Analysis and ad-hoc networking solutions for cooperative relaying systems, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIV, 208 S., 4,49 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
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Nutzer mobiler Netzwerke fordern zunehmend höhere Datenraten von ihren Dienstleistern. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden verschiedene Signalverarbeitungsalgorithmen entwickelt. Dabei ist das "Multiple input multiple output" (MIMO)-Verfahren für die drahtlose Kommunikation eine der vielversprechendsten Techniken. Jedoch ist aufgrund bestimmter physikalischer Beschränkungen, wie zum Beispiel die Baugröße, die Verwendung von mehreren Antennen für viele Endgeräte nicht möglich. Dennoch können solche Ein-Antennen-Geräte durch den Einsatz kooperativer MIMO-Verfahren von den Vorteilen des MIMO-Prinzips profitieren. Dabei schließen sich naheliegende Knoten zusammen um ein sogenanntes virtuelles Antennen-Array zu bilden. Weiterhin können Knoten mit beschränktem Kommunikationsbereich durch mehrere Hops mit weiter entfernten Knoten kommunizieren. Allerdings stellt der Aufbau eines solchen Ad-hoc-Netzwerks mit kooperativen MIMO-Fähigkeiten aufgrund der dezentralen Natur und das Fehlen einer zentral-steuernden Einheit, wie einer Basisstation, eine große Herausforderung dar. Diese Arbeit befasst sich mit den Problemstellungen dieser Netzwerke und bietet verschiedene Lösungsansätze.Im ersten Teil dieser Arbeit werden analytisch in sich geschlossene Ausdrücke für ein kooperatives Relaying-System bezüglicher verschiedener Metriken, wie das Signal-Rausch-Verhältnis, die Symbolfehlerrate, die Bitfehlerrate und die Kapazität, hergeleitet. Dabei werden die "Amplify-and forward" und "Decode-and-forward" Relaying-Protokolle, sowie unterschiedliche Mehrantennen-Konfigurationen, wie "Single input single output" (SISO), "Single input multiple output" (SIMO) und MIMO betrachtet. Diese Ausdrücke zeigen die Bedeutung der Reduzierung der Hop-Anzahl in Mehr-Hop-Systemen, um eine höhere Leistung zu erzielen. Zudem werden die Auswirkungen verschiedener Antennen-Konfigurationen und Sendeleistungen auf die Anzahl der Hops analysiert. Weiterhin wird der Einfluss von Synchronisationsfehlern auf das kooperative MIMO-Verfahren herausgestellt und daraus eine untere Grenze für das Signal-zu-Interferenz-und-Rausch-Verhältnis, sowie ein Ausdruck für die Bitfehlerrate bei hohem Signal-Rausch-Verhältnis entwickelt. Diese Zusammenhänge sollen Netzwerk-Designern helfen die Qualität des Services auch in den Worst-Case-Szenarien sicherzustellen. Im zweiten Teil der Arbeit werden einige innovative Algorithmen vorgestellt, die die Einrichtung und die Funktionsweise von Cluster-basierten Ad-hoc-Netzwerken, die kooperative Relays verwenden, erleichtern und verbessern. Darunter befinden sich ein Clustering-Algorithmus, der den Batteriestatus der Knoten berücksichtigt, um eine längere Lebensdauer des Netzwerks zu gewährleisten und ein Routing-Mechanismus, der auf den Einsatz in kooperativen MIMO Mehr-Hop-Systemen zugeschnitten ist. Die Vorteile beider Algorithmen werden durch Simulationen veranschaulicht. Eine Methode, die Daten in Ad-hoc-Netzwerken mit verteilten Hash-Tabellen behandelt wird ebenfalls vorgestellt. Darüber hinaus wird auch ein Sicherheitsmechanismus für die physikalische Schicht in Multi-Hop-Systemen und kooperativen MIMO-Systemen präsentiert. Eine Analyse zeigt, dass das kooperative MIMO-Verfahren deutliche Vorteile gegenüber dem konventionellen MIMO-Verfahren hinsichtlich der informationstheoretischen Grenzen der Sicherheit auf der physikalischen Schicht aufweist.
