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Bombey, Ronald Kahwoeup;
Wave field synthesis methods for non-uniform antenna distributions. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Angesichts der schnell wachsenden Anforderungen an höheren Datenraten und Zuverlässigkeit mobiler Kommunikationssysteme erfordern MIMO-Geräte umfangreiche Tests, um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen der Standards erfüllen, für die sie entwickelt wurden. Es wird deutlich, dass für diese Tests effiziente und kostengünstige Methoden eingesetzt werden müssen. Derzeit werden unter anderem Tests mit elektrischer Verbindung, Radiated Two-Stage (RTS) und Wave Field Synthesis (WFS) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Verwendung ungleichmäßiger Antennenverteilungen in der WFS-Methode zu untersuchen, um die Auswirkungen der Verwendung hoher Frequenzen während Tests abzuschwächen. Darüber hinaus sollte auch die Kapazität der in der Facility for Over-The-Air Research and Testing (FORTE) des FraunhoferInstituts für Integrierte Schaltungen (IIS) vorhandenen Hardware für die Durchführung von WFS bei Frequenzen bis zu 6 GHz überprüft werden, da bisher nur Frequenzen unter 3 GHz Verwendung fanden. Bevor auf die Diskussionen über das Hauptziel der Arbeit eingegangen wird, werden Hintergrundinformationen zur Theorie, zum Stand der Technik und zur Hardware von WFS vorgestellt, begleitet von Simulationen. Von dort aus wird die WFS-Hardware bei FORTE vorgestellt und auch deren Leistung für Frequenzen bis 6 GHz untersucht. Eine ungleichmäßige 2D-Verteilung von Antennen basierend auf der Verteilung der aus dem Kanalmodell erhaltenen Direction of Arrival (DoA)-Winkel wird vorgeschlagen, ihre Leistung während Wave Field Synthesis (WFS) simuliert und mit einer gleichmäßigen Antennenverteilung verglichen. Außerdem werden praktische WFS-Experimente mit der bei Facility for Over The-Air Research and Testing (FORTE) vorhandenen Hardware sowohl bei 1 GHz als auch bei 5,6 GHz durchgeführt, um die Leistung des Systems bei höheren Frequenzen zu zeigen und auch die Ergebnisse aus den Simulationen zu bestätigen.



Jung, Florian;
Implementierung eines Over-The-Air-Update Mechanismus für LoRa-basierte Sensornetze. - Ilmenau. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024

Firmware Updates für eingebettete Geräte im Internet of Things sind essenziell um Bugs und Sicherheitsprobleme zu beheben, sowie um sie weiter zu optimieren und längere Laufzeiten bei Batteriebetrieb zu ermöglichen. In manchen Umgebungen ist es schwer, diese auf die Geräte zu spielen, weil die Geräte sich in schwer erreichbaren Positionen befinden, man aber direkten Zugriff auf das Gerät braucht, damit man die neue Firmware mit einem Programmiergerät flashen kann. Das Ziel war es somit, Firmware Updates Over-the-Air für LoRa-basierte Netzwerke zu implementieren. LoRaWAN selbst eignet sich nicht sonderlich dafür, da es geringe Datenraten verwendet. Dementsprechend musste diskutiert werden, ob es der bessere Ansatz in Bezug auf Updatedauer, Energieverbrauch und Benutzbarkeit ist, Bluetooth als Out-of-Band-Ansatz für das Update zu verwenden. Es hat sich herausgestellt, dass der Ansatz mit Bluetooth in vielen Fällen aktuell der bessere ist.



Yang, Liu;
Analysis of parameter steadiness in blockwise multipath estimation. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Die Analyse des Verhaltens einer Kanal ist eine sehr wichtige Untersuchung des MIMO-Systems (Multiple Input Multiple Output). Mit zunehmender Kanalfrequenz, sowie dem Ziel, mehr Benutzerzahlen und einen größeren Signalabdeckungsbereich anzustreben, werden die Eigenschaften der Kanalmodellierung komplexer. Um die Leistung dieser fortschrittlichen Technologie zu untersuchen, haben wir einige Parameter des Ausbreitungssignals gemessen und sie mit dem RIMAX-Algorithmus berechnet, um einige weitere Parameter zu ermitteln. Das Thema dieser Arbeit ist die Analyse der Stabilität dieser Parameter, die bereits vom RIMAX-System geschätzt wurden. Der Zeitaufwand für das RIMAX-System zur Schätzung großer Datenmengen ist hoch. Daher werden die Daten in Blöcke aufgeteilt, um sie gleichzeitig parallel zu verarbeiten. Da der genannte Algorithmus iterativ aufgebaut ist, muss er mehrere Datenschnappschüsse verarbeiten um einzuschwingen. Damit die geschätzten Parameter an den Blockübergängen dennoch stetig verlaufen, werden die einzelnen Blöcke überlappend definiert. Nach der Schätzung werden die Datenblöcke in der ursprünglichen Reihenfolge ohne die überlappenden Daten wieder zusammengefügt. Die geschätzten Parameter sollten über die gesamte Zeitdauer hinweg stabil sein. Daher stellt die Stabilität des geschätzten Parameters die Leistung der Datentrennungsschätzungsverarbeitung dar. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Bewertung der Parameterstabilität durch drei verschiedene Algorithmen und verwenden den Mehrwegkomponenten- abstand (MCD) als quantitativen Standard. Der MCD ist ein wichtiger Schritt zur Mehrwege-Clustering-Erkennung, die auf der Grundlage von Verzögerung, Ankunfts- und Abgangswinkeln berechnet wird, die die Parameter von Mehrwegekomponenten (MPC) sind. Zunächst verwenden wir MCD, um den Tracking-Parameter PathID zu analysieren, der vom RIMAX-Algorithmus geschätzt wird, um das Ergebnis zu beobachten. Die MCD-Werte von PathID zeigen eine signifikante Eigenschaft, dass es an den Blockrändern Extremwerte gibt und sich die Werte an den anderen Position im Blockinneren langsam ändern. Dann verwenden wir den ungarischen Algorithmus, um die MPCs nachfolgender Snapshots zuzuweisen, um die MCD-Werte zu erhalten. Die MCD-Werte zeigen die gleiche Tendenz wie die PathID, allerdings sind die MCD-Gesamtwerte kleiner als die PathIDs. Schließlich verwenden wir den Kalman-Filter, um den Tracking-Prozess erneut auszuführen un dann die MCD-Werte des Kalman-Filters zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen für die Parameter keine Blockkanten mehr und die MCD-Werte sind extrem niedrig. Durch den Vergleich der MCD-Werte durch drei verschiedene Algorithmen, den PathID und den ungarischen Algorithmus, wird die Stabilität in den Blöcken der Parameter überprüft, die vom RIMAX-Algorithmus ausgewertet werden. Der Kalman-Filter kann die Stabilität der Parameter insgesamt sicherstellen, aber der Zeitaufwand ist höher als vom ungarischen Algorithmus berechnet.



Tchakountio Padjouo, Inès Larissa;
Simulation und Leistungsbewertung von 5G-Campusnetzen für das Internet of Things. - Ilmenau. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wie Flexibilität, Skalierbarkeit, massive Objektkonnektivität usw., die speziell auf die Bedürfnisse von Industrieumgebungen zugeschnitten sind, werden 5G-Campusnetze für die Industrie zunehmend attraktiv. Allerdings ist der Antrag für den Betrieb eines solchen 5G-Campusnetzes sehr komplex und kostspielig. Ziel dieser Masterarbeit war es daher, verschiedene Netzwerksimulatoren zu untersuchen und einen auszuwählen, in dem eine Simulation durchgeführt und ausgewertet wird, um die Frage zu beantworten, unter welchen Randbedingungen ein 5G-Campus-Netzwerk sehr gut für die IoT-Umgebung geeignet ist und, mehr noch, wo es Nachteile oder Einschränkungen gibt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein 5G-Campusnetz für IoT-Anwendungen mit einer Kapazität von 100 IoT-Geräten mit Hilfe des OMNeT++-Netzwerksimulators simuliert und anschließend die Leistung dieses Campusnetzes anhand definierter Parameter - Anzahl der IoT-Gateways, Paketgröße und Frequenzband - beurteilt. Anhand der Analyse der Simulationsergebnisse konnten wir dann feststellen, dass die 5G-SA-Verbreitung für die Implementierung von Campusnetzen mit enormer Kapazität geeignet ist. So wurden Handlungsempfehlungen und Rahmenbedingungen für die Implementierung von 5G-IoT-Campusnetzen definiert. Diese Arbeit unterstreicht die Perspektiven für zukünftige Forschungsziele, darunter die Untersuchung und Optimierung der Energieeffizienz von 5G-Geräten und batteriebetriebenen IoT-Geräten. Schließlich bietet sie einen praktischen Leitfaden für den effizienten Einsatz und die Optimierung von 5G-Campusnetzen in der Umgebung des Internets der Dinge.



Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
CAI2M2: a centralized autonomous inclusive intersection management mechanism for heterogeneous connected vehicles. - In: IEEE open journal of vehicular technology, ISSN 2644-1330, Bd. 5 (2024), S. 230-243

https://doi.org/10.1109/OJVT.2024.3354393
Rakhimov, Damir; Haardt, Martin
Analytical performance assessment of 2-D Tensor ESPRIT in terms of physical parameters. - In: IEEE open journal of signal processing, ISSN 2644-1322, Bd. 5 (2024), S. 122-131

In this paper, we present an analytical performance assessment of 2-D Tensor ESPRIT in terms of physical parameters. We show that the error in the r -mode depends only on two components, irrespective of the dimensionality of the problem. We obtain analytical expressions in closed form for the mean squared error (MSE) in each dimension as a function of the signal-to-noise (SNR) ratio, the array steering matrices, the number of antennas, the number of snapshots, the selection matrices, and the signal correlation. The derived expressions allow a better understanding of the difference in performance between the tensor and the matrix versions of the ESPRIT algorithm. The simulation results confirm the coincidence between the presented analytical expression and the curves obtained via Monte Carlo trials. We analyze the behavior of each of the two error components in different scenarios.



https://doi.org/10.1109/OJSP.2023.3337729
Müller, Erik; Petkoviâc, Bojana; Ziolkowski, Marek; Weise, Konstantin; Töpfer, Hannes; Haueisen, Jens
An improved GPU optimized fictitious surface charge method for transcranial magnetic stimulation. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 0 (2023), 0, insges. 4 S.

The fictitious surface charge method (FSCM) is used for the calculation of the induced electrical field in magnetic stimulation. The method was embedded and optimized in Python. It was designed to allow for the computation of large problems. An element-wise Jacobi method was combined with vectorized matrix operations to increase the parallelization capabilities and enable GPU computing. The induced fields are compared against an analytical solution for a homogeneous sphere and a FEM solution on a realistic head model. The results for both cases show that the normalized root mean square error of less than 0.5% can be achieved with the integral-free FSCM even on low-performance computer hardware.



https://doi.org/10.1109/TMAG.2023.3334747
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
Petkoviâc, Bojana; Ziolkowski, Marek; Töpfer, Hannes; Haueisen, Jens
Fast fictitious surface charge method for calculation of torso surface potentials. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), insges. 4 S.

Well-established forward modeling methods in electrocardiography (ECG) require fine meshes to calculate the electric scalar potential at the body surface with high accuracy. We introduce a fast fictitious surface charge method (FSCM) with local mesh refinement and smart calculations of elements interactions which improves the accuracy of the calculations and, at the same time, preserves the performance speed.



https://doi.org/10.1109/COMPUMAG56388.2023.10411804
Liu, Tianyi; Matter, Frederic; Sorg, Alexander; Pfetsch, Marc E.; Haardt, Martin; Pesavento, Marius
Joint sparse estimation with cardinality constraint via mixed-integer semidefinite programming. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 106-110

The multiple measurement vectors (MMV) problem refers to the joint estimation of multiple signal realizations where the signal samples share a common sparse support over a known dictionary, which is a fundamental challenge in various applications in signal processing, e.g., direction-of-arrival (DOA) estimation. We consider the maximum a posteriori (MAP) estimation of an MMV problem, which is classically formulated as a regularized least-squares (LS) problem with an ℓ2,0 -norm constraint and derive an equivalent mixed-integer semidefinite program (MISDP) reformulation, which can be solved by state-of-the-art numerical MISDP solvers at an affordable computation time. Numerical simulations in the context of DOA estimation demonstrate the improved error performance of our proposed method in comparison to several popular DOA estimation methods.



https://doi.org/10.1109/CAMSAP58249.2023.10403415
Chege, Joseph K.; Grasis, Mikus J.; Yeredor, Arie; Haardt, Martin
Bayesian estimation of a probability mass function tensor with automatic rank detection. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 211-215

Estimating the probability mass function (PMF) of a set of discrete random variables using a low-rank model for the PMF tensor has recently gained much attention. However, detecting the rank (model order) of the PMF tensor from observed data is a challenging problem. While classical techniques such as the Akaike and the Bayesian information criteria (AIC and BIC) may be applied in this regard, they require testing a number of candidate model orders before selecting the best one, a procedure which is computationally intensive for large datasets. In this work, we propose an algorithm to estimate the PMF tensor and implicitly detect its rank. We specify appropriate prior distributions for the model parameters and develop a deterministic algorithm which enables the rank to be detected as part of the inference. Numerical results using synthetic data demonstrate that, compared to classical model selection techniques, our approach is more robust against missing observations and is computationally efficient.



https://doi.org/10.1109/CAMSAP58249.2023.10403469
Yu, Zhibin; Abdelkader, Ahmed; Wu, Xiaofeng; Coines, Adrian Lamoral; Haardt, Martin
Compressive sensing based high-resolution DoA estimation by beamspace covariance gradient descent. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 321-325

