Dissertationen des InIT der TU IlmenauDissertationen des InIT der TU Ilmenau
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Khamidullina, Liana;
Tensor decompositions and algorithms for efficient multidimensional signal processing. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xvi, 215 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Aufgrund des starken Wachstums von Big-Data-Anwendungen, der weit verbreiteten Nutzung von Multisensortechnologien und der Notwendigkeit einer effizienten Datendarstellung sind mehrdimensionale Techniken ein primäres Werkzeug für viele Anwendungen der Signalverarbeitung. Mehrdimensionale Arrays oder Tensoren ermöglichen eine natürliche Darstellung hochdimensionaler Daten. Daher eignen sie sich besonders für Aufgaben mit multimodalen Datenquellen wie biomedizinischen Sensorwerten oder MIMO-Antennenarrays (Multiple Input and Multiple Output). Während tensorbasierte Techniken vor einigen Jahrzehnten noch in den Kinderschuhen steckten, haben sie heute bereits ihre Wirksamkeit in verschiedenen Anwendungsgebieten unter Beweis gestellt. In der Literatur gibt es viele verschiedene Tensorzerlegungen, die jeweils in verschiedenen Bereichen der Signalverarbeitung Anwendung finden. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf zwei Tensorfaktorisierungsmodelle: die Rang-(Lr,Lr,1) Block-Term Decomposition (BTD) und die Multilinear Generalized Singular Value Decomposition (ML-GSVD), die wir in dieser Arbeit vorschlagen. Die ML-GSVD ist eine Erweiterung der Generalized Singular Value Decomposition (GSVD) zweier Matrizen auf den Tensorfall. Die Eigenschaften der ursprünglichen Matrix GSVD machen sie zu einem attraktiven Werkzeug für verschiedene Anwendungen, einschließlich genomischer Signalverarbeitung, MIMO-Relaying, koordinierter Strahlformung, Sicherheit der physikalischen Schicht und Mehrbenutzer-MIMO-Systemen. Da die GSVD jedoch auf zwei Matrizen beschränkt ist, ist ihre Verwendung in der drahtlosen Kommunikation auf zwei Teilnehmer beschränkt. Darüber hinaus hängt dies auch mit der Tatsache zusammen, dass in der Literatur eine Erweiterung der GSVD für mehr als zwei Matrizen fehlte, die auch die Eigenschaften der ursprünglichen Zerlegung erben würde. Daher erweitern wir in dieser Arbeit die GSVD zweier Matrizen auf den Tensorfall unter Beibehaltung ihrer Orthogonalitätseigenschaften und demonstrieren ihre effiziente Anwendung auf Mehrbenutzer-MIMO-Kommunikationssysteme. Wir bieten eine detaillierte Diskussion der ML-GSVD-Unterraumstruktur und schlagen einen Algorithmus zu ihrer Berechnung vor. Darüber hinaus stellen wir drei Anwendungen der ML-GSVD in MIMO Kommunikationssystemen vor: Multiuser Downlink MIMO Systeme mit gemeinsamer Unicast- und Multicast-Übertragung; nicht-orthogonaler Mehrfachzugriff (NOMA); und Mehrbenutzer-MIMO-Broadcast-Systeme mit Ratenaufteilung am Sender (RSMA). Für diese Anwendungen nutzen wir die Struktur der ML-GSVD mit gemeinsamen und privaten Unterräumen und zeigen, wie die Faktoren des ML-GSVD für den Entwurf der Precoder und Decoder genutzt werden können. Im anderen Teil der Arbeit konzentrieren wir uns auf die Rang-(Lr,Lr,1) Block-Term Decomposition. Im Gegensatz zur häufigeren Canonical Polyadic (CP)-Zerlegung wurde die Rang-(Lr,Lr,1) BTD noch nicht so umfassend untersucht und weist noch unerforschte Bereiche auf, beispielsweise ihre effiziente Berechnung. Diese Arbeit stellt die Algorithmen zur Berechnung sowohl einzelner als auch gekoppelter Rang-(Lr,Lr,1) Zerlegungen bereit, indem sie die Verbindungen der BTD- mit CP-Zerlegungen ausnutzt. Der vorgeschlagene SECSI-BTD-Algorithmus (SEmi-algebraic Framework for approximate Canonical polyadic decompositions via SImultaneous Matrix Diagonalizations) umfasst die anfängliche Berechnung der Faktorschätzungen, gefolgt von Clustering- und Verfeinerungsverfahren, die den entsprechenden Rang det BTD-Terme zurückgeben. Darüber hinaus stellen wir einen neuen Ansatz zur Schätzung der multilinearen Rangstruktur des Tensors vor, der auf der Singulärwertzerlegung höherer Ordnung (HOSVD) und k-Means-Clustering basiert. Da der vorgeschlagene SECSI-BTD-Algorithmus keine bekannte Rangstruktur erfordert, aber dennoch die bekannten Ränge nutzen kann, sofern verfügbar, ist er flexibler als die in der Literatur vorhandenen Techniken. Als Anwendung der gekoppelten Rang-(Lr,Lr,1) Zerlegung betrachten wir die Nahfeldlokalisierung in multistatischen MIMO-Radarsystemen. Wir zeigen, wie die BTD zur Parameterschätzung im 3D-Raum basierend auf dem exakten sphärischen Wellenfrontmodell verwendet werden kann. Abschließend betrachten wir die Anwendung des gekoppelten Rang-(Lr,Lr,1) BTD auf die Elektroenzephalogramm- (EEG) und Magnetoenzephalogramm- (MEG) Aufzeichnungen somatosensorisch evozierter elektrischer Potentiale (SEPs) und somatosensorisch evozierter Magnetfelder (SEFs), um die damit verbundenen Signalkomponenten im 200 Hz Band zu trennen. Im Gegensatz zu aktuellen Arbeiten zu diesen Daten faktorisieren wir gemeinsam den gesamten EEG-MEG-Datensatz, einschließlich der Gradiometermessungen, d. h. wir erhalten eine gekoppelte Rang-(Lr,Lr,1) BTD von vier Tensoren (EEG, MEG-MAG, MEG-GRAD1 und MEG-GRAD2). Darüber hinaus liefert diese Arbeit Hintergrundmaterial zu den Grundlagen der multilinearen Algebra, gibt einen Überblick über die grundlegenden Matrix- und Tensorzerlegungen und identifiziert zukünftige Forschungsrichtungen.