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Self-organizing network optimization via placement of additional nodes, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: III, 147 S., 5,09 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
Enth. außerdem: Thesen
Das Hauptforschungsgebiet des Graduiertenkollegs "International Graduate School on Mobile Communication" (GS Mobicom) der Technischen Universität Ilmenau ist die Kommunikation in Katastrophenszenarien. Wegen eines Desasters oder einer Katastrophe können die terrestrischen Elemente der Infrastruktur eines Kommunikationsnetzwerks beschädigt oder komplett zerstört werden. Dennoch spielen verfügbare Kommunikationsnetze eine sehr wichtige Rolle während der Rettungsmaßnahmen, besonders für die Koordinierung der Rettungstruppen und für die Kommunikation zwischen ihren Mitgliedern. Ein solcher Service kann durch ein mobiles Ad-Hoc-Netzwerk (MANET) zur Verfügung gestellt werden. Ein typisches Problem der MANETs ist Netzwerkpartitionierung, welche zur Isolation von verschiedenen Knotengruppen führt. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die Positionierung von zusätzlichen Knoten, welche die Verbindung zwischen den isolierten Partitionen wiederherstellen können. Hauptziele dieser Arbeit sind die Recherche und die Entwicklung von Algorithmen und Methoden zur Positionierung der zusätzlichen Knoten. Der Fokus der Recherche liegt auf Untersuchung der verteilten Algorithmen zur Bestimmung der Positionen für die zusätzlichen Knoten. Die verteilten Algorithmen benutzen nur die Information, welche in einer lokalen Umgebung eines Knotens verfügbar ist, und dadurch entsteht ein selbstorganisierendes System. Jedoch wird das gesamte Netzwerk hier vor allem innerhalb eines ganz speziellen Szenarios - Katastrophenszenario - betrachtet. In einer solchen Situation kann die Information über die Topologie des zu reparierenden Netzwerks im Voraus erfasst werden und soll, natürlich, für die Wiederherstellung mitbenutzt werden. Dank der eventuell verfügbaren zusätzlichen Information können die Positionen für die zusätzlichen Knoten genauer ermittelt werden. Die Arbeit umfasst eine Beschreibung, Implementierungsdetails und eine Evaluierung eines selbstorganisierendes Systems, welche die Netzwerkwiederherstellung in beiden Szenarien ermöglicht.
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Theory and numerical modelling of Lorentz force eddy current testing, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIV, 126 S., 33,02 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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Diese Arbeit beschreibt die theoretische und numerische Untersuchung des neuen zerströungsfreien Materialprüfverfahrens namens Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung (LET). LET basiert auf der Messung der Lorentzkraft (LK), die auf ein Magnetsystem wirkt, welches sich in der Nähe eines leitfähigen Probekörpers bewegt. Um die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien vorzustellen, wird zuerst ein kanonisches Modell untersucht, welches "kriechender Magnet" genannt wird. Durch die vereinfachte Konfguration, ist sowohl eine tiefgründige analytische Beschreibung als auch eine effektive numerische Simulation möglich. Um realistische LET-Konfgurationen zu untersuchen, wird eine neue numerische Methodik basierend auf der Finiten Elemente Methode (FEM) entwickelt. Der sogenannte Logischer-Ausdruck-Ansatz (LEA) erlaubt eine schnelle und genaue Modellierung transienter Wirbelstromprobleme mit beweglichen Teilen in einem statischen numerischen Netz. Die Ergebnisse werden mittels der bekannten "Sliding-Mesh"-Methode (SMT) verifiziert und mittels Experiment validiert. Die Studie zeigt die Genauigkeit des LEA für alle Werte der magnetischen Reynoldszahl bei Verringerung der Gesamtsimulationszeit um mehr als das 10-fache. Die vorgeschlagene numerische Methodik wird daraufhin angewendet, um die Anwendbarkeit und das Einsatzpotential von LET zu ermitteln. Die Simulationen werden für zwei charakteristische LET-Konfigurationen durchgeführt, (i) einen defektfreien und (ii) einen Probekörper mit definierten Defekten. Im Falle eines defektfreien Probekörpers wird beobachtet, dass LET für die kontaktlose Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Probekörpers genutzt werden kann. Das "Lorentzkraft-Sigmometrie" genannte Verfahren ist robust gegenüber Änderungen des Lift-Off-Abstandes und der Magnetstärke. Die Studie des Probekörpers mit Defekt resultiert in Richtlinien zur effektiven Kraftmessung. Der Einfluss bestimmter Magnetformen und -größen auf die Detektion und Rekonstruktion von Defekten wird ebenfalls untersucht. Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit einer differentiellen LK-Messung. Dafür wird ein neuer und günstiger differentieller LK-Sensor entwickelt, welcher auf etablierter Spannungsmessung beruht. Die spezifische Modifikation der ursprünglichen LET-Konfguration wird "Differentielle Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung" genannt.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2013000175
Systementwicklung und Optimierung eines hochempfindlichen digitalen Magnetfeldsensors. - Ilmenau : ISLE, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: VIII, 120 S., 4,20 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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Hochauflösende mobile Magnetfeldmessungen im unabgeschirmten Erdmagnetfeld stellen hohe Anforderungen an Bandbreite und Dynamikbereich des verwendeten Sensorsystems. Die in Biomedizin und Geoexploration derzeit eingesetzten supraleitendenQuanteninterferometer (DC-SQUID) erreichen eine Auflösung im fT-Bereich, müssen jedoch aufgrund ihrer periodischen Kennlinie mit Hilfe einer Flussregelschleife in ihrem Arbeitspunkt gehalten werden, was zu einer Begrenzung der maximalen Feldänderung und damit der erlaubten Bewegungsgeschwindigkeit führt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem alternativen Konzept des Digital-SQUIDs, eines als Flussquantenzähler arbeitenden Magnetfeldsensors, welcher als Delta-Modulator einen theoretisch unbegrenzten Dynamikbereich besitzt. Das von Reich/Ortlepp entwickelte Schaltungskonzept wurde in ein selbst entwickeltes Messsystem eingebettet und unter Zuhilfenahme von Ansätzen aus Systemtheorie und Signalverarbeitung evaluiert. Der Schwerpunkt wurde hierbei auf die Analyse und Optimierung von Linearität und Dynamikbereich unter Berücksichtigung von Rauscheinflüssen und Nichtlinearitäten gelegt. Die Ursachen für die praktische Begrenzung von Auflösung und Dynamikbereich wurden abgeleitet. Des Weiteren wurden die Einflussparameter auf diese Kenngrößen sowie ihre komplexen Wirkzusammenhänge identifiziert und Schlussfolgerungen unter den gegebenen technologischen Rahmenbedingungen gezogen. Der umfangreiche experimentelle Teil der Arbeit bestätigt die erarbeitete Theorie. Aus den gewonnenen Erkenntnissen wurden Entwurfsregeln abgeleitet, welche zur Optimierung des Systems hinsichtlich der geforderten Kenngrößen führen. Darüber hinaus wurden Maßnahmen aufgezeigt und diskutiert, welche für einen Einsatz des Systems im unabgeschirmten Erdmagnetfeld erforderlich sind. Erste Maßnahmen wurden in einem neuen Entwurf bereits implementiert. Das Ergebnis der Arbeit ist ein wichtiger Beitrag zur Überführung des vorliegenden Schaltungskonzepts in ein praktisches hochauflösendes Messsystem zum mobilen Einsatz im Freifeld.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=22471
High-power comb-line filter architectures for switched-mode RF power amplifier systems, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: Getr. Zählung, 17,65 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