In this paper, we present a high-resolution direction of arrival (DoA) estimation scheme using compressive measurements for mmWave band communications. We first propose an off-grid refinement algorithm to refine an initial on-grid DoA estimation through a gradient descent search in the beamspace covariance (BSC) domain. Then we integrate the proposed refinement algorithm into the covariance orthogonal matching pursuit (COMP) algorithm, such that an on-grid detected source is firstly refined and then off-grid canceled during the successive iterations. Numerical results show that the proposed method has a lower complexity than the state-of-the-art off-grid compressive DoA estimation method in case of OFDM signals, while it can reliably estimate the DoAs with high accuracy.



https://doi.org/10.1109/CAMSAP58249.2023.10403481
Manina, Alla; Grasis, Mikus Janis; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Coupled matrix tensor factorization via a semi-algebraic solution based on simultaneous matrix diagonalization (SECSI-CMTF). - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 431-435

Recent research has shown that the joint analysis of heterogeneous data can be beneficial to understand the underlying structure of the data compared to a separate analysis. This research direction has gained high interest due to the technological progress, where massive amounts of data from multiple sources are collected, e.g., multimodal data from a patient such as EEG (electroencephalogram), MAG (magnetoencephalogram), and other data gathered from laboratory tests. This task of data fusion is challenging due to the heterogeneous structure of the data. In this study, we perform a joint CP decomposition of a heterogeneous data set, i.e., a matrix coupled with a three-dimensional tensor along the first mode, via a new formulation of the coupled matrix and tensor factorization (CMTF) based on the SEmi-Algebraic framework for approximate CP decomposition via SImultaneous matrix diagonalization (SECSI). In comparison with the traditional alternating and gradient-based optimization algorithms, the proposed SECSI-CMTF algorithm shows an accurate and robust performance with a significantly increased computational speed. The results are evaluated on synthetic data set and compared to other state-of-the-art approaches, also in ill-conditioned scenarios and in scenarios with different SNRs.



https://doi.org/10.1109/CAMSAP58249.2023.10403496
¸Cakiro&bovko;glu, Ozan; Pérez, Eduardo; Römer, Florian; Schiffner, Martin Friedrich
Autoencoder-based learning of transmission parameters in fast pulse-echo ultrasound imaging employing sparse recovery. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 516-520

There is recently a notable rise in the exploration of pulse-echo ultrasound image reconstruction techniques that address the inverse problem employing sparse signal and rely on a single measurement cycle. Nevertheless, these techniques continue to pose significant challenges with regard to accuracy of estimations. Previous studies have endeavored to decrease the correlation between received samples in each transducer array in order to enhance accuracy of sparsely approximated solutions to inverse problems. In this paper, our objective is to learn the transmission parameters within a parametric measurement matrix by employing an autoencoder, which encodes sparse spatial data with a parametric measurement matrix and subsequently decodes it using Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm (FISTA). Outcomes exhibit superior performance in comparison to both state-of-art random selection of the parameters and conventional plane wave imaging (PWI) scenarios in terms of reconstruction accuracy.



https://doi.org/10.1109/CAMSAP58249.2023.10403443
Flores, Philippe; Chege, Joseph K.; Usevich, Konstantin; Haardt, Martin; Yeredor, Arie; Brie, David
Probability mass function estimation approaches with application to flow cytometry data analysis. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 451-455

In this paper, we study three recently proposed probability mass function (PMF) estimation methods for flow cytometry data analysis. By modeling the PMFs as a mixture of simpler distributions, we can reformulate the PMF estimation problem as three different tensor-based approaches: a least squares coupled tensor factorization approach, a least squares partially coupled tensor factorization approach, and a Kullback-Leibler divergence (KLD)-based expectation-maximization (EM) approach. In the coupled methods, the full PMF is estimated from lower-order empirical marginal distributions, while the EM approach estimates the full PMF directly from the observed data. The three approaches are evaluated in the context of simulated and real data experiments.



https://doi.org/10.1109/CAMSAP58249.2023.10403522
Gherekhloo, Sepideh; Ardah, Khaled; Haardt, Martin
SALSA: a sequential alternating least squares approximation method for MIMO channel estimation. - In: IEEE transactions on vehicular technology, ISSN 1939-9359, Bd. 0 (2023), 0, S. 1-6

In this paper, we consider the channel estimation problem in sub-6 GHz uplink wideband multiple-input multiple-output (MIMO)-orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) communication systems, where a user equipment with a fully-digital beamforming structure is communicating with a base station having a hybrid analog-digital (HAD) beamforming structure. A novel channel estimation method called Sequential Alternating Least Squares Approximation (SALSA) is proposed by exploiting a hidden tensor structure in the uplink measurement matrix. Specifically, by showing that any MIMO channel matrix can be approximately decomposed into a summation of R factor matrices having a Kronecker structure, the uplink measurement matrix can be reshaped into a 3-way tensor admitting a Tucker decomposition. Exploiting the tensor structure, the MIMO channel matrix is estimated sequentially using an alternating least squares (ALS) method. Detailed simulation results are provided showing the effectiveness of the proposed SALSA method as compared to the classical least squares and linear minimum mean squared-error (LMMSE) methods.



https://doi.org/10.1109/TVT.2023.3347290
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
Jomiev, Firuz;
Untersuchung einer Endstufen-Lösung mit LDMOS Technologie für GSM-R unter Verwendung eines DC/DC Wandlers. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die dynamische Entwicklung neuer Technologien kann zur sukzessiven Ablösung bestehender Technologien und damit zu neuen Herausforderungen im Bereich der Zugkommunikation führen. Die im Zugfunkmodul von Funkwerk verwendete LDMOS-Technologie mit einer Drain-Source-Spannung von 12 V ist heute nicht mehr verfügbar, stattdessen haben sich neue LDMOS-Designs mit höheren Drain-Source -Spannungen durchgesetzt. Da das Funkmodul eine Betriebsspannung von 12 V hat, ist eine unmittelbare Implementierung neuer LDMOS-Verstärker nicht realisierbar. Daraus ergibt sich die Zielsetzung, alternative Lösungen zu finden. Eine mögliche Lösungsoption, die Forschungsgegenstand dieser Masterarbeit ist, besteht darin, die Drain-Source-Spannung des Verstärkers durch den Einsatz eines DC/DC-Wandlers zu erhöhen und im Funkmodul zu implementieren. Dies wurde unter Berücksichtigung der Anforderungen an ein GSM-R-Modul nach den Normen des European Telecommunications Standards Instituts (ETSI) untersucht und implementiert. Zur Umsetzung dieses Ansatzes wurden Auswahlkriterien basierend auf theoretischen Grundlagen definiert und der LDMOS-Verstärker BLP15M9S30 und der Aufwärtswandler LTC7804 als geeignet ausgewählt. Diese Bauteile wurden durch die konzipierten Messeinrichtungen zunächst einzeln und dann in der Zusammenschaltung näher analysiert und ausgewertet. Basierend auf diesen ermittelten Ergebnissen wurde daraufhin ein Versuchsmodul entwickelt. Zur Überprüfung der Konformität des entwickelten Versuchsmoduls mit den ETSI-Normen für ein Zugfunkmodul wurde eine Evaluierung des Versuchsmoduls hinsichtlich der HF-Parameter und der Störaussendung durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung haben die Erkenntnisse geliefert, dass durch die gezielten Implementierungsmaßnahmen im Zusammenhang mit einem DC/DC-Wandler-Konzept die Umsetzung dieses Vorhabens erfolgreich realisiert werden kann. Der Einsatz eines Aufwärtswandlers ermöglicht damit die Anwendung eines Verstärkers, basierend auf LDMOS-Technologie unabhängig von der Eingangsbetriebsspannung in Neu- und Weiterentwicklungen, insbesondere dann, wenn die bisher verwendeten Verstärker aus diversen Gründen nicht mehr verfügbar oder einsetzbar sind.



Hein, Matthias; Saccardi, Francesco
Automotive antenna measurements at VISTA. - In: Reviews of electromagnetics, ISSN 2709-4057, Bd. 2 (2023), S. 17-18
Enthalten in Roadmap paper: Antenna measurement challenges and opportunities, guest editors: Olav Breinbjerg and Manuel Sierra-Castañer

https://doi.org/10.53792/RoE/2023/23003
Stehr, Uwe; Hasnain, Syed N.; Bieske, Björn; Brachvogel, Marius; Meurer, Michael; Hein, Matthias A.
LO and calibration signal distribution in a multi-antenna satellite navigation receiver. - In: Engineering proceedings, ISSN 2673-4591, Bd. 54 (2023), 1, 23, S. 1-10

Due to the low signal power of global navigation satellite signals, the receivers are prone to radio frequency interference. Employing multi-antenna arrays is one method to mitigate such effects, by incorporating spatial processing techniques. The large size of the uniform rectangular arrays prevents their use in applications where installation space is limited. Therefore, we proposed a new approach, namely to split one full array into a number of smaller, spatially distributed, sub-arrays to reduce their size and exploit available installation spaces. This concept challenges the distribution of the local oscillator and calibration signals to the respective sub-arrays. This paper compares qualitatively different design concepts for a satellite navigation receiver with two two-element sub-arrays, installed multiple wavelengths apart from each other, in support of establishing an optimal choice for our intended applications in the automotive sector in terms of electrical performance and required hardware and software efforts. In general, weighing the pros and cons of the different concepts, as discussed in the paper, will assist in optimizing the system design approach for a specific application.



https://doi.org/10.3390/ENC2023-15447
Wang, Han; Pérez, Eduardo; Römer, Florian
Data-driven subsampling matrices design for phased array ultrasound nondestructive testing. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), insges. 4 S.

By subsampling optimally in the spatial and temporal domains, ultrasound imaging can achieve high performance, while also accelerating data acquisition and reducing storage requirements. We study the design of experiment problem that attempts to find an optimal choice of the subsampling patterns, leading to a non-convex combinatorial optimization problem. Recently, deep learning was shown to provide a feasible approach for solving such problems efficiently by virtue of the softmax function as a differentiable approximation of the one-hot encoded subsampling vectors. We incorporate softmax neural networks into information theory-based and task-based algorithms, respectively, to design optimal subsampling matrices in Full Matrix Capture (FMC) measurements predicated on compressed sensing theory.



https://doi.org/10.1109/IUS51837.2023.10308257
Münker, Jan Ulrich;
Modellierung von Josephson-Kontakten im Frequenzbereich für die Simulation quanteninformationsverarbeitender Schaltungen. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Für das Design von supraleitenden quanteninformationsverarbeitenden Schaltungen ist es notwendig, deren Verhalten im Frequenzbereich zu betrachten. Aus dazu recherchierten Methoden konnte ein Modell ausgewählt werden, mit dem das Verhalten von Josephson-Kontakten für verschiedene Parametrierungen untersucht wurde. Dieses Modell lieferte eine Impedanzbeschreibung des Josephson-Kontakts. Im Rahmen der Parameterbetrachtung ist eine Variation des Signalstroms und der Signalfrequenz über dem Speisestrom durchgeführt worden, wobei die Signalfrequenz beziehungsweise der Signalstrom konstant gehalten wurde. Es ist eine Frequenzbeschreibung synthetisiert worden, mit der es möglich war, die Signalfrequenz sowie die Reaktanz des Josephson-Kontaktes in Abhängigkeit von dessen Widerstand und dem entsprechenden Signalstrom für einen festen Speisestrom zu betrachten. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnten Rückschlüsse auf das Frequenzverhalten von Josephson-Kontakten für verschiedene Parametrisierungen gezogen werden. Somit war es möglich eine direkte Frequenzbetrachtung für den Josephson-Kontakt zu erreichen. Damit ist eine Alternative zur derzeitig verwendeten Kurzzeitfouriertransformation für die Frequenzbetrachtung von Josephson-Kontakten aufgezeigt worden, die das Potenzial hat diese zu verdrängen, da diese nicht signalverändernd ist. Mit dieser Arbeit war es weiterhin möglich, die Methodik der direkten Frequenzbetrachtung von Josephson-Kontakte aus dem Jahr 1980 in den aktuellen Forschungskontext zu setzen. Diese Arbeit lieferte eine Beschreibung zur Bestimmung einer verwendbaren Signalfrequenz in Abhängigkeit einer wählbaren Parametrisierung. Die Beschreibung kann als Designwerkzeug dienen und auf diese Weise den Schaltungsentwurf von quanteninformationsverarbeitenden Schaltungen nachhaltig verändern.