https://doi.org/10.22032/dbt.59389
Berlt, Philipp;
Messkonzepte für Funksysteme bei Mobilfunk-basierter Fahrzeugkommunikation. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (ii, 171 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in interdisziplinärer Weise mit Fragestellungen und anhand von over-the-air Tests mit Lösungsansätzen zur Antennenmesstechnik und Funkkanalemulation sowie mit Testverfahren bei LTE-basierter Mobilkommunikation im Kontext vernetzter Automobile. Die Herausforderung besteht darin, dass der Speisepunkt der Antennen aufgrund des Einbauzustandes im Fahrzeug sowie der fortschreitenden Integration von Antennen und Empfängern nur schwer oder gar nicht zugänglich ist. Durch Nutzung modulierter Kommunikationssignale gelingt es, direkt und ohne komplexe Algorithmen dreidimensionale Gewinn- und Phaseninformation von Fahrzeugantennen im Einbauzustand aus einfachen Leistungsmessungen zu ermitteln. Kenntnis des Phasendiagramms der Antennen ist insbesondere bei der Übertragung mit mehreren Antennen essenziell und wird außerdem für die Bestimmung der Position von Antennen anhand ihres Phasenzentrums benötigt. Nach der Charakterisierung der Strahlungseigenschaften der Antennen werden diese als Teil einer Funkumgebung betrachtet und in der Funkkanalnachbildung berücksichtigt. Für die Bestimmung der Leistungsfähigkeit von Fahrzeugantennen durch die Emulation drahtloser Ausbreitungskanäle wurden im Rahmen dieser Arbeit mittels programmierbarer Funkmodule Alternativen zu etablierten Kanalemulatoren sowie die Zahl und Anordnung von Beleuchtungsantennen für die Nachbildung räumlicher Eigenschaften erforscht. Im Bereich realer und virtueller Fahrtests mit vernetzten Automobilen bestehen die Ergebnisse dieser Arbeit aus einem Messkonzept für virtuelle Fahrtests mit dem Ziel der Nachbildung relevanter Ausbreitungseffekte aus realen Fahrtests. Als relevantes Testszenario wurden die Grenzbereiche zwischen Mobilfunkzellen, bzw. die Nachbarbasisstation als größter Störeinfluss, identifiziert. Anhand gezielter Regelung von Nutz- und Störsignalpegeln im virtuellen Test kann das Verhalten des Testgeräts an den kritischen Stellen in Nähe der Zellränder mit Schwankungen < 5 % nachgebildet werden. Dieses Konzept ermöglicht einen einfachen Test, ohne notwendigerweise detaillierte Kenntnis des Funkkanals haben zu müssen, indem der Fokus auf der Nachbildung von für die Übertragung kritischen Szenarien anstelle der Nachbildung eines spezifischen Funkkanals liegt.



