Dissertationen

Mit dem Einzug von Ethernet in Kraftfahrzeuge sind Echtzeitprotokolle notwendig um die dort bestehenden Echtzeitanforderungen zu erfüllen. Dabei kann das Synchronisationsprotokoll IEEE 802.1AS, nach notwendiger Adaptierung, die Basis für einen dienstgütebasierten Datentransport bilden und so eine Alternative zu den bestehenden Bussystemen schaffen. Dafür werden Konzepte erarbeitet, die es ermöglichen sollen, transparent zwischen den bestehenden zeitgesteuerten Feldbussen und Ethernet zu vermitteln.

Sehr hohe Datenraten und ständig verfügbare Netzabdeckung in zukünftigen drahtlosen Netzwerken erfordern neue Algorithmen auf der physischen Schicht. Die Nutzung von Relais stellt ein vielversprechendes Verfahren dar, da die Netzabdeckung gesteigert werden kann. Zusätzlich steht hierdurch im Vergleich zu Kupfer- oder Glasfaserleitungen eine preiswerte Lösung zur Anbindung an die Netzinfrastruktur zur Verfügung. Traditionelle Einwege-Relais-Techniken (One-Way Relaying [OWR]) nutzen Halbduplex-Verfahren (HD-Verfahren), welche das Übertragungssystem ausbremst und zu spektralen Verlusten führt. Einerseits erlauben es Zweiwege-Relais-Techniken (Two-Way Relaying [TWR]), simultan sowohl an das Relais zu senden als auch von diesem zu empfangen, wodurch im Vergleich zu OWR das Spektrum effizienter genutzt wird. Aus diesem Grunde untersuchen wir Zweiwege-Relais und im Speziellen TWR-Systeme für den Mehrpaar-/Mehrnutzer-Betrieb unter Nutzung von Amplify-and-forward-Relais (AF-Relais). Derartige Szenarien leiden unter Interferenzen zwischen Paaren bzw. zwischen Nutzern. Um diesen Interferenzen Herr zu werden, werden hochentwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen - oder in anderen Worten räumliche Mehrfachzugriffsverfahren (Spatial Division Multiple Access [SDMA]) - benötigt. Andererseits kann der spektrale Verlust durch den HD-Betrieb auch kompensiert werden, wenn das Relais im Vollduplexbetrieb arbeitet. Nichtsdestotrotz ist ein FD-Gerät in der Praxis aufgrund starker interner Selbstinterferenz (SI) und begrenztem Dynamikumfang des Tranceivers schwer zu realisieren. Aus diesem Grunde sollten fortschrittliche Verfahren zur SI-Ünterdrückung entwickelt werden. Diese Dissertation trägt diesen beiden Zielen Rechnung, indem optimale und/oder effiziente algebraische Lösungen entwickelt werden, welche verschiedenen Nutzenfunktionen, wie Summenrate und minimale Sendeleistung, maximieren. Im ersten Teil studieren wir zunächst Mehrpaar-TWR-Netzwerke mit einem einzelnen Mehrantennen-AF-Relais. Dieser Anwendungsfall kann auch so betrachtet werden, dass sich mehrere verschiedene Dienstoperatoren Relais und Spektrum teilen, wobei verschiedene Nutzerpaare zu verschiedenen Dienstoperatoren gehören. Aktuelle Ansätzen zielen auf Interferenzunterdrückung ab. Wir schlagen ein auf Projektion basiertes Verfahren zur Trennung mehrerer Dienstoperatoren (projection based separation of multiple operators [ProBaSeMO]) vor. ProBaSeMO ist leicht anpassbar für den Fall, dass jeder Nutzer mehrere Antennen besitzt oder unterschiedliche Systemdesignkriterien angewendet werden müssen. Als Bewertungsmaßstab für ProBaSeMO entwickeln wir optimale Algorithmen zur Maximierung der Summenrate, zur Minimierung der Sendeleistung am Relais oder zur Maximierung des minimalen Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-Verhältnisses (Signal to Interference and Noise Ratio [SINR]) am Nutzer. Zur Maximierung der Summenrate wurden spezifische gradientenbasierte Methoden entwickelt, die unabhängig davon sind, ob ein Nutzer mit einer oder mehr Antennen ausgestattet ist. Um im Falle eines "Worst-Case" immer