Antenna technologies for Ka-Band backhaul links. - Ilmenau. - 125 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
In mobilen Kommunikationssystemen steigt der Bedarf an hohen Datenübertragungsraten nahezu exponentiell, wobei die bevorzugten spektralen Ressourcen niedriger Frequenzbereiche, die günstige Ausbreitungseigenschaften aufweisen nahezu erschöpft sind. Im Ka-Band sind große spektrale Bandbreiten vorhanden, die auf der anderen Seite betrachtliche Herausforderungen an die Systemrealisierung stellen. Um die gegenwärtige hohe Freiraumdämpfung zu überwinden und die Störung von primären Ka-Band Nutzern zu vermeiden, werden stark richtende Antennengruppen in Verbindung mit elektronischer Strahl- und Nullsteuerung benötigt. In dieser Arbeit werden aktuell diskutierte Antennengruppen für Beamforming (BF) Anwendungen (Analoge BF Antennengruppe, Digitale BF Antennengruppe, Hybride BF Antennengruppe, Parasitäre Antennengruppe, Flächenstrahlergespeiste Antennen, Oberflächenwellenantennen) zusammengefasst und bezüglich Realisierungskosten sowie Möglichkeiten der Strahl- und Nullsteuerung bewertet. Der vielversprechende Ansatz einer hybriden Antennengruppe wird anhand von einem zweistufigem, least-squares basiertem BF Algorithmus und anhand von vorgeschlagenen 3D Antennenstrukturen (geschichtete einheitliche zirkulare Antennengruppe (engl. SUCA) und gebietsweise einheitliche planare Antennengruppe (engl. SUPA)) für verschiedene Hardwarerealisierungen untersucht. Die gewählten Kriterien fur die Bewertung der erzielten Strahl- und Nullsteuerung nehmen auf ein von der EU finanziertes Projekt namens Shared Access terrestrialsatellite backhaul Network enabled by Smart Antennas (SANSA; EU program H2020) Bezug. Für beispielhafte hybride Antennengruppen wird gezeigt, dass mit dem zweistufigem BF Algorithmus ausreichend tiefe Nullen zur Störunterdruckung und ähnliche Antennengruppengewinne wie mit digitaler Strahlsteuerung erzielt werden.
Evaluation and modeling of state-of-the-art communications system for dynamic coupling maneuvers of high speed trains. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Die Zukunft der Zugtransportsysteme liegt in vollautomatischen Hochgeschwindigkeitszügen (HSTs), die sichere und eziente fahrerlose Steuerung ermöglichen. Diese Errungenschaft würde begleitet von einem Anstieg im Datenaustausch, der wiederum duch ein kabelloses Zugkommunikationssystem unterstützt werden muss. Dementsprechend wird nun eine Studie über Funkkanal und einer schnurlosen Technologie innerhalb und außerhalb des Zuges benötigt. Um anspruchsvolle Zugmanöver, wie dynamische Kopplung und Platooning zu unterstützen, müssen HSTs außerdem innerhalb des absoluten Bremsabstands fahren. Dafür wird die Auswertung von dezentraler Kommunikation zwischen Zügen, oder in anderen Worten, eine direkte Zug-zu-Zug-Kommunikation (T2T) benötigt, um die Anforderungen an zukünftige Zugkommunikationssysteme zu evaluieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird innerhalb von Zügen und T2T-Kommunikationsverbindungen für die verschiedenen Leistungsmetriken, basierend auf Messdaten, modelliert und studiert. Die Technologie von ETSI ITS-G5 wurde für die gegebenen Maße ausgewählt. Diese Technologie wird auch als eine mögliche kabellose Lösung für die Unterstützung der dynamischen Kopplung von HSTs evaluiert. Schließlich werden die größten Herausforderung bei der Entwicklung einer verlässlichen T2T- Kommunikation identifiziert und das gegebene ITS-G5-Systemmodel wird mit den vorgeschlagenen Lösungen implementiert.