https://doi.org/10.22032/dbt.59165
Hassan, Nina;
Extending TDL based non-WSSUS vehicle-to-everything channel model. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xiv, 152 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

In den vergangenen Jahrzehnten haben drahtlose Kommunikationssysteme eine rasante Entwicklung durchgemacht und es wurden viele Untersuchungen durchgeführt, seit Maxwell die Existenz von elektromagnetischer Wellen vorausgesagt hat. In den letzten Jahren hat die Forschung im Bereich der vehicle to X (V2X)-Kommunikation stetig zugenommen. V2X beschreibt die Fähigkeit, Daten zwischen einem Fahrzeug oder vehicle (V) und “allem” zu übertragen. In Zukunft könnten Fahrzeuge mit ihrer Umgebung kommunizieren, um Verkehrsunfälle zu vermeiden und Staus zu verringern. Dazu werden sie ihr Geschwindigkeits- und Positionsdaten über Ad-hoc-Fahrzeugnetze senden und empfangen können. Um die Verkehrssicherheit zu erhöhen, ist eine zuverlässige Kommunikationsverbindung notwendig. Die größte Herausforderung bei der Fahrzeugkommunikation besteht darin, dass sich die Eigenschaften des Physical Layers aufgrund der inhärenten Mobilität innerhalb des Kanals, der hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten, der unterschiedlichen Antennenpositionen und der vielen Handover aufgrund kleinerer Zellen schnell ändern. Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen in Bezug auf die Kanalcharakterisierung mit sich. Es handelt sich um einen Kanal mit starker Zeitvarianz und es treten viele Übergänge auf. Somit handelt es sich um einen nicht-stationärer (non-stationary) Kanal. Das Hauptziel dieser Untersuchung ist es, eine Methode zu finden, mit der der Kanal einer komplexen Umgebung in einer einfachen Form mit weniger strengen Beziehungen zur Geometrie dargestellt werden kann. Dabei werden die statistischen Eigenschaften ähnlich der Messdaten beibehalten. In dieser Arbeit werden nichtstationäre tapped delay line (TDL)-Modelle verwendet, um vehicle to infrastructure (V2I)-Kanäle zu beschreiben. Es wird eine neue Strategie zur Extraktion von TDL-Kanalmodellparametern aus Messdaten vorgeschlagen. Dieser Ansatz basiert auf einer bestehenden Methode zur Ableitung von Parametern für ein TDLModell. Es wird gezeigt, dass mit einer anderen Methode zur Auswahl der Taps die Anzahl der Abgriffe, die zur Rekonstruktion der root mean square delay spread (RMS-DS) eines Kanals erforderlich sind, erheblich reduziert werden kann. Ein neuer Ansatz zur überprüfen der Korrektheit der Ableitung der Kanalmodellparameter wird aufgezeigt. Die Durchführbarkeit der Methode wird anhand von Channel Sounding Messungen bestätigt. In dieser Dissertation wird ein Generator zur Erzeugung von Kanalimpulsantworten entwickelt und das nichtstationäre Verhalten der Kanäle durch die Verwendung eines ON/OFF-Prozesses beschrieben. Es werden Markov-Ketten unterschiedlicher Ordnung modelliert, um das nicht-stationäre Verhalten besser zu erfassen. Die Untersuchung zeigt, dass Markov-Ketten erster Ordnung mit zwei Zuständen vorzuziehen sind, um das häufige ON/OFF-Verhalten von Mehrwegpfaden darzustellen, und dass die Markov-Modelle zweiter und dritter Ordnung keine großen Auswirkungen haben. Eine Methode zur Erweiterung eines single input single output (SISO)-TDL-Modells auf multiple input multiple output (MIMO) unter der non-wide sense stationary uncorrelated scattering (non-WSSUS)-Annahme wird eingeführt, um TDL-Kanalmodelle für V2I MIMO-Systeme zu entwickeln. Die Analyse bewertet die SISO- mit der MIMO-Konfiguration in Bezug auf die Kanalkapazität. Es werden verschiedene MIMO-Konfigurationen untersucht, und es wird gezeigt, dass die Position der Antennen eine wichtige Rolle spielt. Die Verwendung von nur vier Antennen am transmitter (Tx) und receiver (Rx), die in unterschiedliche Richtungen abstrahlen, führt zu einem qualitativen Sprung in der Leistungsfähigkeit des Systems.



https://doi.org/10.22032/dbt.57974
Singh, Jasmeet;
Metal surface tolerant conformal low-profile plastic embedded antennas for automotive applications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (xiii, 110 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Mit der rasanten Zunahme drahtloser Dienste und dem Einsatz von Antennendiversitätstechniken zur Erzielung höherer Datenraten oder Dienstzuverlässigkeit ist die Zahl der in Pkw zu installierenden Antennen nicht mehr unbedeutend und nimmt weiter zu. Gleichzeitig wird es immer schwieriger, geeignete Montageplätze für diese Antennen zu finden, da die Zahl der Montageplätze im Auto nicht parallel zur Zahl der zu installierenden Antennen gewachsen ist; Autos sind nach wie vor meist Metallkästen, mit einigen wenigen Kunststoffteilen und Glasscheiben die die Integration von Antennen ermöglichen. Die meisten dieser Teile wurden bereits zu diesem Zweck verwendet, die B-Säulen-Kunststoffabdeckungen wurden jedoch bisher nicht für die Antennenintegration berücksichtigt. In dieser Arbeit werden nicht nur die Vorteile der B-Säulen-Kunststoffabdeckungen als Antenneneinbauort gegenüber anderen Orten hervorgehoben, sondern auch die damit verbundenen Herausforderungen untersucht, insbesondere der begrenzte Platz für die Antennenintegration und die unmittelbare Nähe der eingebauten Antenne zum Metallchassis des Fahrzeugs. Letzteres führt zu einer starken elektromagnetischen Kopplung zwischen der Antenne und der Fahrzeugkarosserie, was sich auf die Antenneneigenschaften wie Impedanzanpassung und realisierten Gewinn auswirkt. In den folgenden Kapiteln werden die zugrundeliegenden Entwurfsprinzipien, die Theorie und die Messungen neuartiger, flacher, konformer und metalloberflächentoleranter Mobilfunkantennen vorgestellt, nämlich die Einzelband-Di-Patch-Antenne und eine koplanar gestapelte, mit Mikrostreifenleitungen gekoppelte Multibandantenne, die die oben genannten Herausforderungen adressieren und überwinden. Zusätzlich wird in der zweiten Hälfte dieser Arbeit eine high impedance surface basierte Dipolantennenlösung vorgestellt. Die Simulations- und Messergebnisse der nicht integrierten und der integrierten Versionen der vorgestellten Antennen, einschließlich der LTE-MIMO-Datenratenmessungen, die im vorletzten Kapitel vorgestellt werden, sprechen nicht nur für die Eignung dieser Antennen für flache, metallnahe Oberflächenanwendungen im Allgemeinen, sondern zeigen auch, dass die B-Säulen- Kunststoffabdeckungen einen sehr geeigneten neuen Antennenintegrationsort für mobile Kommunikationsanwendungen im Automobil darstellen.