Wang, Han; Pérez, Eduardo; Römer, Florian
Deep learning-based optimal spatial subsampling in ultrasound nondestructive testing. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1863-1867

Traditional ultrasound synthetic aperture imaging relies on closely spaced measurement positions, where the pitch size is smaller than half the ultrasound wavelength. While this approach achieves high-quality images, it necessitates the storage of large data sets and an extended measurement time. To address these issues, there is a burgeoning interest in exploring effective subsampling techniques. Recently, Deep Probabilistic Subsampling (DPS) has emerged as a feasible approach for designing selection matrices for multi-channel systems. In this paper, we address spatial subsampling in single-channel ultrasound imaging for Nondestructive Testing (NDT) applications. To accomplish a model-based data-driven spatial subsampling approach within the DPS framework that allows for the optimal selection of sensing positions on a discretized grid, it is crucial to build an adequate signal model and design an adapted network architecture with a reasonable cost function. The reconstructed image quality is then evaluated through simulations, showing that the presented subsampling pattern approaches the performance of fully sampling and substantially outperforms uniformly spatial subsampling in terms of signal recovery quality.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10289868
Nwalozie, Gerald C.; Haardt, Martin
Leakage-based coordinated beamforming for reconfigurable intelligent surfaces-aided dynamic TDD systems. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1688-1692

The integration of dynamic time-division-duplexing (DTDD) and reconfigurable intelligent surfaces (RISs) has been proposed as a solution to meet the small cells traffic fluctuations and to tune the wireless propagation channels in real-time. The most critical problem of an RIS-aided DTDD system is cross-link interference. Therefore, in this paper we jointly optimize the base stations transmit precoders and the RIS reflection vector to maximize the sum signal-to leakage-plus-noise ratio (SLNR), with the objective of improving communication efficiency while reducing the impact of cross-link interference. Our numerical results demonstrate a significant performance improvement using the proposed method as compared to some baseline schemes.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10289836
Nwalozie, Gerald C.; Rakhimov, Damir; Haardt, Martin
Near-field beamforming for MU-MIMO millimeter wave communication system. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1683-1687

Employing a large number of antennas in conjunction with the exploitation of higher frequencies is a promising solution for improving the rate of future wireless systems. The use of large antenna arrays with high transmission frequencies results in the devices operating in the near-field region of the large-scale antenna arrays. This paper studies near-field beamforming for a multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) millimeter wave (mmWave) communication system. We exploit the distance discrimination potentials of the near-field beamforming to facilitate an efficient de-ployment of high-rate multi-user downlink MIMO mmWave systems. To this end, we study the performance of the near-field beamforming using several precoding schemes. Our numerical results demonstrate a significant performance improvement due to the capability of the near-field beamforming to support reliable communications even for devices that are located at the same angular direction which corresponds to the “worst case” situation.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10289803
Gherekhloo, Sepideh; Ardah, Khaled; Almeida, André L. F. de; Maleki, Marjan; Haardt, Martin
Nested PARAFAC tensor-based channel estimation method for double RIS-aided MIMO communication systems. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1674-1678

In this paper, we consider a double-RIS (D-RIS) aided MIMO system, where one RIS is deployed closer to the transmitter and another is placed closer to the receiver. We show that the received signals in flat-fading D-RIS aided MIMO systems can be represented as a 4-way tensor satisfying a nested PARAFAC decomposition model. Exploiting such a structure, a closed-form channel estimation method is proposed, where two out of three channels are estimated in parallel using the low-complexity Khatri-Rao factorization technique. Furthermore, we propose an alternating least squares (ALS)-based channel estimation method with an efficient initialization. The simulation results show that both proposed methods have a comparable performance as long as the identifiability conditions of the Khatri-Rao factorization are satisfied. The proposed ALS-based method can achieve a satisfactory performance with less training overhead. Moreover, the proposed ALS-based method performance can further be improved by using the Khatri-Rao factorization as an initialization.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10290107
Nwalozie, Gerald C.; Haardt, Martin
Robust beamforming for reconfigurable intelligent surfaces-aided dynamic TDD systems. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1624-1628

We propose a robust beamforming design for a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided dynamic time-division-duplexing system. The main focus is to design the optimal transmit beamforming vectors and the passive RIS reflection vector to minimize the total transmit power of the downlink cells in the presence of channel imperfections. We consider a conventional worst-case formulation that has deterministic upper bounds on the norms of the channel imperfection. We adopt a semidefinite relaxation (SDR) technique and an S-procedure to reformulate the problem into a semidefinite programming (SDP) form with linear matrix inequality (LMI) constraints. Then, we adopt the alternating optimization approach to update the active transmit beamforming vectors and the passive RIS reflection vector sequentially. Numerical results are presented showing the effectiveness of the proposed method as compared to the non-robust design.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10289990
Semper, Sebastian; Pérez, Eduardo; Landmann, Markus; Thomä, Reiner
Misspecification under the narrowband assumption: a Cramér-Rao bound perspective. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1524-1528

To efficiently extract estimates about the propagation behavior of electromagnetic waves in a radio environment it is common to invoke the narrowband-assumption. It essentially states that the relative bandwidth of the measurement system is so low that the frequency response of a single propagation path only depends on it Time-of-Flight and the response of the measurement device can be calibrated independently of the measured channel. Recent advances into higher relative bandwidths and antenna arrays with larger spatial aperture render this assumption less likely to be satisfied, which leads to a model mismatch during estimation. In this case estimates are inherently biased and have a special statistical behavior. This behavior can be captured by the so-called Misspecified Cramér-Rao Bound, which formulates a lower bound for the variance of estimates that are biased due to model mismatch. We analyze this bound in contrast to the traditional Cramér-Rao Bound and show the shortcomings in the setting of joint ToF-DoA estimation in the mmWave spectrum. The conducted numerical studies also show that planar array geometries inherently suffer from violation of the narrowband assumption irrespective of the individual elements' frequency response, whereas circular structures show it to a lesser degree.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10289949
Maleki, Marjan; Jin, Juening; Haardt, Martin
Low complexity PMI selection for BICM-MIMO rate maximization in 5G new radio systems. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1445-1449

This paper presents novel methods for selecting the best precoding matrix index (PMI) from the Type- I codebook adopted in 5G New Radio (5G NR (gNB) , in terms of the achievable rate for MIMO-BICM systems. To overcome the complexity of dealing with a multi-variable problem with discrete domains, we introduce heuristic algorithms that exploit the Kronecker and DFT structure of the codebook. Our proposed methods utilize a combination of direct estimation and a low-dimensional search to derive the optimal PMI indices, and the singular value (SV) pre-coder serves as an optimal reference. The approach significantly reduces the number of codebook precoder candidates, resulting in a much lower complexity compared to the exhaustive search methods. Simulation results demonstrate the effectiveness of our proposed algorithms in achieving a performance comparable to the performance obtained by an exhaustive search.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10290121
¸Cakiro&bovko;glu, Ozan; Pérez, Eduardo; Römer, Florian; Schiffner, Martin
Optimization of transmission parameters in fast pulse-echo ultrasound imaging using sparse recovery. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 441-445

In pulse-echo ultrasound imaging, the goal is to achieve a certain image quality while minimizing the duration of the signal acquisition. In the past, fast ultrasound imaging methods applying sparse signal recovery have been implemented by accepting a single pulse-echo measurement. However, they have experienced a certain amount of reconstruction error. In sparse signal recovery, reducing the correlation between the samples of the measurements observed by the different receivers is beneficial for lowering the reconstruction error. Exploiting the Born approximation and Green's function for the wave equation, the analytical inverse scattering problem can be defined in matrix-vector form. Adopting this setting, it has been suggested in the past to reduce the correlation between the samples of the measurement using Cylindrical Waves (CWs) with randomly selected delays and weights. In a similar setting, we created an optimization problem accepting transmission delays and weights as variables to minimize the correlation between the samples of the measurement in each receiver. We demonstrate via simulations that CWs employing the optimized transmission parameters outperformed the cases with Plane Wave Imaging (PWI) and CWs with random transmission parameters in terms of reconstruction accuracy.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO58844.2023.10290105
Boas, Brenda Vilas; Zirwas, Wolfgang; Haardt, Martin
Machine learning based channel prediction for NR type II CSI reporting. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 4967-4972

The application of artificial intelligence and machine learning (AI/ML) into the wireless physical layer is under discussion at 3GPP. Channel state information (CSI) prediction is among the sub use cases being studied. In this work, we propose an AI/ML CSI predictor that aims to compensate the scheduling delays at the base station. The AI/ML CSI predictor operates at the user equipment side and generates the channel reporting based on its prediction. Our AI/ML CSI predictor is designed for the intended prediction time, e.g., 5 ms, by collecting a few past measurements at the input. Our architecture is flexible regarding the number of physical resource blocks and can be used by all user equipments within the cell. Our results show that the proposed AI/ML CSI predictor has the 90 % normalized squared error performance around −13 dB and less than 1.4 % of the predicted eigenvectors have a squared generalized cosine similarity below 0.9, which is much better than zero order hold.



https://doi.org/10.1109/ICC45041.2023.10279531
Yu, Zhibin; Abdelkader, Ahmed; Wu, Xiaofeng; Haardt, Martin
Learning based compressive beam detection using real-valued beamspace covariance processing for mmWave communications. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 641-645

In this paper, we present a learning based beam detection scheme using compressive measurements in mmWave band communications. By considering that the measured beam-space covariance (BSC) is the compressive projection of the antenna-element-space covariance (AESC) of the spatial channel, while the latter is directly associated to the optimal communication beam, the upper triangular part of the BSC matrix is selected as the input feature of a feed-forward neural network (NN) which directly detects the best communication beam. We also show that, by designing the training beams with structured random phases to be conjugate symmetric, the real part of the BSC becomes the compressive projection of the forward-backward (FB) averaged version of the AESC. This property leads to a small real-valued NN with less nodes. Simulations show that the proposed scheme outperforms the traditional two-step approach, with only a few measurements.



https://doi.org/10.1109/SPAWC53906.2023.10304433
Tayyab, Umais; Kumar, Ashish; Petry, Hans-Peter; Robbani, Md. Golam; Wack, Thomas; Hein, Matthias
Circularly polarized patch antenna array for 5G automotive satellite communications. - In: 2023 53rd European Microwave Conference, (2023), S. 794-797

5G low-earth orbit (LEO) satellite communication plays a crucial role in enhancing the reliability and coverage of wireless connectivity for automated and connected driving. Compactness of user equipment antennas presents a key requirement for automotive mass-market applications offering non-terrestrial connectivity in addition to terrestrial mobile communications. Latest studies reveal the potential for moderate-gain antenna terminals for such applications. We present a circularly polarized 4 × 4 patch antenna array operating at a center frequency of 2S GHz in the 5G new-radio band n257 suitable for LEO satellite communications. The antenna is feasible for integration into the rear spoiler of a car, roof-top shark-fin antenna, or other plastic-covered antenna mounting locations. The embedded array offers 12 dBi measured realized gain and 4 GHz of -10 dB impedance bandwidth. It offers a 3-dB axial-ratio bandwidth of 900 MHz, demonstrating its circular polarization purity along the broadside direction. Realistic link budget calculations predict an uplink data rate of 6 Mbit/s, promising for various automotive mobility applications.



https://doi.org/10.23919/EuMC58039.2023.10290591
Foliadis, Anastasios; Garcia, Mario H. Castañeda; Stirling-Gallacher, Richard A.; Gong, Xitao; Thomä, Reiner
Deep learning based positioning with beamformed CSI fingerprints. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), insges. 6 S.

User positioning with deep learning (DL) models based on channel state information (CSI) fingerprints, e.g., obtained at a base station (BS), has emerged as a promising technology. Related prior works generally assume a CSI fingerprint with multiple spatial dimensions (i.e antennas or beams) at the BS but only a single spatial dimension at the user equipment (UE). However, a UE may be equipped with multiple antennas or may need to perform beamforming, e.g., to support transmissions at higher frequencies. In this work we consider user positioning with DL models based on uplink beamformed CSI fingerprints considering multiple spatial dimensions at both the BS and the UE. By considering a single or multiple beams at the BS and UE, the use of different CSI fingerprints is proposed. The positioning accuracy achieved with the different beamformed CSI fingerprints is evaluated and compared. The different orientation during training and UE deployment is also considered. In addition, we also consider the positioning of UEs with different spatial capabilities, i.e. with different number of beams. This work provides valuable insights into the design of wireless positioning with CSI fingerprints considering multiple spatial dimensions at both the BS and UE.



https://doi.org/10.1109/IPIN57070.2023.10332494
Vintimilla, Renato Zea; Lorenz, Mario; Muchhal, Nitin; Landmann, Markus; Del Galdo, Giovanni
Demonstration and validation of a 3D wave field synthesis setup for multiple GNSS satellite emulation via over-the-air testing. - In: AMTA 2023 proceedings, (2023), insges. 10 S.

Wireless devices supporting global navigation satellite systems (GNSS) services have become an essential tool in different areas of technology such as agriculture, construction, automotive, etc. Therefore the performance and reliability of such devices are important aspects that need to be addressed in the testing stage during the development of the units. The integration of the Over-the-Air (OTA) testing method with the 3D Wave Field Synthesis (3DWFS) technique offer not only the benefit of having tests under controllable and repeatable conditions but also the ability to recreate complex and realistic scenarios in a controlled environment with full polarimetric support for the testing of wireless devices. This contribution applies this technology to emulate a GNSS scenario within an anechoic chamber. For the results validation, a realistic GNSS outdoor scenario was recorded and compared with the emulated scenario where 3DWFS was applied for each individual satellite. This represents a significant step for the GNSS community and also for the future development and testing of wireless devices.



https://doi.org/10.23919/AMTA58553.2023.10293372
Thomä, Reiner; Dallmann, Thomas
Distributed ISAC systems - multisensor radio access and coordination. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 351-354

Integrated sensing and communication (ISAC) qualifies mobile radio systems for detecting and localizing of passive objects by means of radar sensing. Advanced ISAC networks rely on distributed infrastructure, multisensor uplink and downlink, or meshed sidelink access. In this way, ISAC develops into a MS-MIMO (multisensor multiple input multiple output) network which constitutes a distributed MIMO radar network. Multisensor link coordination and synchronization are becoming crucial. Many multisensor access and signaling techniques find their communication counterpart in multiuser MIMO and cooperative multilink communications (CoMP) and can be adopted from there.



https://doi.org/10.23919/EuRAD58043.2023.10289611
Aust, Philip; Hau, Florian; Dickmann, Jürgen; Hein, Matthias
Numerical synthesis of radar target detections based on measured reference data. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 26-29

Virtual validation methods strive to reduce the testing efforts of automated driving functions significantly. However, assuring the fidelity of deployed sensor models based on objective criteria remains an unsolved challenge, especially for radar target detection point clouds, since they are subject to major stochastic fluctuations.This work focuses on the scenario-based derivation of requirements for synthetic radar target detections, which are deduced from sensor data recorded in real-world test drives. Based on these reference data, deviations between the radar point clouds from different recordings are quantified using metrics for both point clouds from single measurement cycles and relative probability distributions for accumulated point clouds. Finally, the suitability of the calculated reference values as adequate metrics of deviations between recorded and simulated sensor data is evaluated.