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Die vorgelegte Arbeit behandelt die Analyse der Anforderungen, den schaltungstechnischen Entwurf, den Aufbau und die messtechnische Verifizierung von Rekonstruktionsfiltern für Leistungsschaltverstärker im Klasse-S Betrieb, die auf Grund ihres hohen Wirkungsgrades vorzugsweise in Mobilfunkbasisstationen Verwendung finden sollen. Die Brauchbarkeit des Entwurfes wird an Hand einer Reihe von Applikationsbeispielen anschaulich dargestellt. Als Kernforderung einer derartigen Filterauslegung hat sich die Aufrechterhaltung der Rechteckzeitfunktion des Drain-Stromes für einen (im "Current Mode" arbeitenden) Schaltverstärker herausgestellt, weil sonst die damit erzielbare hohe Effizienz nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus fließen in die Filterauslegung nicht nur die Fixierung des Filterdurchlass- und sperrbereiches ein, sondern auch die Festlegung der Eingangs- und Lastimpedanz bei unterschiedlichen Anregungsmoden über einen breiten Frequenzbereich. Doppel- und einzelterminierte Filter werden theoretisch betrachtet, simuliert, getestet und gemessen. Es wurde herausgearbeitet, dass die schaltungstechnischen und geometrischen Anforderungen an einen derartigen Rekonstruktionsfilterentwurf gut durch symmetrisch gespeiste Kammleitungsfilter erfüllt werden können. Verschiedene Filterarchitekturen werden im Hinblick auf ihr Gleich- und Gegentaktaktimpedanzverhalten vorgestellt, experimentell untersucht und kritischan alysiert. Soweit dem Autor bekannt ist, werden hier erstmalig Rekonstruktionsfilter für Klasse-S Leistungsverstärker im "Current Mode" komplett analysiert.Desweiteren wird die Funktionalität des Rekonstruktionsfilters an Hand anderer Typen von Leistungsschaltverstärkern simuliert und messtechnisch untersucht. Der maximale Wirkungsgrad von 65% bei Leistungsschaltverstärkersystemen lässt sich dem erfolgreichen Filterentwurf zuschreiben.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=22380
Ultra wideband communications : from analog to digital, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: XV, 237 S., 8,33 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
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Ultrabreitband-Signale (Ultra Wideband [UWB]) können einen signifikanten Nutzen im Bereich drahtloser Kommunikationssysteme haben. Es sind jedoch noch einige Probleme offen, die durch Systemdesigner und Wissenschaftler gelöst werden müssen. Ein Funknetzsystem mit einer derart großen Bandbreite ist normalerweise auch durch eine große Anzahl an Mehrwegekomponenten mit jeweils verschiedenen Pfadamplituden gekennzeichnet. Daher ist es schwierig, die zeitlich verteilte Energie effektiv zu erfassen. Außerdem ist in vielen Fällen der naheliegende Ansatz, ein kohärenter Empfänger im Sinne eines signalangepassten Filters oder eines Korrelators, nicht unbedingt die beste Wahl. In der vorliegenden Arbeit wird dabei auf die bestehende Problematik und weitere Lösungsmöglichkeiten eingegangen. Im ersten Abschnitt geht es um "Impulse Radio UWB"-Systeme mit niedriger Datenrate. Bei diesen Systemen kommt ein inkohärenter Empfänger zum Einsatz. Inkohärente Signaldetektion stellt insofern einen vielversprechenden Ansatz dar, als das damit aufwandsgünstige und robuste Implementierungen möglich sind. Dies trifft vor allem in Anwendungsfällen wie den von drahtlosen Sensornetzen zu, wo preiswerte Geräte mit langer Batterielaufzeit nötigsind. Dies verringert den für die Kanalschätzung und die Synchronisation nötigen Aufwand, was jedoch auf Kosten der Leistungseffizienz geht und eine erhöhte Störempfindlichkeit gegenüber Interferenz (z.B. Interferenz durch mehrere Nutzer oder schmalbandige Interferenz) zur Folge hat. Um die Bitfehlerrate der oben genannten Verfahren zu bestimmen, wurde zunächst ein inkohärenter Combining-Verlust spezifiziert, welcher auftritt im Gegensatz zu kohärenter Detektion mit Maximum Ratio Multipath Combining. Dieser Verlust hängt von dem Produkt aus der Länge des Integrationsfensters und der Signalbandbreite ab. Um den Verlust durch inkohärentes Combining zu reduzieren und somit die Leistungseffizienz des Empfängers zu steigern, werden verbesserte Combining-Methoden für Mehrwegeempfang vorgeschlagen. Ein analoger Empfänger, bei dem der Hauptteil des Mehrwege-Combinings durch einen Integrate and Dump"-Filter implementiert ist, wird für UWB-Systeme mit Zeit-Hopping gezeigt. Dabei wurde die Einsatzmöglichkeit von dünn besetzten Codes in solchen System diskutiert und bewertet. Des Weiteren wird eine Regel für die Code-Auswahl