ist. Indem die klassische Lp-Norm von Signalen zu einer homogenen Lp-Norm so angepasst wird, dass diese bezüglich der Gewichtsvektoren homogen ist, ist es möglich zu zeigen, dass jedes intern stabile homogene System für hinreichend große p eine global definierte endliche homogene Lp-Verstärkung besitzt. Mit Hilfe einer homogenen Lyapunov-Funktion kann die homogene Lp-Stabilität durch eine homogene partielle Differentialungleichung charakterisiert werden, die sich im eingangsaffinen Fall in eine homogene Hamilton-Jacobi-Ungleichung transformieren lässt. Des Weiteren werden in dieser Arbeit detaillierte Methoden zur Abschätzung von oberen Schranken für homogene Lp-Verstärkungen aus diesen Ungleichungen abgeleitet. Dies schließt die homogene L∞-Verstärkung und die homogene Eingangs-Zustands-Verstärkung ebenfalls ein. Bei rückgekoppelten homogenen Systemen, bei denen die Gewichtsvektoren zwischen den Systemen zueinander passend sind, erlaubt die additive Ungleichung für die homogene Lp-Norm die Einführung des homogenen Small-Gain Theorems für beliebige p, wodurch eine Stabilitätsanalyse des geschlossenen Regelkreises ermöglicht wird. Weiterhin können homogene H∞-Regler entworfen werden, wenn das System eingangsaffin ist. Da die konventionellen Werkzeuge der linearen Systemtheorie nicht zur Verfügung stehen, können solche homogenen H∞-Regler nur garantieren, dass der geschlossene Regelkreis eine homogene Lp-Verstärkung hat, die kleiner als ein bestimmbarer Wert ist. Ihre Optimalität kann hingegen nicht garantiert werden. In jedem Kapitel werden mehrere kurze Beispiele vorgestellt, um zu veranschaulichen, wie eine solche homogene Lp-Verstärkung berechnet werden kann. Insbesondere ist eine detaillierte Analyse des “Continuous Super-Twisting Like Algorithm" mit tieferen Einblicken für interessierte Leser enthalten.
https://doi.org/10.22032/dbt.54502
Observability studies for spacecraft attitude determination based on temperature data. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (198 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Die Schätzung und Steuerung der Fluglage ist elementar für jede Raumfahrzeugmission. Die erforderliche Genauigkeit hängt von der jeweiligen Mission und ihren Nutzlasten ab. Ein funktionierendes Lageregelungssystem ist jedoch immer unverzichtbar, um die Zielgenauigkeit und Stabilität der Nutzlasten zu gewährleisten, die für den Erfolg der Mission entscheidend sind. Daher ist es sinnvoll, redundante Methoden zur Schätzung und Regelung der aktuellen Fluglage einzusetzen. Diese Arbeit fokussiert sich primär auf die Lageschätzung. Hierbei wird untersucht ob und wie Temperaturmessungen für die Lagebestimmung genutzt werden können. Diese Untersuchung wird durchgeführt, indem die zugrundeliegenden mathematischen Beschreibungen der Fluglage sowie der Temperaturdynamik betrachtet werden. Auf deren Grundlage wird dann ein Beobachter zur Lageschätzung entwickelt, der sich hauptsächlich auf die Temperaturdaten von zwei verschiedenen Sensorkonfigurationen stützt. In der ersten Konfiguration wird nur ein einziger Temperatursensor verwendet, dessen Informationen mit Gyroskopmessungen fusioniert werden, um die Lage zu bestimmen. Dies wird durch eine Transformation in Normalform und eine neuartige Lagebeschreibung erreicht. Auftretende Mehrdeutigkeiten bei der Lagebestimmung sowie alternative Beobachterdesigns werden vorgestellt. Die Analyse zeigt, dass mit dem vorgeschlagenen Beobachter lokale Aussagen zur Lageschätzung getroffen werden können - vorausgesetzt, die verwendeten Modelle und Messungen sind ausreichend genau und es steht genügend Rechenleistung zur Verfügung. In der zweiten Konfiguration werden sechs Paare von Temperatursensoren betrachtet. Jedes Paar besteht aus zwei Sensoren mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und zeigt in Richtung einer anderen Raumfahrzeugachse. Diese Sensorsignale enthalten genügend Informationen, um die Fluglage zu rekonstruieren, ohne dass die Verwendung von Ableitungen höherer Ordnung erforderlich ist. Es wird ein Algorithmus vorgeschlagen, der die Position der Sonne und der Erde schätzt und diese zur Bestimmung der Lage verwendet. Die Beobachter für beide Konfigurationen verwenden eine Transformation in eine kanonische Form, um ihre Schätzungen zu erhalten. Die resultierenden Beobachter sind daher sowohl in den transformierten als auch in den ursprünglichen Koordinaten formuliert. Während diese Beobachter unter Annahmen die häufig