noch eine polynomielle Laufzeit zu garantieren, entwickelten wir einen Algorithmus mit polynomieller Laufzeit. Dieser ist inspiriert von der "Polynomial Time Difference of Convex Functions"-Methode (POTDC-Methode). Bezüglich der Summenrate des Systems untersuchen wir zuletzt, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, um einen Gewinn durch gemeinsames Nutzen zu erhalten. Hiernach untersuchen wir die Maximierung der Summenrate eines Mehrpaar-TWR-Netzwerkes mit mehreren Einantennen-AF-Relais und Einantennen-Nutzern. Das daraus resultierende Problem der Summenraten-Maximierung, gebunden an eine bestimmte Gesamtsendeleistung aller Relais im Netzwerk, ist ähnlich dem des vorangegangenen Szenarios. Dementsprechend kann eine optimale Lösung für das eine Szenario auch für das jeweils andere Szenario genutzt werden. Weiterhin werden basierend auf dem Polynomialzeitalgorithmus global optimale Lösungen entwickelt. Diese Lösungen sind entweder an eine maximale Gesamtsendeleistung aller Relais oder an eine maximale Sendeleistung jedes einzelnen Relais gebunden. Zusätzlich entwickeln wir suboptimale Lösungen, die effizient in ihrer Laufzeit sind und eine Approximation der optimalen Lösung darstellen.

Die Informations- und Kommunikationstechnik ist einer der wesentlichen Grundpfeiler der technischen Entwicklung des vergangenen Jahrhunderts. Gerade für die Erschließung geografisch ausgedehnter als auch abgelegener Gebiete mit Kommunikationsinfrastruktur, Broadcasting, etc. werden satellitengestützte Systeme eingesetzt. Um aktuelle Technologien in der Raumfahrt einsetzen zu können, bedarf es dem Nachweis der Raumfahrtqualifikation aller Komponenten. Da nicht jede Technologie geeignet ist und der Qualifikationsprozess aufwendig und mit hohen Kosten verbunden ist, beträgt die zeitliche Verzögerung typischerweise mehrere Jahre oder Jahrzehnte und wird nur bei großen zu erwartenden Vorteilen durchgeführt. Die Low Temperature Co-fired Ceramics-Technologie (LTCC) ermöglicht durch die dreidimensionale Integration passiver Leitungsstrukturen kompakte Module hoher Funktionsdichte, geringer Masse und ermöglicht hermetische Gehäuse für integrierte Schaltkreise. Die Berücksichtigung prozessbedingter Geometrieabweichungen im Entwurfsprozess zusammen mit der genauen Kenntnis der elektrischen Materialparameter stellt eine wichtige Vorraussetung dar, um eine hohe Ausbeute und eine gute Übereinstimmung zwischen Messdaten und Simulationsergebnissen zu erzielen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Entwicklungen, die Optimierung und der Qualifikationsprozess eines Schaltmatrixexperiments beschrieben. Dabei werden die aufgebauten Modelle vorgestellt, die Ergebnisse der Umwelttests ausgewertet und Optimierungen am Modul sowie an der Aufbau- und Verbindungstechnik vorgenommen. Die Ergebnisse der mechanischen Untersuchung werden mit numerischen Methoden nachvollzogen. Aufbauend auf den grundlegenden keramischen Modulen wurde ein System entworfen, welches im All selbstständig Messdaten aufnimmt und so Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der Komponenten erlaubt. Das Schaltmatrixexperiment wurde als der Teil der KERAMIS-Nutzlast in den Testsatelliten TET-1 (Technologieerprobungsträger) integriert. Die einjährige OOV-Mission (On-Orbit Verification) begann mit dem Start der Trägerrakete am 22. Juli 2012. Anhand der verfügbaren Messdaten konnte keine Beeinflussung der Funktionsfähigkeit festgestellt werden.Darüber hinaus werden verschiedene Konzepte für den modularen Aufbau komplexerer Schaltmatrizen basierend auf dem 4x4 Schaltmatrixmodul vorgestellt und diskutiert.