Design of system-orientated cooperative radar concepts based on OFDM waveform. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
In den letzen 20 Jahren hat sich OFDM als Multiplexverfahren in den verschiedensten Informationsübertragungssystemen etabliert. Konsequenterweise erfährt OFDM auch auf dem Gebiet der Passivradarsysteme viel Beachtung. Durch die Verwendung von OFDM im Mobilfunk bieten sich für Radarsysteme vollkommen neue, noch unerforschte Möglichkeiten. Im Gegensatz zu Broadcast-Systemen, wie DAB oder DVB-T, kann die Information auf der Luftschnittstelle bei Mobilfunksystemen, wie LTE, durch die Kommunikationspartner beeinflusst werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit eines kooperativen Radarsystems, das in bestehende Netzwerkstrukturen integriert werden kann und durch Interaktion mit anderen Netzwerkknoten eine leistungsfähige Radaranwendung bereitstellt. In der vorliegenden Bachelorthesis wurde basierend auf dieser Idee ein Konzept für ein system-integriertes Radarsystem entwickelt.
Polarimetric radar signal processing for automotive applications. - 71 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Gegenwärtige Fortschritte in der Entwicklung autonomer Fahr- und Fahrerassistenzsysteme (FAS) führten zu einer Revolution in der Automobilindustrie. Wachsende Sorgen über Fehlalarmraten von Automobil-Radarsensor leiteten eine intensivere Forschung auf diesem Gebiet ein. Um Automobil-Anzeigesysteme im Allgemeinen und Fahrzeug-Radarsensoren im Besonderen zuverlässiger zu machen, ist eine akkurate Umgebungsbeschreibung entscheidend. Polarimetrische Radarsysteme bieten eine bessere Lösung zur genauen Beschreibung der Automobilumgebung und der Verkehrsszene. Abgesehen von der Bereitstellung genauer Einschätzungen des Bereichs und der relativen Geschwindigkeit kann durch die Verwendung polarimetrischer Radare in Fahrzeugen auch die Vielfalt der Objekte in der Verkehrsszene wie Fahrzeuge, Fußgänger, Straßenoberflächen und Hindernisse erkannt werden, wenn sie sich an derselben Position befinden. In der vorliegenden Arbeit wurde ein 77-GHz-Mehrantennen Radar (Multiple Input Multiple Output, MIMO-Radar) in Hauptstrahlrichtung kalibriert. Darüber hinaus wurden polarimetrische Zerlegungsalgorithmen auf verschiedene gemessene kanonischen Ziele angewendet und die Ergebnisse analysiert. Basierend auf den Ergebnissen der Algorithmen wurde beobachtet, dass die gemessenen Objekte je nach Typ wie punktartige oder verteilte Zielobjekte, Geometrie oder Orientierung, klassifiziert werden können.