vorgestellt, welche die Stabilität des Systems gegen Mehrnutzer-Störungen sicherstellt und gleichzeitig den Verlust durch inkohärentes Combining verringert. Danach liegt der Fokus auf digitalen Lösungen bei inkohärenter Demodulation. Im Vergleich zum Analogempfänger besitzt ein Digitalempfänger einen Analog-Digital-Wandler im Zeitbereich gefolgt von einem digitalen Optimalfilter. Der digitale Optimalfilter dekodiert den Mehrfachzugriffscode kohärent und beschränkt das inkohärente Combining auf die empfangenen Mehrwegekomponenten im Digitalbereich. Es kommt ein schneller Analog-Digital-Wandler mit geringer Auflösung zum Einsatz, um einen vertretbaren Energieverbrauch zu gewährleisten. Diese Digitaltechnik macht den Einsatz langer Analogverzögerungen bei differentieller Demodulation unnötig und ermöglicht viele Arten der digitalen Signalverarbeitung. Im Vergleich zur Analogtechnik reduziert sie nicht nur den inkohärenten Combining-Verlust, sonder zeigt auch eine stärkere Resistenz gegenüber Störungen. Dabei werden die Auswirkungen der Auflösung und der Abtastrate der Analog-Digital-Umsetzung analysiert. Die Resultate zeigen, dass die verminderte Effizienz solcher Analog-Digital-Wandler gering ausfällt. Weiterhin zeigt sich, dass im Falle starker Mehrnutzerinterferenz sogar eine Verbesserung der Ergebnisse zu beobachten ist. Die vorgeschlagenen Design-Regeln spezifizieren die Anwendung der Analog-Digital-Wandler und die Auswahl der Systemparameter in Abhängigkeit der verwendeten Mehrfachzugriffscodes und der Modulationsart. Wir zeigen, wie unter Anwendung erweiterter Modulationsverfahren die Leistungseffizienz verbessert werden kann und schlagen ein Verfahren zur Unterdrückung schmalbandiger Störer vor, welches auf Soft Limiting aufbaut. Durch die Untersuchungen und Ergebnissen zeigt sich, dass inkohärente Empfänger in UWB-Kommunikationssystemen mit niedriger Datenrate ein großes Potential aufweisen. Außerdem wird die Auswahl der benutzbaren Bandbreite untersucht, um einen Kompromiss zwischen inkohärentem Combining-Verlust und Stabilität gegenüber langsamen Schwund zu erreichen. Dadurch wurde ein neues Konzept für UWB-Systeme erarbeitet: wahlweise kohärente oder inkohärente Empfänger, welche als UWB-Systeme Frequenz-Hopping nutzen. Der wesentliche Vorteil hiervon liegt darin, dass die Bandbreite im Basisband sich deutlich verringert. Mithin ermöglicht dies einfach zu realisierende digitale Signalverarbeitungstechnik mit kostengünstigen Analog-Digital-Wandlern. Dies stellt eine neue Epoche in der Forschung im Bereich drahtloser Sensorfunknetze dar. Der Schwerpunkt des zweiten Abschnitts stellt adaptiven Signalverarbeitung für hohe Datenraten mit "Direct Sequence"-UWB-Systemen in den Vordergrund. In solchen Systemen entstehen, wegen der großen Anzahl der empfangenen Mehrwegekomponenten, starke Inter- bzw. Intrasymbolinterferenzen. Außerdem kann die Funktionalität des Systems durch Mehrnutzerinterferenz und Schmalbandstörungen deutlich beeinflusst werden. Um sie zu eliminieren, wird die "Widely Linear"-Rangreduzierung benutzt. Dabei verbessert die Rangreduzierungsmethode das Konvergenzverhalten, besonders wenn der gegebene Vektor eine sehr große Anzahl an Abtastwerten beinhaltet (in Folge hoher einer Abtastrate). Zusätzlich kann das System durch die Anwendung der R-linearen Verarbeitung die Statistik zweiter Ordnung des nicht-zirkularen Signals vollständig ausnutzen, was sich in verbesserten Schätzergebnissen widerspiegelt. Allgemein kann die Methode der "Widely Linear"-Rangreduzierung auch in andern Bereichen angewendet werden, z.B. in "Direct Sequence"-Codemultiplexverfahren (DS-CDMA), im MIMO-Bereich, im Global System for Mobile Communications (GSM) und beim Beamforming.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=21995
Advanced algebraic concepts for efficient multi-channel signal processing, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: XXIII, 383 S., 3,50 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