https://doi.org/10.23919/EuRAD58043.2023.10289571
Dallmann, Thomas; Thomä, Reiner
Mutual over-the-air frequency synchronization of continuous wave signals. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 363-366

Future communication and radar sensing systems will require synchronization methods which are more versatile in terms of the systems involved in the synchronization process. We present an over-the-air frequency synchronization algorithm based on self-synchronization which uses continuous wave signals. In contrast to other approaches, all nodes of the network participate equally, and synchronization can even be achieved in presence of a non-cooperative node. These claims are supported by measurements conducted with continuous wave radars. It will be demonstrated that our algorithm enables synchronization accuracies down to 1.92 ppb and thus could provide sufficient accuracy for velocity measurements on pedestrians.



https://doi.org/10.23919/EuRAD58043.2023.10289292
Mančiâc, Žaklina; Cvetkoviâc, Zlata; Petkoviâc, Bojana; Simiâc, Nikola
Bi-isotropic prolate rotational ellipsoid in a homogeneous axial electric field. - In: 2023 58th International Scientific Conference on Information, Communication and Energy Systems and Technologies (ICEST), (2023), S. 261-264

A bi-isotropic prolate rotational ellipsoid in a homogeneous axial electric field is considered in this paper. By solving of Laplace's and Poisson's equation, the expressions for electric and magnetic scalar potential and electric and magnetic field, inside and outside of an ellipsoid, are completely determined. In the case of bi-isotropic parameter equal to zero, they reduce to known expressions of a pure dielectric ellipsoid. Polarization in the bi-isotropic ellipsoid is determined as well.



https://doi.org/10.1109/ICEST58410.2023.10187315
Rakhimov, Damir; Peng, Bile; Jorswieck, Eduard Axel; Haardt, Martin
Robust reflective beamforming for non-terrestrial networks under thermal deformations. - In: IEEE ICASSPW 2023 workshop proceedings, (2023), insges. 5 S.

In this paper, we present a beamforming method that is robust against thermal deformations for non-terrestrial reconfigurable intelligent surfaces (RIS). We analytically derive the expressions for the worst-case bound on perturbations of the covariance matrix and the corresponding steering vectors as functions of possible displacements of RIS elements. We apply these bounds during the optimization procedure to find the beamforming coefficients that are robust to thermal deformations. Moreover, we present a simple heuristic to obtain the constant modulus beamforming coefficients from the optimal beamforming via an array thinning operation. The simulation results confirm the robustness of the proposed solution against random but bounded perturbations caused by thermal deformations of the reflective surface.



https://doi.org/10.1109/ICASSPW59220.2023.10193299
Stanko, Daniel; Döbereiner, Michael; Sommerkorn, Gerd; Czaniera, Daniel; Andrich, Carsten; Schneider, Christian; Semper, Sebastian; Ihlow, Alexander; Landmann, Markus
Time variant directional multi-link channel sounding and estimation for V2X. - In: 2023 IEEE 97th Vehicular Technology Conference (VTC2023-Spring), (2023), insges. 5 S.

We present our new scalable multi-channel and multi-node sounder, the ILMSound G3 . It is configurable in terms of the number of switched Tx and parallel Rx nodes. The basic structures of the Tx and Rx nodes are given with consideration of the measurement system requirements.The ILMSound G3 is validated via a proof of concept measurement at 2.53 GHz in an urban environment. The system was configured as a sounder with two Tx nodes and one Rx node, which records two MIMO links simultaneously. Each node uses an antenna array. The transmitters were moved by cars whereas the receiver was elevated 20 m above the ground by a lifting platform acting as a base station. The used system configuration results in a snapshot rate of approx. 0.5 kHz, which covers the expected time variance of the chosen environment.The measurement results were analyzed using HRPE, providing a parametric description of the specular propagation paths of the radio channel per measurement link. Each estimated path is described by its directions of departure and arrival, delay, Doppler shift, and fully polarimetric complex path weights.



https://doi.org/10.1109/VTC2023-Spring57618.2023.10199213
Ravelo, Carlos; Martín-Sacristán, David; Shah, Syed Najaf Haider; Smeenk, Carsten; Del Galdo, Giovanni; Monserrat, Jose F.
Sensing resources reduction for vehicle detection with integrated sensing and communications. - In: 2023 IEEE 97th Vehicular Technology Conference (VTC2023-Spring), (2023), insges. 5 S.

Integrated Sensing and Communications (ISAC) aims at incorporating radar and communications functionalities into a single system, achieving higher spectral efficiency through their joint operation. This paper proposes a methodology for reducing resource elements and scanning beams used in the target detection stage of ISAC. Building upon the well-known symbol domain Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ISAC processing algorithm, its relevant characteristics and limits are considered to minimize the periodicity of sensing resource elements. Moreover, a methodology for finding the required beams to sense a scenario using the radar range equation in a link-budget analysis is proposed and later illustrated via simulations. The simulations show that it is possible to cover a road scenario using a limited number of beams and resource elements from a New Radio (NR) OFDM frame.



https://doi.org/10.1109/VTC2023-Spring57618.2023.10199358
Scialacqua, Lucia; Foged, Lars J.; Berlt, Philipp; Altinel, Berk; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias; Hoppe, Reiner; Hager, Thomas; Soler Castany, Jordi
Combination of measurement and simulation for fast virtual drive testing. - In: 2023 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (and USNC-URSI Radio Science Meeting), (2023), S. 25-26

Virtual Drive Test (VDT) is an area of great interest for both scientific research and industry. The objective of VDT is to emulate a real-world communication testing by approximation of defined conditions. VDT can be performed in measurement facilities with over-the-air approaches and channel emulation techniques [1] [2], by simulation-based software-in-the-loop tests [3] or by combining measurement and simulation [4]. For all possible solutions, the challenge of the scientific community is to look for an automated, controllable, repeatable, and reliable procedure, which can considerably reduce testing time and costs. In this paper we present a new VDT technique to evaluate the V2X communications performances based on the combination of measurement and simulation. In particular, the radiation performance of a DUT representing the antenna under test installed on a vehicle is tested in a measurement facility, the radiation pattern (vehicle equipped by the antenna) is integrated in a simulation of a realistic scenario to reproduce a real-world communication testing. The accuracy of the method is validated by comparison with results of measured data from Field Operational Test (FoT) of LTE links [5] [6].



https://doi.org/10.1109/USNC-URSI52151.2023.10237776
Gosain, Gunjan;
Traffic flow regulation using vehicular communication. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die hohe Zunahme des Verkehrsaufkommens aufgrund der gestiegenen Anzahl von Autos, Lastwagen, Bussen und anderen Fahrzeugen in den letzten Jahren hat Probleme wie Verkehrsüberlastung, erhöhte Unfallgefahr und die Möglichkeit von Unfällen bei widrigen Wetterbedingungen verschärft. Der dringende Bedarf an intelligenter Verkehrsflussoptimierung und an der Verbesserung der Verkehrssicherheit ist zu einem vorrangigen Anliegen geworden, das effektiv durch die Nutzung modernster Technologien wie Intelligent Transportation Systems (ITS) basierend auf Vehicle-to-Infrastructure (V2I)-Lösungen angegangen werden kann. Zur Verbesserung der Verkehrssicherheit ist es unerlässlich, Herausforderungen im Zusammenhang mit der Schätzung der Verkehrsdichte und der Regulierung der Verkehrsgeschwindigkeit anzugehen. Die Integration der V2I-basierten Kommunikation zwischen Infrastruktur-Road Side Units (RSUs) und den Fahrzeugen kann die Bedenken hinsichtlich der Verkehrsoptimierung effektiv durch die Verbreitung von empfohlenen Geschwindigkeitsbegrenzungen angehen. Diese Arbeit stellt einen neuartigen Ansatz zur Geschwindigkeitsbegrenzungsschätzung für jede Fahrspur auf einer mehrspurigen Autobahn vor. Dies wird durch die Implementierung eines Fahrspurerkennungsalgorithmus erreicht, der es den Fahrzeugen ermöglicht, kontinuierlich Echtzeitverkehrsdaten über die spezifische Fahrspur, auf der sie sich gerade befinden, mit den RSUs zu teilen. Die geteilten Daten werden dann von den RSUs verwendet, um die fahrspezifischen Verkehrsdichten zu berechnen. Anschließend bestimmt die RSU die Geschwindigkeitsbegrenzung der Fahrspuren und sendet die empfohlene Geschwindigkeitsbegrenzung je nach verschiedenen Szenarien an die Fahrzeuge. Die generierten Simulationsergebnisse zeigen das Potenzial der geschwindigkeitsbasierten Regelung in verschiedenen Szenarien auf. Durch Qualitätsanalysen ist ersichtlich, dass die Geschwindigkeitsregelung in einem mehrspurigen Szenario die Verkehrssicherheit unter besonderen Umständen verbessern kann. Dies führt wiederum zu einem verbesserten Verkehrsfluss. Zusammenfassend kann die Nutzung von ITS-basierten V2I-Lösungen zur Verkehrsoptimierung und Verbesserung der Verkehrssicherheit beitragen.



Neumann, Robert;
Erzeugung von Hochspannungspulsen für die Ansteuerung einer Pockels-Zelle. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Pockels-Zellen werden zur Modulation von Photonen verwendet und sind ein wesentlicher Bestandteil von Quantencomputern. Herkömmliche Pockels-Zellen-Treiber weisen jedoch bisher eine maximale Pulsrate von nur 100 kHz auf. In dieser Arbeit wurde daher eine Treiberschaltung mit einer höheren Pulsrate für Pockels-Zellen entworfen. Diese besteht aus zwei Teilschaltungen: Die erste erzeugt eine Hochspannung von mehr als 500 V auf der Basis einer Diodenmultiplizierer-topologie; die zweite stellt einen aus zwei zusammengeschalteten GaN-Transistoren aufgebauten Schalter dar, der aus der erzeugten Hochspannung Pulse bildet. Durch messtechnische Verifizierung wurde für die erste Teilschaltung der zum Schalten erforderliche Laststrom und für die zweite die Verlustleistung als begrenzender Parameter ermittelt. Die Arbeit liefert damit einen wichtigen Grundbaustein als Ausgangspunkt für die Entwicklung zukünftiger Pockels-Zellen mit höheren Pulsraten.



Teekha, Chiraphan;
Cluster analysis in measured wireless propagation channels. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Bekannte Kanalmodelle, wie 3GPP (TR36.873, 38.900), WINNER oder COST, berücksichtigen einen geometriebasierten stochastischen Kanalmodellierungs-ansatz. Ein grundlegendes Konzept zur Reduzierung der Komplexität solcher Modelle ist die Berücksichtigung von Clustern, die aus mehreren Mehrwegekomponenten (MPCs) bestehen. Die Ableitung zuverlässiger Cluster-Parameter und die Analyse ihrer Statistiken aus Funkkanalmessungen in realen Umgebungen erweist sich als anspruchsvolle Aufgabe, da der bestehende Clustering-Algorithmus in früheren Studien noch viele Einschränkungen aufweist. In dieser Arbeit wird ein gemeinsames Clustering- und Tracking-Konzept vorgeschlagen, das die zeitvariablen Eigenschaften der MPCs berücksichtigt. Hierzu werden zwei unterschiedliche Ansätze untersucht: 1) die Centroid-Tracking basierende, dieser Algorithmus wird der Kernel-Power-Density (KPD) Ansatz zur Identifizierung der Clusterzentren mit einem Kalman-Filter zur Verfolgung und Vorhersage der Centroid-Positionen verwendet. 2) die trajektorienbasierte Clusterung, dieser Algorithmus wird ein neuartiger Ansatz vorgeschlagen, dort wird ein globales Abstandsmaß verwendet. Das Abstandsmaß basiert auf der Bestimmung des Abstands von MPC-Trajektorien. Dieser Ansatz wird mit KPD und Improved Subtractive (IS) umgesetzt, einem Initialisierungsalgorithmus für den K-PowerMeans (KPM)-Algorithmus. Die Erweiterung des 3GPP Funkkanalmodells zur Simulation von dynamischen und consistenten Kanalveränderung wird verwendet, um die Clusterverfahren basierend auf den verschiedenen Tracking-Ansätzen zu evaluieren. Das Ergebnis zeigt für beiden Methoden eine solide und sich verbessernde Leistung für die Clusterung von MPCs. Im finalen Schritt werden die vorgeschlagenen Lösungen anhand von Funkkanalmessdaten aus innerstädischen Gebieten getestet. Dabei konnte festgestellt werden, dass durch die Anwendung des globalen Abstandsmaßes ein Cluster-Ergebnis erzielt werden konnte, welches mit der zeitlichen Entwicklung der MPCs gut übereinstimmt. Insbesondere beim Ansatz mit dem KPD ist eine Verringerung in der Identifizierung von unbedeutenden Clustern zu beobachten, die durch den sparsamen Charakter des Ausbreitungskanals verursacht wird. Darüber hinaus zeigt die Lösung mit der direkten Clusterung von Trajektorien, dass die Leistung der Clusterung durch den Tracking-Ansatz erheblich beeinflusst wird.