Die vorliegende Arbeit behandelt Signalverarbeitungsverfahren für drahtlose Kommunikationssysteme mit sehr hohen Datenraten. Dabei werden zum einen Funksysteme und zum anderen Infrarot-basierte optische Übertragungssysteme als Anwendungsgebiete betrachtet. Im ersten Teil der Arbeit wird das Konzept des "resource sharing" beleuchtet, was die willentliche und koordinierte gemeinsame Nutzung von Ressourcen zwischen mehreren Betreibern beschreibt. Dieses Ziel wurde im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes SAPHYRE eingehend untersucht. Die Arbeit beschreibt die Vision des SAPHYRE-Projektes und geht auf zwei konkrete Topologien näher ein: die gemeinsame Nutzung der Spektren ("spectrum sharing") sowie die gemeinsame Nutzung der Spektren und der Infrastruktur wie etwa der Relay-Stationen ("spectrum and infrastructure sharing"). In der ersten Topologie teilen sich mehrere Betreiber Teile des Spektrums. Hierfür wird die Abwärtsstrecke betrachtet, in welcher die Basisstationen (BS) der verschiedenen Betreiber jeweils zu einem eigenen User-Terminal (UT) senden und sich dafür denselben Kanal teilen. Zuerst werden für dieses Modell geschlossene Lösungen für die Antennengewichte der Sender entwickelt. Basierend auf diesem Ansatz wird dann ein iteratives Verfahren namens "Flexible Coordinated Beamforming (FlexCoBF)" für den Spectrum-Sharing-Fall entwickelt, welches es erlaubt, die Interferenz zwischen den Betreibern effektiv auszunutzen, um so die Summenrate des Systems zu steigern. Im Anschluss wird die zweite Topologie betrachtet, in der sowohl das Spektrum als auch Teile der Infrastruktur gemeinsam genutzt werden. Insbesondere wird dabei ein Relay-basiertes Kommunikationssystem untersucht, für welches mehrere Betreiber sowohl das Spektrum als auch die Relay-Station gemeinsam nutzen. Das Relay wird im "Amplifyand Forward" (AF)-Betrieb verwendet und ist mit mehreren Sende- und Empfangsantennen ausgestattet. Zunächst wird der Fall betrachtet, dass die direkte Verbindung zwischen BS und UT zu schwach ist und daher vernachlässigt werden kann. Für diesen Fall werden Sendestrategien für die Relay-Station untersucht. Dabei wird zuerst eine Gruppe von Verfahren namens "efficient relay sharing ratemaximization (EReSh-RM)" entwickelt, welche die Summenrate des Systems, unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsbeschränkung des Relays, steigern. Im Anschluss wird der systematische Entwurf der Sendestrategien für energieeffiziente Übertragungen beleuchtet. Für den Spezialfall, in dem alle Basisstationen und alle User-Terminalsnur eine Antenne besitzen, wird zunächst die global optimale Lösung unter Verwendung von konvexer Optimierung hergeleitet. Diese Lösung dient als Benchmark zur Bewertung einfacher suboptimaler Lösungen, die im Anschluss vorgeschlagen werden. Diese stellen einen Kompromiss zwischen der erreichbaren Energieeffizienz und dem nötigen Rechenaufwand dar, beispielsweise die geschlossene Lösungnamens "Efficient Resource Sharing Power Minimization (EReSh-PM)" sowie Ansätze die auf dem "Block Diagonalization (BD)"-Verfahren basieren. Darüber hinaus wird eine neuartige robuste Sendestrategie für das Relay vorgeschlagen, die die Unsicherheiten über den genauen Kanalzustand am Relay berücksichtigt. Schließlich werden die Konzepte auf den allgemeinen Fall erweitert, in dem jede Basisstation und jedes User-Terminal mehrere Antennen besitzen können. Für dieses Szenario wird ebenfalls eine Sendestrategie am Relay hergeleitet, die die Übertragung mehrerer Datenströme zwischen jedem Paar von BS und UT erlaubt. Für den Fall, dass die direkte Verbindung zwischen BS und UT nicht vernachlässigbar schwach ist, werden im Anschluss ebenfalls Übertragungsverfahren beleuchtet, wobei BS, UT und das Relay mehrere Antennen besitzen können. Hierbei wird unterschieden zwischen der Übertragung von jeweils einem Datenstrom und mehreren Datenströmen von jeder BS zu dem zugehörigen UT. Um den Vorteil des Resource-Sharings zu quantifizieren wird der "SAPHYRE sharing gain" verwendet welcher die erreichbare Summenrate mit und ohne Sharing ins Verhältnis setzt. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Design der physikalischen Übertragungsschicht für schnelle Infrarot (IR)-basierte Indoor-Übertragungssysteme untersucht. Dies geschah im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes OMEGA. Die jüngsten Entwicklungen in Indoor-IR-Übertragungssystemen haben gezeigt, dass IR hochratige Datenübertragung unterstützt und im Indoor-Bereich entscheidende Vorteile besitzt. Deshalb wird erwartet, dass IR Technologien für zukünftige drahtlose Netzwerke eine wichtige Rolle spielen werden.

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme stellen hohe und teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Hardware der Funkmodule, wie z.B. niedriger Energieverbrauch, große Bandbreite und hohe Linearität. Die Gewährleistung einer ausreichenden Linearität ist, neben anderen analogen Parametern, eine Herausforderung im praktischen Design der Funkmodule. Der Fokus der Dissertation liegt auf breitbandigen HF-Frontends für Software-konfigurierbare Funkmodule, die seit einigen Jahren kommerziell verfügbar sind. Die praktischen Herausforderungen und Grenzen solcher flexiblen Funkmodule offenbaren sich vor allem im realen Experiment. Eines der Hauptprobleme ist die Sicherstellung einer ausreichenden analogen Performanz über einen weiten Frequenzbereich. Aus einer Vielzahl an analogen Störeffekten behandelt die Arbeit die Analyse und Minderung von Nichtlinearitäten in Empfängern mit direkt-umsetzender Architektur. Im Vordergrund stehen dabei Signalverarbeitungsstrategien zur Minderung nichtlinear verursachter Interferenz - ein Algorithmus, der besser unter "Dirty RF"-Techniken bekannt ist. Ein digitales Verfahren nach der Vorwärtskopplung wird durch intensive Simulationen, Messungen und Implementierung in realer Hardware verifiziert. Um die Lücken zwischen Theorie und praktischer Anwendbarkeit zu schließen und das Verfahren in reale Funkmodule zu integrieren, werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wird ein erweitertes Verhaltensmodell entwickelt, das die Struktur direkt-umsetzender Empfänger am besten nachbildet und damit alle Verzerrungen im HF- und Basisband erfasst. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit des Algorithmus unter realen Funkkanal-Bedingungen untersucht. Zusätzlich folgt die Vorstellung einer ressourceneffizienten Echtzeit-Implementierung des Verfahrens auf einem FPGA. Abschließend diskutiert die Arbeit verschiedene Anwendungsfelder, darunter spektrales Sensing, robuster GSM-Empfang und GSM-basiertes Passivradar. Es wird gezeigt, dass nichtlineare Verzerrungen erfolgreich in der digitalen Domäne gemindert werden können, wodurch die Bitfehlerrate gestörter modulierter Signale sinkt und der Anteil nichtlinear verursachter Interferenz minimiert wird. Schließlich kann durch das Verfahren die effektive Linearität des HF-Frontends stark erhöht werden. Damit wird der zuverlässige Betrieb eines einfachen Funkmoduls unter dem Einfluss der Empfängernichtlinearität möglich. Aufgrund des flexiblen Designs ist der Algorithmus für breitbandige Empfänger universal einsetzbar und ist nicht auf Software-konfigurierbare Funkmodule beschränkt.