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Unsere moderne Gesellschaft ist Zeuge eines fundamentalen Wandels in der Art und Weise wie wir mit Technologie interagieren. Geräte werden zunehmend intelligenter - sie verfügen über mehr und mehr Rechenleistung und häufiger über eigene Kommunikationsschnittstellen. Das beginnt bei einfachen Haushaltsgeräten und reicht über Transportmittel bis zu großen überregionalen Systemen wie etwa dem Stromnetz. Die Erfassung, die Verarbeitung und der Austausch digitaler Informationen gewinnt daher immer mehr an Bedeutung. Die Tatsache, dass ein wachsender Anteil der Geräte heutzutage mobil und deshalb batteriebetrieben ist, begründet den Anspruch, digitale Signalverarbeitungsalgorithmen besonders effizient zu gestalten. Dies kommt auch dem Wunsch nach einer Echtzeitverarbeitung der großen anfallenden Datenmengen zugute. Die vorliegende Arbeit demonstriert Methoden zum Finden effizienter algebraischer Lösungen für eine Vielzahl von Anwendungen mehrkanaliger digitaler Signalverarbeitung. Solche Ansätze liefern nicht immer unbedingt die bestmögliche Lösung, kommen dieser jedoch häufig recht nahe und sind gleichzeitig bedeutend einfacher zu beschreiben und umzusetzen. Die einfache Beschreibungsform ermöglicht eine tiefgehende Analyse ihrer Leistungsfähigkeit, was für den Entwurf eines robusten und zuverlässigen Systems unabdingbar ist. Die Tatsache, dass sie nur gebräuchliche algebraische Hilfsmittel benötigen, erlaubt ihre direkte und zügige Umsetzung und den Test unter realen Bedingungen. Diese Grundidee wird anhand von drei verschiedenen Anwendungsgebieten demonstriert. Zunächst wird ein semi-algebraisches Framework zur Berechnung der kanonisch polyadischen (CP) Zerlegung mehrdimensionaler Signale vorgestellt. Dabei handelt es sich um ein sehr grundlegendes Werkzeug der multilinearen Algebra mit einem breiten Anwendungsspektrum von Mobilkommunikation über Chemie bis zur Bildverarbeitung. Verglichen mit existierenden iterativen Lösungsverfahren bietet das neue Framework die Möglichkeit, den Rechenaufwand und damit die Güte der erzielten Lösung zu steuern. Es ist außerdem weniger anfällig gegen eine schlechte Konditionierung der Ausgangsdaten. Das zweite Gebiet, das in der Arbeit besprochen wird, ist die unterraumbasierte hochauflösende Parameterschätzung für mehrdimensionale Signale, mit Anwendungsgebieten im RADAR, der Modellierung von Wellenausbreitung, oder bildgebenden Verfahren in der Medizin. Es wird gezeigt, dass sich derartige mehrdimensionale Signale mit Tensoren darstellen lassen. Dies erlaubt eine natürlichere Beschreibung und eine bessere Ausnutzung ihrer Struktur als das mit Matrizen möglich ist. Basierend auf dieser Idee entwickeln wir eine tensor-basierte Schätzung des Signalraums, welche genutzt werden kann um beliebige existierende Matrix-basierte Verfahren zu verbessern. Dies wird im Anschluss exemplarisch am Beispiel der ESPRIT-artigen Verfahren gezeigt, für die verbesserte Versionen vorgeschlagen werden, die die mehrdimensionale Struktur der Daten (Tensor-ESPRIT), nichzirkuläre Quellsymbole (NC ESPRIT), sowie beides gleichzeitig (NC Tensor-ESPRIT) ausnutzen. Um die endgültige Schätzgenauigkeit objektiv einschätzen zu können wird dann ein Framework für die analytische Beschreibung der Leistungsfähigkeit beliebiger ESPRIT-artiger Algorithmen diskutiert. Verglichen mit existierenden analytischen Ausdrücken ist unser Ansatz allgemeiner, da keine Annahmen über die statistische Verteilung von Nutzsignal und Rauschen benötigt werden und die Anzahl der zur Verfügung stehenden Schnappschüsse beliebig klein sein kann. Dies führt auf vereinfachte Ausdrücke für den mittleren quadratischen Schätzfehler, die Schlussfolgerungen über die Effizienz der Verfahren unter verschiedenen Bedingungen zulassen. Das dritte Anwendungsgebiet ist der bidirektionale Datenaustausch mit Hilfe von Relay-Stationen. Insbesondere liegt hier der Fokus auf Zwei-Wege-Relaying mit Hilfe von Amplify-and-Forward-Relays mit mehreren Antennen, da dieser Ansatz ein besonders gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis verspricht. Es wird gezeigt, dass sich die nötige Kanalkenntnis mit einem einfachen algebraischen Tensor-basierten Schätzverfahren