Gannot, Sharon; Tan, Zheng-Hua; Haardt, Martin; Chen, Nancy F.; Wai, Hoi-To; Tashev, Ivan; Kellermann, Walter; Dauwels, Justin
Data science education: the signal processing perspective [SP Education]. - In: IEEE signal processing magazine, ISSN 1558-0792, Bd. 40 (2023), 7, S. 89-93

In the last decade, the signal processing (SP) community has witnessed a paradigm shift from model-based to data-driven methods. Machine learning (ML) - more specifically, deep learning - methodologies are nowadays widely used in all SP fields, e.g., audio, speech, image, video, multimedia, and multimodal/multisensor processing, to name a few. Many data-driven methods also incorporate domain knowledge to improve problem modeling, especially when computational burden, training data scarceness, and memory size are important constraints.



https://doi.org/10.1109/MSP.2023.3294709
Varga, Isabella;
Mehrdimensionale Bildgebung mittels monostatischer Radarsensorik. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die monostatische Radarsensorik für die Umwelterfassung wird kontinuierlich weiterentwickelt, wobei der Schwerpunkt auf dem Auflösungsvermögen in den vier Dimensionen Azimut, Elevation, Entfernung und Geschwindigkeit liegt. Fortschritte in der Bildgebungsmethodik ermöglichen ein hohes Auflösungsvermögen, beispielsweise durch den Einsatz des inversen synthetischen Apertur Radars. Hierbei wird die (Eigen-)Bewegung von Zielobjekten genutzt, um eine höhere Winkelauflösung zu erreichen. In dieser Arbeit wurden Reflektivitätsmessungen mit zwei Radaransätzen durchgeführt und verglichen. Dazu wurde zunächst ein analytisches Modell entwickelt, mit dem die Trennbarkeit von Punktstreuern untersucht und die Messparameter für die anschließenden Reflektivitätsmessungen abgeleitet wurden. Für die Reflektivitätsmessungen wurde zum einen der Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) eingesetzt, mit dem eine zweidimensionale Aufsicht der Messobjekte dargestellt werden kann. Zum anderen wurde ein Radarsystem der Firma Rohde & Schwarz eingesetzt, mit dem Signale mit einer dreidimensionalen räumlichen Auflösung gemessen werden können. Durch den Vergleich der Streuung an metallischen Kugeln unterschiedlicher Größe konnte das Auflösungsvermögen beider Systeme verglichen werden, wobei sich eine höhere Sensitivität der Messung mit dem VNA zeigte. Bei der anschließenden Untersuchung von komplexen Testobjekten, wie einem Fußgänger- und Fahrradfahrermodell, wurde deutlich, dass die Messung mit dem Radarsystem von Rohde & Schwarz hervorragende Bilder in der Vorderansicht liefert. Damit konnte die genaue Ausdehnung der Objekte wahrgenommen werden, für die Darstellung der Aufsicht ist das System jedoch nicht ausreichend. Die Messung der komplexen Testobjekte mit dem VNA lieferte vorteilhafte Ergebnisse in der Aufsicht, mit der die Ausdehnung der Objekte im Bereich von wenigen Zentimetern gemessen werden konnte. Die Ergebnisse zeigen das Potenzial bildgebender Radarverfahren für das automatisierte Fahren, um eine hohe Auflösung in Azimut, Elevation und Entfernung zu erreichen.



Gedschold, Jonas; Semper, Sebastian; Thomä, Reiner; Döbereiner, Michael; Del Galdo, Giovanni
Dynamic delay-dispersive UWB-radar targets: modeling and estimation. - In: IEEE transactions on antennas and propagation, ISSN 1558-2221, Bd. 71 (2023), 8, S. 6814-6829

This publication proposes a parametric data model and a gradient-based maximum likelihood estimator suitable for the description of delay-dispersive responses of multiple dynamic ultrawideband (UWB)-radar targets. The target responses are estimated jointly with the global target parameters range and velocity. The large relative bandwidth of UWB has consequences for model-based parameter estimation. On the one hand, the Doppler effect leads to a dispersive response in the Doppler spectrum and to a coupling of the target parameters that both need to be considered during modeling and estimation. On the other hand, the shape of an extended target results in a dispersive response in range, which can be resolved by the radar resolution. We consider this extended response as a parameter of interest, e.g., for the purpose of target recognition. Hence, we propose an efficient description and estimation of it by a finite impulse response (FIR) structure only imposing a restriction on the target’s dispersiveness in range. We evaluate the approach on simulations, compare it to state-of-the-art solutions, and provide a validation of the FIR model on measurements of a static scenario.



https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3287672
Semper, Sebastian; Döbereiner, Michael; Steinmetz, Christian; Landmann, Markus; Thomä, Reiner
High-resolution parameter estimation for wideband radio channel sounding. - In: IEEE transactions on antennas and propagation, ISSN 1558-2221, Bd. 71 (2023), 8, S. 6728-6743

Multidimensional channel sounding measures the geometrical structure of mobile radio propagation. The parameters of a multipath data model in terms of directions, time-of-flight, and Doppler shift are estimated from observations in frequency, time, and space. A maximum likelihood estimation framework allows joint high resolution in all dimensions. The prerequisite for this is an appropriate parametric data model that represents the multipath propagation correctly. At the same time, a device data model is necessary that typically results from calibration measurements. The used model should be as simple as possible, since its structure has a considerable effect on the estimation effort. For instance, the inherent effort in parameter search is reduced if the influence of the parameters is kept independent. Therefore, the data model is characterized by several approximations. The most important is the “narrowband assumption,” which assumes a low relative bandwidth and also avoids considering any frequency response in magnitude and phase. We extend the well-known multidimensional Richter maximization approach (RIMAX) parameter estimation framework by including proper frequency responses. The advantage reveals itself with high bandwidth in the mmWave and sub-THz range. It allows for a more realistic modeling of antenna arrays, and it breaks with the usual narrowband model and allows a better modeling of mutual coupling and time delay effects. If the interacting object extends over several delay bins (hence, an extended target in radar terminology), we propose a model that assigns a short delay spread and a frequency response to the propagation path that associates it with the respective object. We verify the validity of the device model by numerical experiments on simulated and measured antenna data and compare it with RIMAX. In addition, we use synthetic data based on ray-tracing results and measurements both ranging from 27.0 to 33 GHz with known ground-truth information and show that the proposed estimator delivers better performance for higher relative bandwidths than the conventional RIMAX implementation.



https://doi.org/10.1109/TAP.2023.3286024
Haude, Vincent Marius;
Entwicklung und Charakterisierung einer Schaltungstopologie zur Erzeugung kurzer LED-Lichtpulse. - Ilmenau. - 135 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

Das „Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH“ (IMMS gGmbH) möchte im Rahmen der Leitanwendung „Sensorsysteme für die In-Vitro-Diagnostik“ die Technologie der zeitaufgelösten Fluoreszenz weiterentwickeln und in verschiedene Applikationen überführen. Bei diesem Verfahren werden für eine hohe Messdynamik der Emission der Fluorophore Pulslichtquellen mit steilen optischen Flanken und hoher optischer Intensitätsdynamik benötigt. Daher empfehlen sich insbesondere Laser als Pulslichtquellen, die für die Anregungsspektren von einigen Fluorophoren jedoch entweder nicht erhältlich oder aber sehr kostenintensiv sind. Aufgrund dessen werden auch Pulslichtquellen mit LEDs zur Anregung der Fluorophore eingesetzt. Da LEDs ein nicht optimales optisches Abklingverhalten aufweisen, müssen optische Filter genutzt werden, um das Anregungslicht der LEDs von dem Emissionslicht der Fluorophore zu trennen. Auch diese Filter sind vergleichsweise kostenintensiv und vergrößern den Aufbau erheblich. Daher soll im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Pulslichtquelle mit LEDs entworfen, aufgebaut und charakterisiert werden, welche eine hohe optische Dynamik vorweist. Mithilfe dieser Pulslichtquelle könnten kostengünstige Standard-LEDs verwendet und auf optische Filter verzichtet werden. Zur Erreichung dieses Ziels wurde eingehend detailliert zu den physikalischen Grundlagen von LEDs recherchiert und relevante Einflussparameter auf das dynamische Schaltverhalten von LEDs herausgearbeitet. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden einige Standard-LEDs ausgewählt. Zusätzlich wurden LED-Pulstreiberschaltungen und Pulsgeneratorschaltungen recherchiert. Anschließend wurden ausgewählte Schaltungen simuliert und mithilfe eines Hochfrequenz-optimierten Layouts auf Leiterplatten aufgebaut. Abschließend wurden sowohl die zuvor ausgewählten LEDs, als auch die aufgebauten Schaltungen sowohl elektrisch, als auch optisch vermessen. Aus den Messungen gingen einige Erkenntnisse hervor, welche am IMMS als Grundlage für einen weiteren Einsatz der zeitaufgelösten Fluoreszenzmessung dienen werden. Das entstandene System ist dabei sehr kompakt und lässt sich in bereits bestehende Aufbauten problemlos integrieren. Das Fazit der Messungen war eine deutliche Verbesserung der optischen Dynamik und der optischen Schaltzeiten der LEDs.



Vishnu, Anil;
Intra-day financial time-series prediction using recurrent neural networks. - Ilmenau. - 99 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Finanzmärkte sind ein Bereich, der schon immer komplizierte Muster und Nuancen aufwies. Sie stellen den Einsatz fortschrittlicher Modelle für maschinelles Lernen vor große Herausforderungen. In dieser Forschung versuchen wir, diese Komplexitäten und das Zusammenspiel zwischen rekurrenten neuronalen Netzen (RNNs) und Netzwerken mit langem Kurzzeitgedächtnis (LSTM) zu erforschen, mit dem Ziel, finanzielle Zeitreihennuancen zu erraten, die in 15-Minuten-Chartintervallen von 2020 bis 2023 verwurzelt sind. Unsere grundlegende Arbeit basiert auf einer Reihe von Funktionen und umfasst nicht nur die Standardmetriken wie „Eröffnung“, „Hoch“, „Tief“, „Schluss“ und „Volumen“, sondern befasst sich auch mit differenzierteren technischen Indikatoren wie „ RSI‘, ‚ADX‘, einige Indizes wie Fear-Greed-Indizes und auch einige Sentiment-Analyse-Scores basierend auf Google-Trends. Der Schwerpunkt unserer Studie beschränkt sich auf Klassifizierungsherausforderungen. Unser Ziel ist es, die bevorstehenden Trends bei den Schlusskursen vorherzusagen – egal, ob sie steigen oder fallen. In dieser Suche untersuchen wir zwei Hauptmodelle neuronaler Netzwerke: RNNs, die für ihre Fähigkeit zur Verarbeitung von Sequenzen bekannt sind, und LSTMs, die speziell dafür entwickelt wurden, sich Muster über längere Zeiträume zu merken. Bevor wir unsere neuronalen Netze trainierten, bereiteten wir zunächst unsere Daten vor. Dabei ging es darum, die Daten zu vereinfachen und auf die wichtigsten Aspekte zu konzentrieren. Wir haben mehrere Techniken getestet, darunter Mean Decrease Impurity (MDI), Mean Decrease Accuracy (MDA), Single Feature Importance (SFI), PCA (Hauptkomponentenanalyse) und Korrelationsanalyse. Da sich jedoch keine zwei Feature-Auswahltechniken auf die gleichen Ergebnisse einigten, basierten wir bei der Konstruktion unserer Feature-Sets auf den MDI-Ergebnissen. Wir haben Finanzzeitreihendaten verwendet, um unsere Modelle zu trainieren und zu testen. Zur Auswertung haben wir eine Sliding-Window-Methode angewendet, die mithilfe eines Lookback-Windows verschiedene Teile vergangener Daten für Vorhersagen berücksichtigt. Dieses Fenster hilft bei der Bestimmung, welche vergangenen Momente für kommende Prognosen wesentlich sind. Um die chronologische Reihenfolge der Daten beizubehalten und zuverlässige Vorhersagen zu gewährleisten, verwendeten wir außerdem eine „Walk-Forward“-Kreuzvalidierungstechnik. Dieser schrittweise Ansatz stellte sicher, dass wir zukünftige Daten vorhersagen können, ohne versehentlich einen Blick nach vorne zu werfen. Frühe Durchgänge in den Bereich der Ergebnisse verdeutlichen die differenzierten Fähigkeiten des LSTM, insbesondere, wenn sich der Beobachtungshorizont erweitert. Die Rolle der Vorverarbeitung, insbesondere bei Techniken wie MDI und Korrelation, stellt einen Eckpfeiler dar, der die Rohdaten in verfeinerte Erkenntnisse umwandelt. Zusammenfassend begibt sich diese Arbeit auf eine mutige Reise und befasst sich eingehend damit, wie RNN- und LSTM-Netzwerke Finanztrends vorhersagen können. Ziel ist es, den Weg für zukünftige Studien zu ebnen, die Finanzwesen und fortgeschrittenes maschinelles Lernen miteinander verbinden.