https://doi.org/10.22032/dbt.57612
Iqbal, Naveed;
Millimeter wave radio channels: properties, multipath modeling and simulations. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 1 Online-Ressource (xxi, 145 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

In dieser Arbeit werden drei grundlegende Probleme der Modellierung von Drahtloskanälen für die Anwendung bei der Funkkanalmodellierung im Millimeterwellenbereich (mmWave) untersucht, nämlich (i) die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung, (ii) der Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells und (iii) der Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Die detaillierte Beschreibung dieser Probleme lautet wie folgt: (i) Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung. Mehrband-Messkampagnen werden mit Richtantennen durchgeführt, die eine omnidirektionale Abtastung der Ausbreitungsumgebung vornehmen. Während der Messungen werden die Tx-Rx-Systeme an festen Positionen platziert und die Ausbreitungsumgebung bleibt so statisch wie möglich. Mit Hilfe von synthetisierten omnidirektionalen Verzögerungs-Leistungsprofilen soll untersucht werden, ob es eine Frequenzabhängigkeit in der Mehrwegeausbreitungsstatistik gibt, z.B. in der Verzögerung und der Winkelspreizung. (ii) Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells. Es werden Messungen des schnellen Schwunds durchgeführt, die ein Szenario emulieren, bei dem eine Funkverbindung über ein einzelnes Mehrwege-Cluster aufgebaut wird, das mit Antennen mit unterschiedlichen Strahlbreiten ausgeleuchtet wird. Das Hauptziel ist hier die Untersuchung des Einflusses der räumlichen Filterung auf den schnellen Schwund aufgrund der hohen Antennenrichtwirkung. Insbesondere wird die Auswirkung auf Variationen der Empfangssignalstärke und die Gültigkeit der Annahme der schmalbandigen Stationarität im weiteren Sinne (sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich) untersucht. (iii) Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Messungen des schnellen Schwunds werden verwendet, um Mehrwege-Cluster in einem Hörsaal-Szenario auszuleuchten. Das primäre Ziel ist es, den Einfluss einer hohen Systembandbreite auf die Variationen der Empfangssignalstärke, die Zufälligkeit des Kreuzpolarisationsverhältnisses und die Reichhaltigkeit der Mehrwegstreuung zu untersuchen. Basierend auf der Charakterisierung realistischer Funkkanäle führen die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse zu dem Verständnis, dass beim Übergang zu höheren Frequenzen die Frequenz x selbst keine signifikante Rolle bei der Definition der Kanalmodellierungsmethodik spielt. Vielmehr ist es von grundlegender Bedeutung, wie ein Ausbreitungskanal ausgeleuchtet wird. Daher zeigt sich, dass mmWave-Systemeigenschaften wie eine hohe Antennenrichtcharakteristik und Systembandbreite einen hohen Einfluss auf die Definition des Kanalmodells haben. Im Allgemeinen ist die Skalierung der Schwundtiefe als Funktion der Systembandbreite ziemlich gut verstanden. Wir zeigen, dass die hohe Antennenrichtwirkung von mmWave-Systemen zu einer weiteren Reduzierung der Schwundtiefe führt. Zusätzlich erforschen wir einige neue Richtungen in diesem Forschungsbereich, die auf der Analyse der Statistik zweiter Ordnung des Kanalimpulsantwort-Vektors basieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass die Schwund-Statistiken der auflösbaren Kanalabgriffe in einem mmWave-Funkkanal nicht als Rayleigh-Rice-verteilte Zufallsvariablen modelliert werden können. Dies liegt vor allem daran, dass durch die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen Kanäle mit spärlichen Streubedingungen ausgeleuchtet werden. Folglich ist die Annahme komplexer Gaus’scher Zufallsvariablen, die mit Rayleigh-Rice Schwundverteilungen verbunden ist, nicht mehr gültig. Des Weiteren wird gezeigt, dass die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen auch die Gültigkeit der Annahme von Stationarität im weiteren Sinne im Slow-Time-Bereich von mmWave-Funkkanälen in Frage stellt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse sind neuartig und bieten theoretisch konsistente Einblicke in den gemessenen Funkkanal.