gewinnen lässt. Außerdem werden Verfahren zum Finden einer günstigen Relay-Verstärkungs-Strategie diskutiert. Bestehende Ansätze basieren entweder auf komplexen numerischen Optimierungsverfahren oder auf Ad-Hoc-Ansätzen die keine zufriedenstellende Bitfehlerrate oder Summenrate liefern. Deshalb schlagen wir algebraische Ansätze zum Finden der Relayverstärkungsmatrix vor, die von relevanten Systemmetriken inspiriert sind und doch einfach zu berechnen sind. Wir zeigen das algebraische ANOMAX-Verfahren zum Erreichen einer niedrigen Bitfehlerrate und seine Modifikation RR-ANOMAX zum Erreichen einer hohen Summenrate. Für den Spezialfall, in dem die Endgeräte nur eine Antenne verwenden, leiten wir eine semi-algebraische Lösung zum Finden der Summenraten-optimalen Strategie (RAGES) her. Anhand von numerischen Simulationen wird die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren bezüglich Bitfehlerrate und erreichbarer Datenrate bewertet und ihre Effektivität gezeigt.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=21627
Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIII, 228 S., 1,66 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
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Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungskonzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichsentzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-MeanSquared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein-und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-InputMultiple-Output (MIMO) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungenerzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDASC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierungauch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektionsschritteberücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion.Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytischeBerechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semianalytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeitdes iterativen Systems.Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- undLeistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit festerLeistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) desiterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierunguntersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegeldes Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängersoptimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist.
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Localization of active nodes within distributed ultra-wideband sensor networks in multipath environments, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: XVII, 167 S., 28,77 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
Enth. außerdem: Thesen
Die Lokalisierung, welche auch als Geolokalisierung bezeichnet wird, ist eine der unterstützenden Technologien in diesem Bereich der drahtlosen Sensor Netzwerken (Wireless Sensor Networks, WSN). Bisherige Geolokalisierungssysteme, wie das Global Positioning System (GPS), sind nicht für den Indoor-Bereich entwickelt worden und können keine genauen Positionen innerhalb eines Indoor-Szenarios ermitteln bzw. schätzen. Daher besteht für Indoor-Anwendungen ein Bedarf für neue Lokalisierungsmethoden und Systeme. Einer der vielversprechendsten Technologien im Bereich der Lokalisierung und des Tracking (Location and Tracking, LT) ist das Ultra-Breitband-Technologie (Ultra-Wideband, UWB), welches neben der präzisen Distanzschätzung auch eine genaue Lokalisierung von Objekten und eine Echtzeit-Datenübertragung erlaubt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Analyse und die Entwicklung von praktikablen Lokalisierungsalgorithmen innerhalb verteilter UWB-Sensornetzwerke unter Berücksichtigung von Mehrwege-Signalausbreitung. In dieser Arbeit wird ein neuer Lokalisierungsalgorithmus vorgestellt und seine einzelnen Schritte ausführlich diskutiert. Der Algorithmus ist wie folgt aufgebaut: Entfernungsbestimmung, Non-Line of Sight (NLOS) Identifizierung, Positionsbestimmung, Entfernungskorrektur