Tayyab, Umais; Kumar, Ashish; Petry, Hans-Peter; Asghar, Muhammad Ehtisham; Hein, Matthias
Dual-band nested circularly polarized antenna array for 5G automotive satellite communications. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 13 (2023), 21, 11915, S. 1-15

Currently, 5G low-earth orbit satellite communications offer enhanced wireless coverage beyond the reach of 5G terrestrial networks, with important implications, particularly for automated and connected vehicles. Such wireless automotive mass-market applications demand well-designed compact user equipment antenna terminals offering non-terrestrial jointly with terrestrial communications. The antenna should be low-profile, conformal, and meet specific parameter values for gain and operational frequency bandwidth, tailored to the intended applications, in line with the aesthetic design requirements of passenger cars. This work presents an original concept for a dual-band nested circularly polarized automotive user terminal that operates at the S-band frequencies around 3.5 GHz and Ka-band frequencies around 28 GHz, namely within the 5G new-radio bands n78 and n257, respectively. The proposed terminal is designed to be integrated into the plastic components of a passenger vehicle. The arrays consist of 2 × 2 aperture-coupled corner-truncated microstrip slot patch antenna elements for the n78 band and of 4 × 4 single-layer edge-truncated microstrip circular slot patch antenna elements for the n257 band. The embedded arrays offer, across the two bands, respectively, 9.9 and 13.7 dBi measured realized gain and 3-dB axial ratio bandwidths of 100 and 1500 MHz for the n78 and n257 bands along the broadside direction. Detailed link budget calculations anticipate uplink data rates of 21 and 6 Mbit/s, respectively, deeming it suitable for various automotive mobility and Internet-of-Things applications.



https://doi.org/10.3390/app132111915
Chhibber, Shubham;
Defining methods of caching optimization based on the heuristics of real user traffic for adaptive streaming delivery. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Mit dem rasanten Wachstum des Video-Streaming-Verkehrs in den letzten Jahren ist die Optimierung der Bereitstellung von Inhalten für die Anbieter von Streaming-Diensten von entscheidender Bedeutung geworden. Die Entlastung der sogenannten Content Delivery Networks (CDN) ist ein zentrales Anliegen und daher ist eine effiziente Cache-Verwaltung von zentraler Bedeutung. Gleichzeitig ist es wichtig, eine hohe Qualität bei optimaler Nutzung der Ressourcen aufrechtzuerhalten. Um dieses Hindernis zu beseitigen, wird in dieser Arbeit ein Cachemodell vorgeschlagen, das eine Mischung aus einer Technik zur Verwaltung des Netzwerkverkehrs namens HeavyKeeper und einer hochmodernen Cache-Räumungspolitik namens TinyLFU einsetzt. TinyLFU nutzt die Bloom-Filter-Theorie, um ein Element als Gewinner oder Verlierer zu deklarieren und es dementsprechend im Cache zu belassen oder es daraus zu entfernen. Der HeavyKeeper, der Teil des Verbunds ist, identifiziert außerdem, ob es sich bei dem Cache-Gewinner oder -Verlierer um einen sogenannten "Heavy Hitter" handelt. Der Identifizierungsprozess erfolgt über ein gewichtsbasiertes System, das die Komponenten Häufigkeit, Aktualität und Datenvolumen des Datensatzes gewichtet. Auf der Grundlage dieses doppelten Filterungsprozesses werden die am meisten benötigten Elemente im Cache gespeichert. Wenn ein Medienmanifest angefordert wird, wird zunächst überprüft, ob es sich im Cache befindet. Wenn das Element nicht im Cache vorhanden ist, wird es an das CDN weitergeleitet. Um das vorgeschlagene Cachemodell zu bewerten, wurde ein Simulations-Setup mit fünf anderen Cache-Richtlinien installiert. Die Simulation wird in drei verschiedenen Szenarien durchgeführt. Bei der Bewertung mit einer erhöhten Anzahl von Benutzeranfragen schneidet das vorgeschlagene Cachemodell besser als die anderen bestehenden und traditionellen Cache-Räumungsstrategien ab. Simulationen mit den beiden anderen Szenarien lassen auf Verbesserungsmöglichkeiten schließen, doch die aufgezeichneten Cache-Trefferquoten bewegen sich mit dem neuartigen Cachemodell in Richtung einer überdurchschnittlichen bis mittelmäßigen Leistung. Mit entsprechenden Anpassungen bei der Gewichtung und der Anzahl der Heavy Hitter könnte die Cache-Performance des vorgeschlagenen Cache-Modells ausgereift werden und die anderen Cache-Räumungsstrategien übertreffen. Darüber hinaus leistet die Arbeit auch einen Beitrag zur Zeitreihenvorhersage und -analyse, die für das Verständnis des Streaming-Verkehrsverhaltens von Bedeutung ist. Die Verkehrsanalyse ermöglicht die Zwischenspeicherung geeigneter Medieninhalte zu geeigneten Zeitpunkten, wodurch die Betriebskosten und der Bandbreitenverbrauch gesenkt werden können. Das vorgeschlagene Cachemodell erweist sich als effektiver Kandidat für eine Cache-Räumungspolitik und mit der entsprechenden Verfeinerung kann es als Basis für kommende Herausforderungen und Innovationen im Videostreaming dienen.



Heubach, Michael; Seitz, Jochen; Rink, Wolfram
17. Ilmenauer TK-Manager Workshop : Technische Universität Ilmenau, 29. September 2023 : Tagungsband. - Ilmenau : ilmedia, 2023. - 1 Online-Ressource (17 Seiten)
https://doi.org/10.22032/dbt.57781
Francis, Roslin; Butt, Safwat Irteza; Singh, Jasmeet; Guelzow, Peter; Eimertenbrink, Ralf; Hein, Matthias
Suitability of dual-band, dual-polarized patch antennas with a superstrate for the miniaturization of Ku-band antenna arrays for automotive applications. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 13 (2023), 19, 10867, S. 1-13

The extension of low-earth orbit (LEO) services to non-terrestrial mobile communications has huge potential for eliminating network white spots and providing high-speed, low-latency links with worldwide geographic coverage. State-of-the-art user terminals for mobile platforms are too large for integration into a passenger vehicle. Antenna elements loaded with a dielectric superstrate could potentially lead to a considerable miniaturization of the user terminal. As per link budget calculations, an array with a gain of 27 dBi is necessary to ensure a throughput of 25 Mbps in the downlink at the Ku-band. A conventional array with a gain of 6 dBi per element, assuming a 12 × 12 arrangement with half-wavelength spacing, would require a footprint of 36 λ2 at 10 GHz to achieve this target and appears unsuitable for automotive integration. This paper proposes a low-profile, dual-band, dual-polarized, vertically stacked patch antenna with superstrate loading and shows that the inclusion of the superstrate improves the antenna’s gain by at least 3 dB. Therefore, compared to a conventional array, a superstrate-loaded array would need only half of the number of elements to meet the target gain, thus occupying only half of the surface area, and offers better integration for automotive applications. Requiring half of the number of elements also implies considerably reduced design complexity and cost.



https://doi.org/10.3390/app131910867
Wegner, Tim Erich; Gebhardt, Stefan; Del Galdo, Giovanni
Fill level measurement of low-permittivity material using an M-sequence UWB radar. - In: International journal of microwave and wireless technologies, ISSN 1759-0795, (2023), S. 1-9

Due to increasingly complex and automated manufacturing processes, the demands on the control parameters of these processes are also increasing. One parameter is the fill quantity of, e.g., liquids in production plants, whose precise determination is of ever-growing importance. Up to now, the exact level of determination under difficult conditions, such as high ambient temperatures, has been a particular challenge. This paper demonstrates a novel method by which an M-sequence UWB radar can determine levels of low-permittivity materials in small metal containers. For this purpose, hot melt is used as an example. Thus, the influence of large temperature differences on the long-term stability of level measurement can also be investigated. The measurements show that the level of hot melt can be measured to be long-term stable with an accuracy of better than 3 mm. Furthermore, the precise determination of the empty state is highly important for many applications. For this reason, this paper shows a method for determining the empty state without complex calibration procedures. For the empty level indication, an accuracy of up to 0.5 mm could be achieved for molten hot glue and 3% of the tank volume, independent of the shape or aggregate state of the medium.



https://doi.org/10.1017/S1759078723000739
Wosnitza, Mailin;
5G-Campusnetze : Evaluation und Einsatzgebiete. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

In dieser Arbeit wird anhand von Recherchen ein Leitfaden zum Aufbau eines 5G-Campusnetzes erstellt. In der heutigen Zeit wird die mediale Kommunikation zwischen Menschen, Mensch-Maschine sowie Maschine zu Maschine immer relevanter. Da die Anzahl von vernetzten Geräten in bestimmten Bereichen stark zunimmt, ist die Weiterentwicklung des Mobilfunks unerlässlich. Mit der fünften Generation des Mobilfunks (5G) gibt es nun auch die Möglichkeit eines Campusnetzes. Dabei handelt es sich um ein räumlich begrenztes Netz. Die Gestaltung eines solchen 5G-Campusnetzes kann in vielen Varianten umgesetzt werden. Beispielsweise kann es in einem völlig abgekapselten Netz mit eigener Konfiguration und Verwaltung realisiert werden. Auch ist es möglich, einen abgetrennten Bereich innerhalb eines bestehenden Mobilfunknetzes zu nutzen. In diesem Fall ist der Anbieter des Mobilfunknetzes der Verwalter des 5G-Campusnetzes. Weiterhin werden der Ablauf der Beantragung sowie die gesetzlichen und technischen Rahmenbedingungen betrachtet.



Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
PCIMS: plenary centralized intersection management scheme for heterogeneous connected vehicles. - In: 2023 IEEE International Conference on Omni-Layer Intelligent Systems (COINS), (2023), insges. 6 S.

This paper proposes a novel plenary centralized intersection management scheme (PCIMS) for a non-signalized intersection. Our contributions are fourfold. First, we take into account vehicle heterogeneity by integrating various vehicle classes in the system. Second, we consider some key elements in the scheduling mechanism such as vehicle types, intersection rules and road priorities. Third, we discuss the significant role of different road conditions, specific vehicles behavior and safety parameters in the traffic safety. Forth, in addition to the traffic safety assurance, we demonstrate the superiority of the system performance over conventional traffic lights (TLs) in several scenarios with congested and sparse traffic in terms of average travel time (ATT), packet loss rate (PLR), channel busy rate (CBR), intersection busy time (IBT), and throughput.



https://doi.org/10.1109/COINS57856.2023.10189259
Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Plenary autonomous intersection management protocol for heterogeneous connected vehicles. - In: ICUFN 2023, (2023), S. 334-336

This paper proposes a centralized autonomous intersection management scheme for heterogeneous connected vehicles (HCVs). Contributions of this work are as follows. First, we sustainably classify heterogeneous vehicles with their distinctive safety-related characteristics. Second, we conduct a safe and efficient coordination algorithm with respect to some criteria such as vehicle types, road priorities and right of way rules. Third, we consider the impact of different road conditions, vehicle characteristics, load, and braking technology on the system performance. Forth, we demonstrate the efficiency of the system under various traffic densities with symmetric and asymmetric vehicle distribution. Besides, system performance is to be compared with traffic lights (TLs) scenarios in terms of throughput, average travel time (ATT), intersection busy time (IBT), channel busy rate (CBR), and packet loss rate (PLR) in various road conditions.



https://doi.org/10.1109/ICUFN57995.2023.10200347
Sayeed, Akbar; Guven, Damla; Döbereiner, Michael; Semper, Sebastian; Gentile, Camillo; Bodi, Anuraag; Cheng, Zihang
A framework for developing and evaluating algorithms for estimating multipath propagation parameters from channel sounder measurements. - In: IEEE transactions on wireless communications, Bd. 0 (2023), 0, S. 1-16

A framework is proposed for developing and evaluating algorithms for extracting multipath propagation components (MPCs) from measurements collected by channel sounders at millimeter-wave frequencies. Sounders equipped with an omni-directional transmitter and a receiver with a uniform planar array (UPA) are considered. An accurate mathematical model is developed for the spatial frequency response of the sounder that incorporates the non-ideal cross-polar beampatterns for the UPA elements. Due to the limited Field-of-View (FoV) of each element, the model is extended to accommodate multi-FoV measurements in distinct azimuth directions. A beamspace representation of the spatial frequency response is leveraged to develop three progressively complex algorithms aimed at solving the single-snapshot maximum likelihood estimation problem: greedy matching pursuit (CLEAN), space-alternative generalized expectation-maximization (SAGE), and RiMAX. The first two are based on purely specular MPCs whereas RiMAX also accommodates diffuse MPCs. Two approaches for performance evaluation are proposed, one with knowledge of ground truth parameters, and one based on reconstruction mean-squared error. The three algorithms are compared through a demanding channel model with hundreds of MPCs and through real measurements. The results demonstrate that CLEAN gives quite reasonable estimates which are improved by SAGE and RiMAX. Lessons learned and directions for future research are discussed.



https://doi.org/10.1109/TWC.2023.3318532
Aust, Philip; Hau, Florian; Dickmann, Jürgen; Hein, Matthias
Fingerprints of the automotive radar scattering of passenger cars and vans. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 13 (2023), 18, 10290, S. 1-12

The radar scattering characteristics of extended objects are an important parameter for perception and tracking algorithms in automated driving tasks. Therefore, high-fidelity sensor models are required to simulate and evaluate typical driving scenarios in virtual testing applications. While the general analysis of typical scattering centers of passenger cars is well studied, there are only a few publicly available reports that analyze specific features of the scattering characteristics of different vehicle types. Hence, this work presents detection distributions derived from systematic measurements for six different vehicle types, conducted with a commercial automotive radar on a proving ground. In particular, the contribution of underbody reflections to the respective radar signatures is analyzed, which are caused by multipath propagation via the road surface. The measurements reveal distinctive differences between the scattering characteristics of different vehicles, which are attributed to the respective underbody geometry.



https://doi.org/10.3390/app131810290
Dickmann, Nico;
Vergleich audiovisueller Datenübertragungen in vermaschten 802.11s und Bluetooth Netzwerken. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Durch die fortschreitende Technologie nimmt das in bildgebenden Anwendungen er- zeugte Datenvolumen stetig zu. Dies ist besonders bei drahtlosen Sensoren im Rahmen des Internet of Things bemerkbar. Das zugrunde liegende Netzwerk dieser Geräte muss entsprechend im Stande sein, solche Datenmengen durch Mobilkommunikation anwendungsgerecht zu übertragen. Besonders für die Vernetzung größerer Areale bieten etablierte Standards, wie Wi-Fi und Bluetooth, mittlerweile eine Vermaschung ihrer Netzwerke an, bei der sich alle Geräte untereinander verbinden. Inwiefern sich daher nun diese beiden Standards für vermaschte Netzwerke eignen, um anspruchsvolle Daten, wie audiovisuelle Echtzeit-Datenströme, zu übertragen, war die zu beantwortende Kernfrage dieser Arbeit. Dafür wurden die Standards neben einem theoretischen Vergleich auch praktisch in verschiedenen Szenarien auf ihre Eignung untersucht. In den Szenarien wurden dabei mit zunehmender Gerätezahl nach Möglichkeit die für audiovisuelle Da- tenübertragungen besonders ausschlaggebenden Kennzahlen Latenz, Jitter, Durchsatz und Paketverlustrate gemessen. Die Ergebnisse wurden anschließend verglichen, be- wertet und in bisherige relevante Veröffentlichungen eingeordnet. Es resultierte, dass der zu Wi-Fi zugehörige Standard IEEE 802.11s durchaus geeignet ist, um audiovisu- elle Echtzeit-Datenströme zu übertragen. In allen Szenarien konnten die festgelegten Grenzwerte der Kennzahlen eingehalten werden. Der zu Bluetooth zugehörige Stan- dard Bluetooth Mesh hingegen eignet sich nach aktuellem Stand noch nicht für solche Übertragungen. Lediglich eine Übertragung von Echtzeit-Audiodaten könnte unter den richtigen Bedingungen möglich sein. Da Bluetooth Mesh jedoch noch relativ jung ist, ist eine zukünftige Eignung für audiovisuelle Echtzeit-Datenströme nicht auszuschließen.