https://doi.org/10.22032/dbt.56740
Sokal, Bruno;
Tensor-based signal processing with applications to MIMO-ODFM systems and intelligent reflecting surfaces. - Fortaleza, 2022. - 1 Online-Ressource (124 Seiten)
Universidade Federal do Ceará, Dissertation 2022

Der Einsatz von Tensor-Algebra-Techniken in der Signalverarbeitung hat in den letzten zwei Jahrzehnten zugenommen. Anwendungen wie Bildverarbeitung, biomedizinische Signalverarbeitung, radar, maschinelles Lernen, deep Learning und Kommunikation im Allgemeinen verwenden weitgehend tensorbasierte Verarbeitungstechniken zur Wiederherstellung, Schätzung und Klassifizierung von Signalen. Einer der Hauptgründe für den Einsatz der Tensorsignalverarbeitung ist die Ausnutzung der mehrdimensionalen Struktur von Signalen, wobei die Einzigartigkeitseigenschaften der Tensor-Zerlegung profitieren. Bei der drahtlosen Kommunikation beispielsweise können die Signale mehrere "Dimensionen" haben, wie Raum, Zeit, Frequenz, Polarisation, usw. Diese Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil betrachten wir die Anwendung von Tensor-basierten Algorithmen für multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) Systeme unter Berücksichtigung von Vorhandensein von Phasenrauschenstörungen. In diesem Teil schlagen wir einen zweistufigen tensorbasierten Empfänger für eine gemeinsame Kanal-, Phasenrausch- und Datenschätzung in MIMO-OFDM-Systemen vor. In der ersten Stufe zeigen wir, dass das empfangene Signal auf den Pilotunterträgern als PARAFAC-Tensor dritter Ordnung modelliert werden kann. Auf der Grundlage dieses Modells werden zwei Algorithmen für die Schätzung der Phasen- und Kanalrauschen in den Pilotton vorgeschlagen. In der zweiten Stufe werden die übertragenen Daten geschätzt. Zu diesem Zweck schlagen wir einen Zero Forcing (ZF)-Empfänger vor, der sich die Tensorstruktur des empfangenen Signals auf den Datenträgern zunutze macht, indem er den vorgeschlagenen selektiven Kronecker-Produkt-Operators (SKP) kapitalisiert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Empfänger sowohl bei der Symbolfehlerrate als auch beim normalisierten mittleren quadratischen Fehler des geschätzten Kanal- und Phasenrauschmatrizen eine bessere Leistung im Vergleich zum Stand der Technik erzielt. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Anwendung der Tensormodellierung zur Reduzierung des Kontrollsignalisierungsoverhead in zukünftigen drahtlosen Systemen, die durch intelligent reconfigurable surfaces (IRSs) unterstützt werden. Zu diesem Zweck schlagen wir eine Annäherung an die nahezu optimalen IRS-Phasenverschiebungen vor, die sonst einen prohibitiv hohen Kommunikationsoverhead auf den BS-IRS-Kontrollverbindungen verursachen würde. Die Hauptidee besteht darin, den optimalen Phasenvektor des IRSs, der Hunderte oder Tausende von Elementen haben kann, durch ein Tensormodell mit niedrigem Rang darzustellen. Dies wird erreicht durch Faktorisierung einer tensorisierten Version des IRS-Phasenverschiebungsvektors, wobei jede Komponente als Kronecker-Produkt einer vordefinierten Anzahl von Faktoren mit kleinerer Größe modelliert wird, die durch Tensor Zerlegungsalgorithmen erhaltet werden können. Wir zeigen, dass die vorgeschlagenen Low-Rank-Modelle die Rückkopplungsanforderungen für die BS-IRS-Kontrollverbindungen drastisch reduzieren. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Methode besonders in Szenarien mit einer starken Sichtverbindung attraktiv sind. In diesem Fall wird fast die gleiche spektrale Effizienz erreicht wie in den Fällen mit nahezu optimalen Phasenverschiebungen, jedoch mit einem drastisch reduzierten Kommunikations-Overhead.