in der Literatur verwendeten werden äquivalent sind, kann es, sobald diese Annahmen fallengelassen werden, zu einer Reihe interessanter Phänomene wie Mehrdeutigkeit der Lösungen und sogar Instabilität kommen. Diese Phänomene werden an unserem vorgestellten System veranschaulicht und es werden Methoden vorgeschlagen, um sie zu bewältigen. Die für die zweite Konfiguration entworfenen Beobachter werden auf die von der Raumsondenmission GRACE erhaltenen Daten angewandt. Dabei hat sich gezeigt, dass die vorgeschlagenen Modelle für die Temperaturschätzung mit einem R2-Wert zwischen 78,8 % und 99,9 % gut geeignet sind. Die vorgeschlagenen Algorithmen erlauben eine Genauigkeit mit einem mittleren Fehler über eine Umlaufbahn von weniger als fünf Grad und lassen sich nachweislich leicht durch zusätzliche Messungen ergänzen.
https://doi.org/10.22032/dbt.53449
Using look up table content as signatures to identify IP cores in modern FPGAs. - In: Architecture of computing systems, (2022), S. 132-147
The increasing amount of logic resources in FPGA architectures has enabled the realization of larger and more complex designs. Today, most of the large-scale designs rely heavily on off-the-shelf Intellectual Property Cores (IP Cores) to ease their development. This dependency raises an important issue: the unlicensed use of IP Cores. In this paper, we utilize LUT contents, which represent the functionality of an IP Core, as a signature to determine if a core might be part of an accused design. For this, we present a technique to reconstruct the contained LUT contents from modern FPGA configurations which not only contain 6-input one-output LUTs but also 5-input two-output LUTs. By making use of LUT decomposition together with a fast Boolean matching algorithm, we consolidate the work for commercial architectures. The proposed method is evaluated using 8 IP Cores to find in 4 different designs using two different architectures. Our findings show a 100% identification rate with no false-positives or false-negatives for all experiments carried out. Especially the presence of larger cores can be established with a difference of at least 10% between true and false positives.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-21867-5_9
Putting IMT to the test: revisiting and expanding interval matching techniques and their calibration for SCA. - In: ASHES '22, (2022), S. 65-74
Side-Channel Analysis (SCA) requires the detection of the specific time frame Cryptographic Operations (COs) take place in the side-channel signal. Under laboratory conditions with full control over the Device under Test (DuT), dedicated trigger signals can be implemented to indicate the start and end of COs. For real-world scenarios, waveform-matching techniques have been established which compare the side-channel signal with a template of the CO's pattern in real time to detect the CO in the side channel. State-of-the-Art approaches describe implementations based on Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). However, the maximal length of the template is restricted by the resources available on an FPGAs. Particularly, for high sampling rates the recording of an entire CO may need more samples than the maximum template length supported by a waveform-matching system. Consequently, the template has to be reduced such that it fits the resources while still containing all features relevant for detecting the COs via waveform matching. In this paper, we introduce a generic interval-matching technique which provides several degrees of freedom for fine-tuning it to the statistical deviations of waveform measurements of COs. Moreover, we introduce a novel calibration method that finds the best parameters automatically based on statistical analysis of training data. Furthermore, we investigate a technique to reduce the number of features used for the interval matching by utilizing machine-learning-based feature extraction to find the most important samples in a template. Finally, we evaluate the state-of-the-art interval matching and our expansions during calibration and during the application on a test set. The results show, that a reliable reduction to 10% of the original template size is possible with a reduction method from literature for our example. However, the combination of our proposed methods can reliably work with only 1.5% of the original size and is less volatile than the state-of-the-art approach for reducing the number of features.