Li, Zhenqian;
Traffic-based validation of virtualized communication networks. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Heutzutage werden Virtualisierungstechnologien wie SDN und NFV in großem Umfang eingesetzt, um physische Infrastrukturen zu imitieren, insbesondere im Bereich der Kommunikationsnetze. Eine der wichtigsten Anwendungen ist das virtuelle Umspannwerk im intelligenten Stromnetz. Daher wird in dieser Arbeit ein neues Konzept der verkehrsbasierten Validierung für virtualisierte Kommunikationsnetze vorgestellt und ein Validierungsansatz entwickelt, mit dem das physische und das virtuelle Testbed validiert werden können. Zunächst findet der in dieser Arbeit entwickelte Validierungsansatz die am besten übereinstimmenden Paare aus den manuell definierten vielversprechenden Netzwerkverkehrsmerkmalen und den datenwissenschaftlichen Vergleichsmethoden. Dann werden diese Merkmals-Methoden-Paare verwendet, um die Datensätze des physischen und des virtuellen Testbeds zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigen die Ähnlichkeiten der einzelnen Merkmale. Durch die Analyse der Ergebnisse wissen wir, wie wir das Design des virtuellen Umspannwerks verbessern können, um es dem physischen Umspannwerk ähnlicher zu machen. Dieser Validierungsansatz kann auch allgemein auf andere Bereiche angewendet werden, indem einfach die Auswahl der Merkmale und Methoden angepasst wird.



Chamaani, Somayyeh; Sachs, Jürgen; Prokhorova, Alexandra; Smeenk, Carsten; Wegner, Tim Erich; Helbig, Marko
Microwave angiography by ultra-wideband sounding: a preliminary investigation. - In: Diagnostics, ISSN 2075-4418, Bd. 13 (2023), 18, 2950, S. 1-17

Angiography is a very informative method for physicians such as cardiologists, neurologists and neuroscientists. The current modalities experience some shortages, e.g., ultrasound is very operator dependent. The computerized tomography (CT) and magnetic resonance (MR) angiography are very expensive and near infrared spectroscopy cannot capture the deep arteries. Microwave technology has the potential to address some of these issues while compromising between operator dependency, cost, speed, penetration depth and resolution. This paper studies the feasibility of microwave signals for monitoring of arteries. To this aim, a homogenous phantom mimicking body tissue is built. Four elastic tubes simulate arteries and a mechanical system creates pulsations in these arteries. A multiple input multiple output (MIMO) array of ultra-wideband (UWB) transmitters and receivers illuminates the phantom and captures the reflected signals over the desired observation time period. Since we are only interested in the imaging of dynamic parts, i.e., arteries, the static clutters can be suppressed easily by background subtraction method. To obtain a fast image of arteries, which are pulsating with the heartbeat rate, we calculate the Fourier transform of each channel of the MIMO system over the observation time and apply delay and sum (DAS) beamforming method on the heartbeat rate aligned spectral component. The results show that the lateral and longitudinal images and motion mode (M-mode) time series of different points of phantom have the potential to be used for diagnosis.



https://doi.org/10.3390/diagnostics13182950
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
Göttlich, Paul Armand Ugo Lysandre;
Tensor-Based Analysis of Dry and Gel-Based EEG Cap Recordings. - Ilmenau. - 143 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Elektroenzephalographie (EEG) Aufnahmemethoden durch Anwendung von Tensor-basierter Signalverarbeitung untersucht und verglichen. Die zugrunde liegende Reihe an Versuchen wurde vom Institut für Biomedizinische Technik und Informatik geleitet. Hierbei wurden Gel-basierte Elektrodenkappen mit trockenen verglichen. Nachdem die bisherigen Verarbeitungsschritte dargestellt werden, werden Frequenz und Zeit-Frequenz Eigenschaften der aufgenommenen Referenzsignale über die Fast-Fourier-Transform (FFT), die Continuous-Wavelet-Transform (CWT) und die Wigner-Ville-Distribution (WVD) bestimmt. Nachdem in mehreren Ansätzen Parameter für die Tensorverarbeitung bestimmt werden, werden zwei fundamentale Zerlegungsverfahren, die Canonical-Polyadic-Decomposition (CPD) und die Block-Term-Decomposition (BTD) vorgestellt, auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht und angewandt. Die generierten Signalkomponenten bilden anschließend die Grundlage für eine Analyse in Bezug auf die Aufnahmemethode, die verwendete Zeit-Frequenz-Analyse und anfänglich implementierten nachträglichen Verarbeitungsschritten.



Samadi, Raheleh; Nazari, Amin; Seitz, Jochen
Intelligent Energy-aware Routing Protocol in Mobile IoT Networks based on SDN. - In: IEEE transactions on green communications and networking, ISSN 2473-2400, Bd. 7 (2023), 4, S. 2093-2103

Intelligent devices and equipment have affected almost all aspects of our life and behavior. The type of connection and the manner of communication between this large volume of devices has caused the emergence of a vast field in the Internet called the Internet of Things, which significantly highlights the issue of energy management and increases the lifetime of networks. Complex communications, especially in mobile networks, have generated many challenges for network designers. To solve these challenges, the Software Defined Networking (SDN) paradigm has reduced the overhead in the devices caused by processing and computing by adding new capabilities to mobile IoT networks. This technique transfers energy-consuming tasks to the central controller, which manages continuous topological changes of the network in dynamic environments. This paper presents a new routing approach called Intelligent Energy-aware Routing Protocol in Mobile IoT Networks based on SDN (IERMIoT), which tries to manage the dynamic changes of topology due to the movement of mobile nodes to increase the network’s lifetime and prevent energy dissipation. For this purpose, it defines clusters of nodes and uses an intelligent evolutionary algorithm to determine the number of clusters required in the network and their balanced distribution in the dynamic environment. Also, this approach considers a mechanism to reduce the overhead of control packets and routing packets, which significantly affects the energy consumption of nodes. The simulation results indicate the proposed solution’s effectiveness compared to other simulated approaches with respect to packet delivery rate, average energy consumption, network lifetime, number of alive nodes, coverage, and routing overhead.



https://doi.org/10.1109/TGCN.2023.3296272
Selvaraj, Anu;
Investigation of decentralized model for orchestrating Web Application Firewall and DDoS mitigation in healthcare. - Ilmenau. - 121 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In dieser Arbeit wird ein dezentralisiertes Modell für digitale Produkte vorgestellt, das dem Bedarf an umfassender Sicherheit gerecht wird und gleichzeitig die Agilität und Flexibilität des Gesundheitswesens erhält. Das Modell schafft einen Rahmen, der das Fachwissen sowohl von Produktteams als auch von einem zentralen SecOps-Team nutzt. Der Schwerpunkt liegt auf der Automatisierung eines dezentralisierten Frameworks für die Verwaltung des DDoS-Schutzes (Distributed Denial of Service) und der Einrichtung einer WAF (Web Application Firewall) für verteilte digitale Produkte, während gleichzeitig eine zentralisierte, codegesteuerte Governance für Sicherheit, Überwachung und Compliance beibehalten wird. Ziel ist es, die Verbindungen zwischen den Räumlichkeiten des Kunden und den öffentlichen Endpunkten, die von den Produkten mit Kundenkontakt genutzt werden, zu rationalisieren und zu vereinfachen. Um dies zu erreichen, wird die Konnektivitätsplattform als eine Infrastruktur eingeführt, die eine sichere, konforme, kontrollierte und konsistente Netzwerkkonnektivität für die beteiligten Systeme bietet, trotz der geteilten Verantwortung zwischen mehreren Parteien. Cloudflare wird als zentrale Plattform für die Verwaltung des eingehenden Datenverkehrs und das Hosting digitaler Produkte ausgewählt. Die Connectivity Platform nutzt verschiedene Cloudflare-Services wie Content Delivery Networks (CDN), Argo Tunneling, Bring Your Own IP (BYOIP), Data Localization Suite (DLS), WAF und DDoS-Schutz. Dies verbessert das dezentralisierte Modell, indem es die Netzwerkkonnektivität von Edge-Räumlichkeiten zur Platform Cloud & Edge Infrastructure hervorhebt. Plattformkonnektivität besteht aus gemeinsam genutzten oder gemeinsamen technologischen Diensten und Ressourcen, die von digitalen Produkten zur Verbesserung, Optimierung und Sicherung ihrer Abläufe genutzt werden. Sie folgt dem DevSecOps Paradigma (Development Security Operations), um sowohl eine horizontale Skalierung (über mehrere Produkte und Edge-Standorte hinweg) als auch eine vertikale Skalierung (erhöhter Durchsatz und Anzahl der Verbindungen) zu ermöglichen. Die Einrichtung von Cloudflare wird mithilfe eines GitOps-basierten Betriebsmodells verwaltet, das fortschrittliche Servicefunktionen umfasst. Das Design und die Implementierung der Connectivity Platform zielen darauf ab, die Einhaltung der regulatorischen Anforderungen zu gewährleisten, die üblicherweise für unterstützte Produkte gelten. Sicherheitsbelange werden während des gesamten Lebenszyklus der Softwareentwicklung berücksichtigt, wobei DevSecOps-Prinzipien zum Einsatz kommen. Die Integration von Terraform Cloud (TFC) und GitLab bietet Unternehmen die Möglichkeit, Infrastructure as Code (IaC) sicher zu skalieren und dabei den Schwerpunkt auf Zusammenarbeit und Governance zu legen. Es wurde ein Testrahmen entwickelt, um das ordnungsgemäße Funktionieren der Cloudflare-Konfigurationen zu gewährleisten, wobei Parameter wie Datenlokalisierung, WAF, DDoS-Schutz und die Validierung der Endpunktsicherheit von Zonenmodulen berücksichtigt wurden. Die Leistungsbewertung wird unter Verwendung des für die Connectivity Platform implementierten dezentralen Modells durchgeführt. Das Cucumber Behaviour Driven Development (BDD)-Framework wird für automatisierte Tests verwendet, wobei Testprotokolle und Berichte über die CI-Pipelines von GitLab generiert werden. Zu den Leistungsbewertungen gehören das Senden kontinuierlicher Anfragen an die Endpunkte der Connectivity Platform, die Analyse von Regeln zur Ratenbegrenzung, die Messung des Prozentsatzes blockierter Transaktionen, die Bewertung der Netzwerklatenz für DDoS-verwaltete Regeln, der Vergleich von normalem Datenverkehr mit DDoS-Angriffen und die Messung der Secure Sockets Layer (SSL)-Leistung anhand von Metriken wie Transactions Per Second (TPS) und gleichzeitigen Verbindungen, um die Prävention von DDoS-Angriffen zu verbessern und die Zuverlässigkeit und Sicherheit der SSL-Infrastruktur zu analysieren.



Nwalozie, Gerald C.; Haardt, Martin
Distributed coordinated beamforming for RIS-aided dynamic TDD systems. - In: WSA & SCC 2023, (2023), S. 66-71

We consider the joint design of the active and passive beamforming for a reconfigurable intelligent surface (RIS) aided dynamic time-division-duplexing (DTDD) wireless network. An alternating optimization (AO) method is proposed. To reduce the high signaling overhead involved in the centralized solution for the active beamforming design, a distributed coordinated beamforming based on the alternating direction method of multipliers (ADMM) is proposed. The Semidefinite Programming (SDP) technique is adopted for the design of the passive reflection matrix of the RIS. Our design objective is to maximize the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of the downlink users while satisfying the total power constraint of the downlink base stations and guaranteeing that the maximum interference seen by the uplink users due to the transmission of the downlink cells is below a pre-defined level. Our numerical results demonstrate that the proposed algorithm converges to the centralized solution in a reasonable number of iterations.



Vilas Boas, Brenda; Zirwas, Wolfgang; Haardt, Martin
Deep-LaRGE: higher-order SVD and deep learning for model order selection in MIMO OFDM systems. - In: WSA & SCC 2023, (2023), S. 43-48

Despite the large volume of research on the field of model order selection, finding the correct rank number can still be challenging. Propagation environments with many scatters may generate channel multipath components (MPCs) which are closely spaced. This clustering of MPCs in addition to noise makes the model order selection task difficult for wireless channels which can directly impact user equipment (UE) throughput, e.g., wrong lower rank approximation for channel estimation via Unitary ESPRIT. In this paper, we exploit the multidimensional characteristics of MIMO orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems and propose an artificial intelligence and machine learning (AI/ML) method capable of determining the number of MPCs with a higher accuracy than state of the art methods in almost coherent scenarios. Moreover, our results show that our proposed AI/ML method has an enhanced reliability as the threshold for signal singular value selection is 80 %.