https://doi.org/10.22032/dbt.56127
Dupleich, Diego;
Empirical multi-band characterization of propagation with modelling aspects for communications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xv, 243 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Diese Arbeit präsentiert eine empirische Untersuchung der Wellenausbreitung für drahtlose Kommunikation im Millimeterwellen- und sub-THz-Band, wobei als Referenz das bereits bekannte und untersuchte sub-6-GHz-Band verwendet wird. Die großen verfügbaren Bandbreiten in diesen hohen Frequenzbändern erlauben die Verwendung hoher instantaner Bandbreiten zur Erfüllung der wesentlichen Anforderungen zukünftiger Mobilfunktechnologien (5G, “5G and beyond” und 6G). Aufgrund zunehmender Pfad- und Eindringverluste bei zunehmender Trägerfrequenz ist die resultierende Abdeckung dabei jedoch stark reduziert. Die entstehenden Pfadverluste können durch die Verwendung hochdirektiver Funkschnittstellen kompensiert werden, wodurch die resultierende Auflösung im Winkelbereich erhöht wird und die Notwendigkeit einer räumlichen Kenntnis der Systeme mit sich bringt: Woher kommt das Signal? Darüber hinaus erhöhen größere Anwendungsbandbreiten die Auflösung im Zeitbereich, reduzieren das small-scale Fading und ermöglichen die Untersuchung innerhalb von Clustern von Mehrwegekomponenten. Daraus ergibt sich für Kommunikationssysteme ein vorhersagbareres Bild im Winkel-, Zeit- und Polarisationsbereich, welches Eigenschaften sind, die in Kanalmodellen für diese Frequenzen widergespiegelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Charakterisierung der Wellenausbreitung durch simultane Multibandmessungen in den sub-6 GHz-, Millimeterwellen- und sub-THz-Bändern vorgestellt. Zu Beginn wurde die Eignung des simultanen Multiband-Messverfahrens zur Charakterisierung der Ausbreitung von Grenzwert-Leistungsprofilen und large-scale Parametern bewertet. Anschließend wurden wichtige Wellenausbreitungsaspekte für die Ein- und Multibandkanalmodellierung innerhalb mehrerer Säulen der 5G-Technologie identifiziert und Erweiterungen zu verbreiteten räumlichen Kanalmodellen eingeführt und bewertet, welche die oben genannten Systemaspekte abdecken.



https://doi.org/10.22032/dbt.53613
Reum, Thomas;
Conformal electromagnetic wave propagation using primal mimetic finite elements. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xxv, 135 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Elektromagnetische Wellenausbreitung bildet die physikalische Grundlage für unzählige Anwendungen in verschiedenen Bereichen der heutigen Welt. Um räumliche Szenarien zu modellieren, muss der kontinuierliche Raum in geeigneter Weise in ein Rechengebiet umgewandelt werden. Üblich diskretisierte Modelle – welche auf verschiedenen Größen beruhen – berücksichtigen die Beziehungen zwischen Feldvariablen mittels Relationen, welche durch partielle Differentialgleichungen repräsentiert werden. Um mathematische Beziehungen zwischen abhängigen Variablen in zweckdienlicher Art nachzubilden, schaffen hyperkomplexe Zahlensysteme ein passendes alternatives Rahmenwerk. Dieser Ansatz bezweckt das Einbinden bestimmter Systemeigenschaften und umfasst zusätzlich zur Modellierung von Feldproblemen, bei denen alle Variablen vorkommen, auch vereinfachte Modelle. Um eine wettbewerbsfähige Alternative zur üblichen numerischen Behandlung elektromagnetischer Felder in beobachtungsorientierter Weise darzubieten, wird das elektrische und magnetische Feld elektromagnetischer Wellenfelder als eine zusammengefasste Feldgröße, eingebettet im Funktionenraum, verstanden. Dieses Vorgehen ist intuitiv, da beide Felder in der Elektrodynamik gemeinsam auftreten und direkt messbar sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist in zwei Ziele untergliedert. Auf der einen Seite wird ein umformuliertes Maxwell-System in einer metrikfreien Umgebung mittels dem sogenannten „bikomplexen Ansatz“ umfassend untersucht. Auf der anderen Seite wird eine mögliche numerische Implementierung hinsichtlich der Finite-Elemente-Methode auf modernem Wege durch Nutzung der diskreten äußeren Analysis mit Fokus auf Genauigkeitsbelange bewertet. Hinsichtlich der numerischen Genauigkeitsbewertung wird demonstriert, dass der vorgelegte Ansatz grundsätzlich eine höhere Exaktheit zeigt, wenn man ihn mit Formulierungen vergleicht, welche auf der Helmholtz-Gleichung beruhen. Diese Dissertation trägt eine generalisierte hyperkomplexe alternative Darstellung von gewöhnlichen elektrodynamischen Ausdrucksweisen zum Themengebiet der Wellenausbreitung bei. Durch die Nutzung einer direkten Formulierung des elektrischen Feldes in Verbindung mit dem magnetischen Feld wird die Rechengenauigkeit von Randwertproblemen erhöht. Um diese Genauigkeitserhöhung zu erreichen, wird eine geeignete Erweiterung der de Rham-Kohomologie unterbreitet.