und -tracking, Positionsschätzung, und Positions-Tracking. Für jeden dieser Schritte wurden existierende Algorithmen analysiert und ein praktikabler Algorithmus wurde vorgeschlagen. Die Mehrwege-Signalausbreitungskomponenten stellen die Hauptfehlerquelle bei der Positionsbestimmung dar. Innerhalb dieser Arbeit werden zwei neue adaptive schwellwert-basierte Time-of-Arrival (TOA) Schätzverfahren, die CFAR-basierte Methode und die Maximum Probability of Detection (MPD)-basierte Methode, vorgeschlagen, welche die Robustheit bei Mehrwege-Signalausbreitung und NLOS Situationen verbessert. Die Anwendung von TOA Schätzverfahren bei der Positionsbestimmung kann zu großen Abweichungen führen aufgrund der Mehrwege- und NLOS Bedingungen. Ein beliebter Ansatz dies zu verbessern ist, zwischen den Line of Sight (LOS) und den NLOS Knoten zu unterscheiden und somit die nachteiligen Effekte der NLOS Schätzergebnisse zu umgehen. Ein neues Verfahren zur Identifizierung von NLOS Knoten wird vorgeschlagen. Es basiert auf der Bestimmung von NLOS Kanal-Bedingungen durch den Vergleich des mittleren quadratischen Fehlers der geschätzten Entfernung mit der Varianz der geschätzten LOS Entfernung, wobei für Fälle mit weniger als drei verfügbaren LOS Knoten eine statistische Auswertung von kreisförmigen Pfaden erfolgt. Für die Bestimmung der Position, wurden verschiedene herkömmliche Verfahren zur Positionsbestimmung untersucht und analysiert. Um die Genauigkeit der Positionsschätzung zu erhöhen wird während der Lokalisierung auch das Tracken bewegter Knoten mit berücksichtigt. In dieser Arbeit werden verschiedene Tracking-Algorithmen diskutiert, und ein besonderes Augenmerk wird auf der Kalman Filter bezahlt. Die hier vorgestellten Algorithmen werden analysiert, diskutiert und verifiziert mit Hilfe von Daten generiert durch ein Ray-Tracing-Tool und realen Daten generiert mit Hilfe des Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Channel Sounder-System am eines Indoor-Szenarios.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=21313
Evaluation, analysis and optimization of direct-push sensor systems. - Ilmenau : Wiss.-Verl. Thüringen, 2012. - XX, 109 S.. - (Forschungsberichte aus dem Institut für Informationstechnik ; 14) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
ISBN 978-3-936404-59-3
Globale ökologische Fragestellungen bezüglich der Böden und des Grundwassers stellen für die Menschheit eine große Herausforderung dar. Die Erkundung des oberflächennahen Erdkörpers liefert dabei einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung, Bewertung und zum Ableiten von Lösungen wesentlicher Umweltfragstellungen. Zu dessen Erkundung werden moderne Direct-Push Sensorsysteme eingesetzt, die eine schnelle und effiziente in-situ Messung in einem vertikalen Profil erlauben. Für die zukünftige Entwicklung dieser Erkundungstechnologie wird in der vorliegenden Arbeit eine systematische Klassifikation und Beschreibung herausgearbeitet. Zur Bewertung und Optimierung bestehender Sensorsysteme wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, welcher auf der Analyse mittels Experimenten auf Labor- und Feldskala und deren mathematischen Modellierung basiert. Diese Methode zur Analyse von Direct-Push Sensorsystemen ist geeignet, um sie in deduktiver Form bei synthetischen Entwicklungen und Implementierungen von physikalischen, chemischen oder biologischen Sensorsystemen anzuwenden. Eine wesentliche Anwendung von Direct-Push Sensorsystemen ist die Erkundung von Kontaminationen in Böden und Grundwasser. Eines dieser Sensorsysteme stellt das Membrane Interface Probe (MIP) Verfahren dar, welches sich bei der Anwendung als nicht zuverlässig herausgestellt hat. Zur Bewertung, Analyse und Optimierung dieses Sensorsystems werden in der vorliegenden Arbeit mit dem methodischen Ansatz zur Analyse die wesentlichsten Einflussparameter und Übertragungsfunktionen dieses Systems ermittelt. Zur Optimierung der Messmethode wird die Kopplung eines mobilen Massenspektrometers als online Detektor vorgeschlagen, um die Interpretation von gemessenen Daten wesentlich zu verbessern.