Analysis of the statistical properties of the geometry based, stochastic, spatial consistent channel model WIM-SC. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Stand der Technik bei der Kanalmodellierung für zellulare Mobilfunksysteme, sind geometriebasierte stochastische Kanalmodelle (GBSCM) wie z.B. das WINNER-Modell (WIM). Hierbei wird der Mobilfunkkanal als Superposition von Strahlen/ebenen Wellen abgebildet, wobei die Parameter der Strahlen (Einfalls-, Ausfallsrichtung, Verzögerungszeit, komplexe Amplitude, etc.) stochastisch/zufällig bestimmt werden. Problematisch ist bei dieser Herangehensweise, dass der so erzeugte Kanal nicht räumlich konsistent ist. Das bedeutet, dass sich die Parameter der Strahlen zwischen Raumpunkten nicht kontinuierlich, eventuell sogar sprunghaft, ändern können. Dieses Problem wird in der Literatur durch den Einsatz von (aufwändigen) Raytracing-Verfahren (METIS) oder Methoden, die Streu- bzw. Reflexionspunkte zufällig im Raum positionieren (z.B. COST2100), gelöst. Im Rahmen des RESCUE-Projekts wurde eine alternative Methode vorgeschlagen, die auf der räumlichen Interpolation, der aus WINNER generierten Strahlparameter, beruht. Ziel der Arbeit ist es, die statistischen Eigenschaften dieses Modells zu untersuchen. Insbesondere soll überprüft werden ob das neue Kanalmodell die gleiche Statistik aufweist wie WINNER oder inwiefern Abweichungen vorhanden sind. Eine Implementierung des Kanalmodells in MATLAB liegt vor. Die zu untersuchenden Parameter enthalten unter anderem: 1. Shadow-Fading- und Fast-Fading-Verhalten der erzeugten Kanäle. 2. Doppler-Spektrum bei bewegtem Sender/Empfänger. 3. Winkel- und Laufzeitspreizung und deren statistische Verteilung. 4. Auto- und Kreuzkorrelation der ermittelten Kennwerte. Zusätzlich kann durch Literaturrecherche untersucht werden, inwiefern das neue Kanalmodell mit gemessenen Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kanälen übereinstimmt unabhängig von den Unterschieden zum klassischen WINNER-Kanalmodell.
Untersuchung zur Verteilung der Parameter dichter Mehrwegekomponenten (DMC) in urbanen makrozellularen Mobilfunkkanälen. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Diese Arbeit behandelt die Ausbreitung dichter Mehrwegkomponenten (DMC) in urbanen makrozellularen Szenarien. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Ableitung eines Modells zur Beschreibung des Verlaufs der DMC Leistung in Abhängigkeit von der Distanz zwischen Sender und Empfänger. Zunächst wird ein kurzer Einblick in grundlegende physikalische Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen und in bestehende Beschreibungsmethoden des Mobilfunkkanals gegeben. Im Anschluss werden die Arbeitsmethoden einer kürzlich veröffentlichten Arbeit, welche sich mit der Beschreibung der DMC Leistung beschäftigt, dargestellt. Besonders hervorgehoben wird der Ansatz, zwei mathematische Modelle, eines mit potentiellem und eines mit exponentiellem Verlauf, für die Beschreibung des Verlaufs der DMC Leistung aufzustellen und zu untersuchen. Die beschriebenen Methoden werden aufgegriffen und auf das vorliegende Szenario übertragen. Die einzelnen durchgeführten Arbeitsschritte werden herausgestellt und erklärt. Dabei wird vor allem der Datenbearbeitung bzw. -validierung und den mathematischen Schritten zur Erstellung der beiden Modelle besondere Bedeutung beigemessen. Die erlangten Resultate und Erkenntnisse werden diskutiert. Die Eignung der beiden Modelle, den Verlauf der DMC Leistung zu approximieren, wird bewertet. Eine besondere Erkenntnis ist, dass sich die beiden genutzten Modelle, im untersuchten Bereich der Distanzen zwischen Sender und Empfänger, nur geringfügig voneinander unterscheiden. Durch weiterführende Untersuchungen, unter Anwendung einer Simulation, wird die Verlässlichkeit der Ergebnisse eingehend analysiert. Die Grundlage für die durchgeführten Betrachtungen bilden bereits vorhandene Messdaten und geschätzte DMC Parameter aus Channel Sounding Messungen in den Städten Bonn und Köln.