https://doi.org/10.1145/3560834.3563828
Robust tracking control with £1 adaptive augmentation for a long-stroke vertical nanopositioning system: part II. - In: 2022 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA), (2022), S. 621-627
In this paper and its companion paper [1], we address the problem of modeling and robust adaptive tracking control for an overactuated vertical nanopositioning system. In virtue of the derived model, the control is accomplished via a composite control law involving a nominal full-state feedback controller plus an L1 adaptive augmentation. To pre-serve PID-type robustness properties, the nominal (or baseline) controller comprises integral action and features sufficiently high bandwidth for mere stabilization and attenuation of slowly varying disturbances. The L1 adaptive component plays a central role for recovering the nominal closed-loop dynamics in the presence of complex time-varying perturbations and external disturbances. The effectiveness and robustness of the presented control strategy is verified via real-time experiments featuring subnanometer positioning errors which seem to be fully-dominated by the measurement noise.
https://doi.org/10.1109/CCTA49430.2022.9965993
Robust tracking control with £1 adaptive augmentation for a long-stroke vertical nanopositioning system: part I. - In: 2022 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA), (2022), S. 614-620
In this paper and its companion paper [1], we address the problem of modeling and robust adaptive tracking control for an overactuated vertical nanopositioning system. We first introduce the operation principle of the lifting modules. In relation to the integrated actuators, their dynamics and important parameters are obtained from experimental and projected data. We further derive a physical model from the relevant components of the motion system. The model is validated with measured data in order to illustrate that it adequately reflects the real behavior. Emphasis is placed on the merits of control allocation (CA) to handle the overactuated nature of the overall motion system. The proposed CA concept proves to be effective for the ongoing application since it demands low computational costs and fulfills the heat emission constraint. We close this paper with the formulation and analysis of a suitable model for the derivation of advanced control strategies.
https://doi.org/10.1109/CCTA49430.2022.9966103
Design and error analysis of accuracy-configurable sequential multipliers via segmented carry chains. - In: Information technology, ISSN 2196-7032, Bd. 64 (2022), 3, S. 89-98
We present the design and a closed-form error analysis of accuracy-configurable multipliers via segmented carry chains. To address this problem, we model the approximate partial-product accumulations as a sequential process. According to a given splitting point of the carry chains, the technique herein discussed allows varying the quality of the accumulations and, consequently, the overall product. Due to these shorter critical paths, such kinds of approximate multipliers can trade-off accuracy for an increased performance whilst exploiting the inherent area savings of sequential over combinatorial approaches. We implemented multiple architectures targeting FPGAs and ASICs with different bit-widths and accuracy configurations to 1) estimate resources, power consumption, and delay, as well as to 2) evaluate those error metrics that belong to the so-called #P-complete class.
https://doi.org/10.1515/itit-2021-0040
Bandwidth-optimal relational joins on FPGAs. - Konstanz : University of Konstanz. - 1 Online-Ressource (Seite 1:27-1:39)Online-Ausgabe: Proceedings of the 25th International Conference on Extending Database Technology, EDBT 2022, Edinburgh, UK, March 29 - April 1, 2022. - OpenProceedings.org 2022, ISBN 978-3-89318-086-8
https://doi.org/10.5441/002/edbt.2022.03