https://doi.org/10.22032/dbt.52276
Semper, Sebastian;
Efficient algorithms and data structures for compressive sensing. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xxxiv, 276 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Wegen der kontinuierlich anwachsenden Anzahl von Sensoren, und den stetig wachsenden Datenmengen, die jene produzieren, stößt die konventielle Art Signale zu verarbeiten, beruhend auf dem Nyquist-Kriterium, auf immer mehr Hindernisse und Probleme. Die kürzlich entwickelte Theorie des Compressive Sensing (CS) formuliert das Versprechen einige dieser Hindernisse zu beseitigen, indem hier allgemeinere Signalaufnahme und -rekonstruktionsverfahren zum Einsatz kommen können. Dies erlaubt, dass hierbei einzelne Abtastwerte komplexer strukturierte Informationen über das Signal enthalten können als dies bei konventiellem Nyquistsampling der Fall ist. Gleichzeitig verändert sich die Signalrekonstruktion notwendigerweise zu einem nicht-linearen Vorgang und ebenso müssen viele Hardwarekonzepte für praktische Anwendungen neu überdacht werden. Das heißt, dass man zwischen der Menge an Information, die man über Signale gewinnen kann, und dem Aufwand für das Design und Betreiben eines Signalverarbeitungssystems abwägen kann und muss. Die hier vorgestellte Arbeit trägt dazu bei, dass bei diesem Abwägen CS mehr begünstigt werden kann, indem neue Resultate vorgestellt werden, die es erlauben, dass CS einfacher in der Praxis Anwendung finden kann, wobei die zu erwartende Leistungsfähigkeit des Systems theoretisch fundiert ist. Beispielsweise spielt das Konzept der Sparsity eine zentrale Rolle, weshalb diese Arbeit eine Methode präsentiert, womit der Grad der Sparsity eines Vektors mittels einer einzelnen Beobachtung geschätzt werden kann. Wir zeigen auf, dass dieser Ansatz für Sparsity Order Estimation zu einem niedrigeren Rekonstruktionsfehler führt, wenn man diesen mit einer Rekonstruktion vergleicht, welcher die Sparsity des Vektors unbekannt ist. Um die Modellierung von Signalen und deren Rekonstruktion effizienter zu gestalten, stellen wir das Konzept von der matrixfreien Darstellung linearer Operatoren vor. Für die einfachere Anwendung dieser Darstellung präsentieren wir eine freie Softwarearchitektur und demonstrieren deren Vorzüge, wenn sie für die Rekonstruktion in einem CS-System genutzt wird. Konkret wird der Nutzen dieser Bibliothek, einerseits für das Ermitteln von Defektpositionen in Prüfkörpern mittels Ultraschall, und andererseits für das Schätzen von Streuern in einem Funkkanal aus Ultrabreitbanddaten, demonstriert. Darüber hinaus stellen wir für die Verarbeitung der Ultraschalldaten eine Rekonstruktionspipeline vor, welche Daten verarbeitet, die im Frequenzbereich Unterabtastung erfahren haben. Wir beschreiben effiziente Algorithmen, die bei der Modellierung und der Rekonstruktion zum Einsatz kommen und wir leiten asymptotische Resultate für die benötigte Anzahl von Messwerten, sowie die zu erwartenden Lokalisierungsgenauigkeiten der Defekte her. Wir zeigen auf, dass das vorgestellte System starke Kompression zulässt, ohne die Bildgebung und Defektlokalisierung maßgeblich zu beeinträchtigen. Für die Lokalisierung von Streuern mittels Ultrabreitbandradaren stellen wir ein CS-System vor, welches auf einem Random Demodulators basiert. Im Vergleich zu existierenden Messverfahren ist die hieraus resultierende Schätzung der Kanalimpulsantwort robuster gegen die Effekte von zeitvarianten Funkkanälen. Um den inhärenten Modellfehler, den gitterbasiertes CS begehen muss, zu beseitigen, zeigen wir auf wie Atomic Norm Minimierung es erlaubt ohne die Einschränkung auf ein endliches und diskretes Gitter R-dimensionale spektrale Komponenten aus komprimierten Beobachtungen zu schätzen. Hierzu leiten wir eine R-dimensionale Variante des ADMM her, welcher dazu in der Lage ist die Signalkovarianz in diesem allgemeinen Szenario zu schätzen. Weiterhin zeigen wir, wie dieser Ansatz zur Richtungsschätzung mit realistischen Antennenarraygeometrien genutzt werden kann. In diesem Zusammenhang präsentieren wir auch eine Methode, welche mittels Stochastic gradient descent Messmatrizen ermitteln kann, die sich gut für Parameterschätzung eignen. Die hieraus resultierenden Kompressionsverfahren haben die Eigenschaft, dass die Schätzgenauigkeit über den gesamten Parameterraum ein möglichst uniformes Verhalten zeigt. Zuletzt zeigen wir auf, dass die Kombination des ADMM und des Stochastic Gradient descent das Design eines CS-Systems ermöglicht, welches in diesem gitterfreien Szenario wünschenswerte Eigenschaften hat.