Distance estimation based on channel profiles of multipath dominated environments in wireless sensor networks. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Drahtlose Sensornetzwerke (engl. Wireless Sensor Networks, WSN) haben in den vergangenen Jahren aufgrund ihrer kleinen Baugrößen sowie geringer Fertigungskosten und Energieverbräuche zunehmend an Beliebtheit gewonnen. Sie werden bereits in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen, wie beispielsweise zur Umgebungsüberwachung oder Objektdetektion eingesetzt. Da das Global Positioning System (GPS) nicht zur Ortung innerhalb von Gebäuden genutzt werden kann, sind auch Distanzbestimmung sowie Positionierung wesentliche Einsatzgebiete von WSN. Andererseits ist die Objektverfolgung in Innenbereichen aufgrund von Mehrwegeausbreitung immer noch eine technische Herausforderung. Zur Lösung dieser Problematik existieren bereits zahlreiche Algorithmen. Diese benötigen allerdings entweder eine Vielzahl an Sensorknoten oder erreichen nur eine unzureichende Genauigkeit von einigen Metern. Hauptzielpunkt dieser Arbeit ist daher, Algorithmen zu entwickeln, die es erlauben, eine Distanzbestimmung mit Dezimetergenauigkeit unter Zuhilfenahme eines einzigen Paars an Sensorknoten zu erreichen. Diese Arbeit schlägt zwei neue Ansätze zur Distanzschätzung in mehrwegebehafteten Umgebungen vor. Beide basieren auf der Schätzung der Signallaufzeit (engl. Time Of Arrival, TOA). Das Messsystem arbeitet nach dem Prinzip des aktiven Reflektors, bei dem zwei Sensorknoten auf mehreren Frequenzen wechselseitig senden und empfangen um den Kanal zu schätzen. Die Arbeit betrachtet sowohl Indoor- als auch Outdoormessungen. Als typische Indoorszenarien wurden Gangmessung und Büromessung ausgewählt. Anschließend kam die Programmiersprache Python zum Einsatz, um Simulationen durchzuführen. Im Gangszenario konnte mit den vorgeschlagen Algorithmen eine Genauigkeit von unter einem halben Meter erreicht werden, während die Genauigkeit in der Büroumgebung bei etwa 70 cm lag. Weiterhin stellt diese Arbeit zur Beurteilung der Zuverlässigkeit der gemessenen Distanz die drei Qualitätsparameter "Direct to Multipath Ratio" (DMR), "Signal to Peak Ratio" (SPR) und "Distance-amplitude based quality factor" vor.
PHY layer optimization for real-time high speed wireless local area network protocol. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Industrie 4.0 soll neuartige Fertigungsverfahren für die Industrie in der "vierten industriellen Revolution" ermöglichen. Ein zentraler Aspekt spielt hierbei die Funkkommunikation im Produktionsprozess und ihre Schnittstelle zu Maschinen. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Realisierung einer echtzeitfähigen OFDM-basierten Funkkommunikationstrecke zwischen Maschinen basierend auf dem Funkstandard IEEE 802.11n. Zur Realisierung einer Übertragung mit niedriger Ende-zu-Ende Latenz und geringer Fehlerrate spielt die Adaption der physikalischen Schicht des Senders und Empfängers auf die Funkkanalumgebung eine wichtige Rolle. In dieser Arbeit wurden aus diesem Grund Möglichkeiten der Linkadaption mit verschiedenen Algorithmen zur Kanalschätzung untersucht und hinsichtlich Güte und Komplexität bewertet. Im ersten Teil der Arbeit werden pilotbasierte Verfahren basierend auf Least-Square (LS), Minimum Mean Square Error (MMSE) und Least Mean Square (LMS) Kriterien zur Kanalschätzung untersucht. Die pilotbasierten Verfahren ermöglichen eine sehr aufwandsgünstige Umsetzung im Frequenzbereich, wobei zur Interpolation der Kanalkoeffizienten Filterverfahren basierend auf dem Wiener-Ansatz oder der IDFT/DFT Operation zum Einsatz kommen. Im zweiten Teil der Arbeit werden zwei verschiedene Methoden der Kanalschätzung für Präambel-basierte OFDM-Übertragungsverfahren vorgestellt. Die erste Methode nutzt die DFT-basierte Schätzung der Kanalimpulsantwort, welche bei spektraler Begrenzung des Pilotsignals, durch Einfügen von Subträgern ohne Belegung, Kanalschätzfehler auch bei sehr hohem Signal-zu-Rausch Verhältnis aufweist. Dieser Effekt wird durch Begrenzung der DFT auf das modulierte Spektrum beseitigt. Diese Methode wird als "truncated DFT" bezeichnet. Neben Kanalschätzverfahren werden ebenso Entwurfsregeln für die Präambel des OFDM-Systems diskutiert. Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit der verschiedenen Algorithmen wurden Simulationen am Beispiel eines 2x2 MIMO Alamouti OFDM-Systems mit MMSE Entzerrung durchgeführt.
Untersuchung von Integrationseinflüssen auf Radarobjekte - mit Fokus auf Signalverarbeitung. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Bei Mercedes-Benz soll der Radarsensor in Zukunft eine rohbaufeste Einbauposition erhalten. Diese Befestigungsmethode stellt neuartige Herausforderungen für dessen Signalverarbeitung dar. Insbesondere stellt sich dabei die Frage, welchen Einfluss die auftretenden mechanischen Schwingungen auf die Winkelbestimmung des Sensors haben. Gegenstand dieser Arbeit ist den Einfluss dieser Schwingungen auf die Winkelbestimmung des Sensors zu untersuchen. Dafür wird eine Simulation eines "Fast Chirp FMCW" Radars erstellt und durch reale Messungen in ihrer Funktionsweise verifiziert, wobei die nachfolgenden, frei wählbaren Bestandteile der Simulation hervorzuheben sind. Die Radarparameter sind hinsichtlich Bandbreite, Startfrequenz usw. beliebig einstellbar. Auch ist eine variable Antennenkonfiguration möglich. Es kann ein virtuelles Objekt innerhalb eines 3-dimensionalen Raums eingestellt werden. Die Eingabe kann über Karthesische- oder Kugelkoordinaten erfolgen. Darüber hinaus kann das Objekt mit einer Geschwindigkeit oder Beschleunigung versehen werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, eine variable Schwingung des Sensors in allen 3 Raumdimensionen mit beliebig einstellbarer Amplitude und Frequenz festzulegen. Dabei kann der Objektwinkel durch Ablesen der Phasendifferenzen oder mithilfe einer FFT ermittelt werden. Die Ergebnisse der Simulation können für jeden Kanal als Range-Doppler- und als Range-Bearing-Map dargestellt werden. Mit Hilfe dieser Simulation werden kritische Schwingungsparameter identifiziert und deren Auswirkungen auf die Winkelbestimmung an einem exemplarischen Objekt untersucht. Es zeigt sich, dass mech. Schwingungen im betrachteten Frequenzbereich von 40Hz bis 120Hz, aufgrund der sehr geringen Zeitspanne der Winkelbestimmung, nur durch die Größe ihrer Auslenkung zu Fehlern bei der Signalverarbeitung führen. Aus der Analyse des vom Radar bestimmten Winkels bei verschiedenen Schwingungsfällen und unterschiedlichen Auslenkungen folgt, dass insbesondere die rotatorischen Schwingungen um die Z-Achse zu großen Fehlern bei der Winkelbestimmung führen. Es wird somit gezeigt, dass der Einfluss von mech. Schwingungen auf die Messungen des Objektwinkels vor allem durch Dämpfung der Schwingungsamplitude minimiert werden kann. Auf Basis der Ergebnisse wird ein Ausblick auf in Zukunft erforderliche, ergänzende Untersuchungen gegeben.
Study of ultra wideband vivaldi antennas for non-destructive testing. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
In dieser Arbeit werden die grundlegenden Parameter und ein paar design-Methoden der ultra-breit-band-Vivaldi-Antennen wurden diskutiert und vorgestellt. Die meiste Aufmerksamkeit wurde auf Vivaldi-Antennen, Heizkörper design, das sind in der Regel vertreten durch elliptisch oder exponentiell konische Kupfer-Schichten. Auch, einige der wichtigsten Parameter des ultra-wide-band-Antennen wurden entdeckte und erhalten während der zahlreichen Simulationen in der CST Microwave Studio-software.