https://doi.org/10.22032/dbt.51729
Soleymani, Dariush M.;
Radio resource allocation for overlay D2D-based vehicular communications in future wireless networks. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xiv, 128 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Mobilfunknetze der nächsten Generation ermöglichen einen weitverbreiteten Einsatz von Device-to-Device Kommunikation, der direkten Kommunikation zwischen zellularen Endgeräten. Für viele Anwendungsfälle zur direkten Kommunikation zwischen Endgeräten sind eine deterministische Latenz und die hohe Zuverlässigkeit von zentraler Bedeutung. Dienste zur direkten Kommunikation (D2D) für in der Nähe befindliche Endgeräte sind vielversprechend die hohen Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit für zukünftige vertikale Anwendungen zu erfüllen. Eine der herausragenden vertikalen Anwendungen ist die Fahrzeugkommunikation, bei der die Fahrzeuge sicherheitskritische Meldungen direkt über D2D-Kommunikation austauschen, die dadurch zur Reduktion von Verkehrsunfällen und gleichzeitig von Todesfällen im Straßenverkehrt beiträgt. Neue Techniken zur effizienteren Zuweisung von Funkressourcen in der D2D-Kommunikation haben in letzter Zeit in Industrie und Wissenschaft große Aufmerksamkeit erlangt. Zusätzlich zur Allokation von Ressourcen, wird die Energieeffizienz zunehmend wichtiger, die normalerweise im Zusammenhang mit der Ressourcenallokation behandelt wird. Diese Dissertation untersucht verschiedener Ansätze der Funkressourcenzuweisung und Energieeffizienztechniken in der LTE und NR V2X Kommunikation. Im Folgenden beschreiben wir kurz die Kernideen der Dissertation. Meist zeichnen sich D2D-Anwendungen durch ein relativ geringes Datenvolumen aus, die über Funkressourcen übertragen werden. In LTE können diese Funkressourcen aufgrund der groben Granularität für die Ressourcenzuweisung nicht effizient genutzt werden. Insbesondere beim semi-persistenten Scheduling, bei dem eine Funkressource über einen längeren Zeitraum im Overlay D2D festgelegt wird, sind die Funkressourcen für solche Anwendungen nicht ausgelastet. Um dieses Problem zu lösen, wird eine hierarchische Form für das Management der Funkressourcen, ein sogenanntes Subgranting-Schema, vorgeschlagen. Dabei kann ein nahegelegener zellularer Nutzer, der sogenannte begünstigte Nutzer, ungenutzten Funkressourcen, die durch Subgranting-Signalisierung angezeigt werden, wiederzuverwenden. Das vorgeschlagene Schema wird bewertet und mit "shortening TTI", einen Schema mit reduzierten Sendezeitintervallen, in Bezug auf den Zellendurchsatz verglichen. Als nächster Schritt wird untersucht, wie der begünstigten Benutzer ausgewählt werden kann und als Maximierungsproblem des Zellendurchsatzes im Uplink unter Berücksichtigung von Zuverlässigkeits- und Latenzanforderungen dargestellt. Dafür wird ein heuristischer zentralisierter, d.h. dedizierter Sub-Granting-Radio-Ressource DSGRR-Algorithmus vorgeschlagen. Die Simulationsergebnisse und die Analyse ergeben in einem Szenario mit stationären Nutzern eine Erhöhung des Zelldurchsatzes bei dem Einsatz des vorgeschlagenen DSGRR-Algorithmus im Vergleich zu einer zufälligen Auswahl von Nutzern. Zusätzlich wird das Problem der Auswahl des begünstigten Nutzers in einem dynamischen Szenario untersucht, in dem sich alle Nutzer bewegen. Wir bewerten den durch das Sub-Granting durch die Mobilität entstandenen Signalisierungs-Overhead im DSGRR. Anschließend wird ein verteilter Heuristik-Algorithmus (OSGRR) vorgeschlagen und sowohl mit den Ergebnissen des DSGRR-Algorithmus als auch mit den Ergebnissen ohne Sub-Granting verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen einen verbesserten Zellendurchsatz für den OSGRR im Vergleich zu den anderen Algorithmen. Außerdem ist zu beobachten, dass der durch den OSGRR entstehende Overhead geringer ist als der durch den DSGRR, während der erreichte Zellendurchsatz nahe am maximal erreichbaren Uplink-Zellendurchsatz liegt. Zusätzlich wird die Ressourcenallokation im Zusammenhang mit der Energieeffizienz bei autonomer Ressourcenauswahl in New Radio (NR) Mode 2 untersucht. Die autonome Auswahl der Ressourcen wird als Verhältnis von Summenrate und Energieverbrauch formuliert. Das Ziel ist den Stromverbrauch der akkubetriebenen Endgeräte unter Berücksichtigung der geforderten Zuverlässigkeit und Latenz zu minimieren. Der heuristische Algorithmus "Density of Traffic-based Resource Allocation (DeTRA)" wird als Lösung vorgeschlagen. Bei dem vorgeschlagenen Algorithmus wird der Ressourcenpool in Abhängigkeit von der Verkehrsdichte pro Verkehrsart aufgeteilt. Die zufällige Auswahl erfolgt zwingend auf dem dedizierten Ressourcenpool beim Eintreffen aperiodischer Daten. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Algorithmus die gleichen Ergebnisse für die Paketempfangsrate (PRR) erreicht, wie der sensing-basierte Algorithmus. Zusätzlich wird der Stromverbrauch des Endgeräts reduziert und damit die Energieeffizienz durch die Anwendung des DeTRA-Algorithmus verbessert. In dieser Arbeit werden Techniken zur Allokation von Funkressourcen in der LTE-basierten D2D-Kommunikation erforscht und eingesetzt, mit dem Ziel Funkressourcen effizienter zu nutzen. Darüber hinaus ist der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz eine Basis für zukünftige Untersuchungen, wie akkubasierte Endgeräte mit minimalem Stromverbrauch in der NR-V2X-Kommunikation Funkressourcen optimal auswählen können.



https://doi.org/10.22032/dbt.51719