Amirabadi, Souzan;
Methods and procedures for processing and analyzing process signals in precision machining processes. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Präzisionsbearbeitung ist ein Fertigungsprozess, der zur Herstellung hochpräziser und eng tolerierter Bauteile eingesetzt wird. Die Überwachung des Prozesses ist entscheidend, um die Effektivität und Qualität der Präzisionsbearbeitungsoperationen zu gewährleisten. Schleifbrand, der auf übermäßige Wärmeerzeugung während des Schleifprozesses verweist und Oberflächenschäden sowie eine Verringerung der Produktqualität verursachen kann, ist eine der häufigsten Fehlerquellen, die bei solchen Verfahren auftreten können. Schleifbrand muss während des Prozesses mit geeigneten Techniken überwacht werden, um ihn zu vermeiden und zu reduzieren. Die Verwendung von Sensoren zur Erfassung verschiedener Datenarten, einschließlich Vibration, Strom und akustischer Emissionssignale, die zur Analyse des Schleifprozesses beitragen können, ist eine typische Methode der Prozessüberwachung. Solche Signale werden mit spezialisierten Sensoren erfasst und in dieser Arbeit als Daten für zusätzliche Analysen verwendet. Anschließend ist eine Vorverarbeitung erforderlich, um die Analyse der gesammelten Sensordaten zu verbessern. Dabei werden die Daten gereinigt und geordnet, um Rauschen zu entfernen, signifikante Segmente zu identifizieren und sinnvolle Merkmale zu extrahieren. Durch dieses Vorverarbeitungsverfahren wird eine konzentriertere und genauere Untersuchung des Schleifprozesses ermöglicht, die zusätzlichen Analysen und präzise Interpretationen zulässt. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Vorverarbeitung eines selbst generierten Signals mit bekannten zeitlichen und frequenzspektralen Eigenschaften. Es erfolgt ein Vergleich der Leistung mehrerer Zeit-Frequenz-Transformationsmethoden, die auf dieses selbst generierte Signal angewendet werden, wie beispielsweise die Kurzzeit-Fourier-Transformation (STFT), kontinuierliche Wavelet-Transformationen (CWT), Wigner-Ville-Verteilung (WVD) und Synchrosqueezing-Transformation (SST). Es erfolgt auch eine genaue Bewertung der Zeit-Frequenz-Darstellung (TFR) des Signals. Es wird auch untersucht, wie verschiedene Zeit-Frequenz-Transformationsalgorithmen zur Prozessüberwachung verwendet werden können, beispielsweise zur Erkennung von Schleifbrand. Diese Studie untersuchte verschiedene Zeit-Frequenz-Transformationsmethoden zur Bestimmung von Merkmalen des Schleifbrands. Die STFT zeigte regelmäßig eine zuverlässige TFR-Konstruktion mit geringem MSE und reduzierter Renyi-Entropie, wodurch Eigenschaften des Signals mit geringerer Unvorhersagbarkeit erfasst wurden. Im Vergleich dazu war die kontinuierliche Wavelet-Transformation (CWT) unregelmäßiger. Mit ihrer guten Gesamtleistung und schnelleren Verarbeitung hat sich die STFT-Methode als eine geeignete Wahl für Echtzeitüberwachungsanwendungen herausgestellt. Diese Erkenntnisse tragen zur Zeichenerkennung bei Schleifbrand bei und unterstreichen das Potenzial des STFT-Ansatzes. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um alternative Methoden für die Hochfrequenz-Signalverarbeitung unter Berücksichtigung von Genauigkeit, Unvorhersagbarkeit und Rechenzeit zu erforschen.



Miranda, Marc;
Mitigating the Effects of Spatial Undersampling on Angle of Arrival Estimation. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Mobilfunknetze entwickeln sich kontinuierlich weiter, um steigende Anforderungen an Zuverlässigkeit, Datenraten und Netzwerkkapazität zu erfüllen. Fortschrittliche Funktionen auf der physikalischen Schicht, wie Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Systeme, Strahlformung und Multi-User-MIMO, die in 5G und und darüber hinaus eingeführt werden, basieren auf der effektiven Ausnutzung der räumlichen Charakteristika des Kanals, die wiederum von den genauen Positionierungsfähigkeiten des Systems abhängen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Minderung des Problems der räumlichen Aliasing bei der Schätzung des Empfangswinkels an einem Empfänger, der mehrere Antennen verwendet. Die Aliasing-Artefakte werden beobachtet, wenn das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem im räumlichen Bereich verletzt wird, aufgrund der Herausforderungen, die bei der Konstruktion von Antennenarrays auftreten, die in den Sub-Terahertz- und Terahertz-Frequenzbändern arbeiten. Zunächst werden die Auswirkungen von Aliasing auf die Korrelationsfunktion untersucht, die bei Maximum-Likelihood (ML) Schätzern auftreten. Zwei Ansätze zur Minderung dieser Effekte werden vorgeschlagen, nämlich (1) Breitband-Modellierung der Antennenantwort und die Verwendung von Frequenzdomänen-Messungen, um für die Winkel- und frequenzabhängigen Phasenverschiebungen zu berücksichtigen, die über das Array beobachtet werden, und (2) die Verwendung von nicht-einheitlichen Abtastschemata zur Minderung von Aliasing, die ausschließlich auf räumlichen Messungen basieren. Darüber hinaus profitiert der erste Ansatz von der Verwendung großer Messbandbreiten, daher greifen wir auf Ideen aus dem Bereich des Compressed Sensing zurück, um eine Methode vorzuschlagen, die die erforderliche Betriebsbandbreite reduziert, während eine ähnliche Schätzfehlerleistung erhalten bleibt. Durch die Verwendung von synthetischen Arrays und Monte-Carlo-Simulationen zeigen wir, dass diese Methode auf beliebige Array-Geometrien anwendbar ist und eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Bandbreite durch einen Kompressionsoperator ermöglicht, der offline trainiert wird. Die in dieser Arbeit untersuchten Techniken können auch analog auf die Schätzung des Sendewinkels angewendet werden, wo das Shannon-Nyquist-Abtasttheorem am Sendearray verletzt wird.



Meta-Clustering of MPCs using Variational AutoEncoders. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In modernen Kommunikationssystemen hat sich das Clustering verschiedener Parameter des Kommunikationssystems als ein zukunftsweisendes Thema im Bereich der Kanalmodellierung herauskristallisiert. Im Vergleich zu traditionellen Clustering-Algorithmen können auf neuronalen Netzwerken basierende Clustering-Algorithmen bestimmte Merkmale in den Daten erkennen, die möglicherweise unbemerkt bleiben. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob Zehntausende von Momentaufnahme-Parametern, die aus einem Kanalmessgerät gewonnen wurden, geographische Clusterphänomene aufweisen und die Ursachen für die beobachteten Muster zu erklären. Nach der Vorverarbeitung der Daten zu einem rasterbasierten Datensatz wird ein variationaler, faltender Autoencoder entwickelt, um End-to-End-Clustering durchzuführen. In diesem Clustering-Prozess werden die Verlustfunktionen des variationalen Autoencoders und der Clustering-Schicht gemeinsam durch Rückverbreitung gelernt. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit der RIMAX-Methode geschätzten Momentaufnahme-Parameter tatsächlich geographische Clustering- phänomene aufweisen. Die Qualität der Clusterbildung variiert erheblich unter verschiedenen Umweltbedingungen. Basierend auf den Visualisierungskarten analysieren und diskutieren wir die möglichen Gründe für dieses Phänomen.



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
Khamidullina, Liana; Seidl, Gabriela; Podkurkov, Ivan Alexeevich; Korobkov, Alexey Alexandrovich; Haardt, Martin
Enhanced solutions for the block-term decomposition in rank-(Lr, Lr, 1) terms. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 71 (2023), S. 2608-2621

The block-term decompositions (BTD) represent tensors as a linear combination of low multilinear rank terms and can be explicitly related to the Canonical Polyadic decomposition (CPD). In this paper, we introduce the SECSI-BTD framework, which exploits the connection between two decompositions to estimate the block-terms of the rank-(Lr, Lr, 1) BTD. The proposed SECSI-BTD algorithm includes the initial calculation of the factor estimates using the SEmi-algebraic framework for approximate Canonical polyadic decompositions via SImultaneous Matrix Diagonalizations (SECSI), followed by clustering and refinement procedures that return the appropriate rank-(Lr, Lr, 1) BTD terms. Moreover, we introduce a new approach to estimate the multilinear rank structure of the tensor based on the HOSVD and $k$-means clustering. Since the proposed SECSI-BTD algorithm does not require a known rank structure but can still take advantage of the known ranks when available, it is more flexible than the existing techniques in the literature. Additionally, our algorithm does not require multiple initializations, and the simulation results show that it provides more accurate results and a better convergence behavior for an extensive range of SNRs.



https://doi.org/10.1109/TSP.2023.3289730
Eltohamy, Ali; Korb, Matthias; Zetik, Rudolf; Thomä, Reiner
Optimum access-point constellation for indoor time difference of arrival positioning. - In: 2023 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), (2023), S. 1234-1240

The availability of ubiquitous location services is a highly desirable feature for many upcoming applications in the realm of the Internet of Things (IoT), including asset tracking, navigation services especially in indoor environments such as shopping centers, or emergency people tracking in schools, hospitals, and prisons. While outdoor positioning is perfectly covered by Global Navigation Satellite Systems (GNSS), indoor positioning services, except for a few pioneer projects, did not hit the mainstream yet. At first, this is surprising, as the underlying technology has been known for years and solutions already exist based on WiFi or Bluetooth beacons. A major problem is, that the locations of those beacons need to be highly tailored to the specific indoor floorplan for high positioning accuracies, which directly contradicts the need for a cheap installment. Picking up this challenge, we present a methodology for fast optimization of access point locations in indoor environments, maximizing coverage and positioning accuracy that will facilitate a broad deployment of indoor positioning systems.



https://doi.org/10.1109/PLANS53410.2023.10140137
Zhou, Chengwei; Gu, Yujie; Shi, Zhiguo; Haardt, Martin
Structured Nyquist correlation reconstruction for DOA estimation with sparse arrays. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 71 (2023), S. 1849-1862

Sparse arrays are known to achieve an increased number of degrees-of-freedom (DOFs) for direction-of-arrival (DOA) estimation, where an augmented virtual uniform array calculated from the correlations of sub-Nyquist spatial samples is processed to retrieve the angles unambiguously. Nevertheless, the geometry of the derived virtual array is dominated by the specific physical array configurations, as well as the deviation caused by the practical unforeseen circumstances such as detection malfunction and missing data, resulting in a quite sensitive model for virtual array signal processing. In this paper, we propose a novel sparse array DOA estimation algorithm via structured correlation reconstruction, where the Nyquist spatial filling is implemented on the physical array with a compressed transformation related to its equivalent filled array to guarantee the general applicability. While the unknown correlations located in the whole rows and columns of the augmented covariance matrix lead to the fact that strong incoherence property is no longer satisfied for matrix completion, the structural information is introduced as a priori to formulate the structured correlation reconstruction problem for matrix reconstruction. As such, the reconstructed covariance matrix can be effectively processed with full utilization of the achievable DOFs from the virtual array, but with a more flexible constraint on the array configuration. The described estimation problem is theoretically analyzed by deriving the corresponding Cramér-Rao bound (CRB). Moreover, we compare the derived CRB with the performance of the virtual array interpolation-based algorithm. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm in terms of DOFs, resolution, and estimation accuracy.



https://doi.org/10.1109/TSP.2023.3251110
Liu, Wei; Haardt, Martin; Greco, Maria S.; Mecklenbräuker, Christoph; Willett, Peter
Twenty-five years of sensor array and multichannel signal processing: a review of progress to date and potential research directions. - In: IEEE signal processing magazine, ISSN 1558-0792, Bd. 40 (2023), 4, S. 80-91

In this article, a general introduction to the area of sensor array and multichannel signal processing is provided, including associated activities of the IEEE Signal Processing Society (SPS) Sensor Array and Multichannel (SAM) Technical Committee (TC). The main technological advances in five SAM subareas made in the past 25 years are then presented in detail, including beamforming, direction-of-arrival (DOA) estimation, sensor location optimization, target/source localization based on sensor arrays, and multiple-input multiple-output (MIMO) arrays. Six recent developments are also provided at the end to indicate possible promising directions for future SAM research, which are graph signal processing (GSP) for sensor networks; tensor-based array signal processing, quaternion-valued array signal processing, 1-bit and noncoherent sensor array signal processing, machine learning and artificial intelligence (AI) for sensor arrays; and array signal processing for next-generation communication systems.



https://doi.org/10.1109/MSP.2023.3258060
Brachvogel, Marius; Niestroj, Michael; Meurer, Michael; Hasnain, Syed N.; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Space-time adaptive processing as a solution for mitigating interference using spatially-distributed antenna arrays. - In: Navigation, ISSN 2161-4296, Bd. 70 (2023), 3, navi.592, insges. 23 S.

Antenna arrays and spatial processing techniques are among the most effective countermeasures against interference. Here, we demonstrate a new array concept consisting of spatially-distributed subarrays that are small enough to fit inside the non-metallic parts of an automobile. This will facilitate concealed installation of these devices in bumpers or side mirrors, which is a strict requirement of the industry and preferred by the customers. Using beamforming algorithms, this array was proven to be robust against jammers in the L1 band. The large distances between the individual antenna elements resulted in a non-negligible baseband delay that violated the narrowband assumption and increased with bandwidth. Hence, this paper demonstrates the influence of a jammer in the L5 band. Space-time adaptive processing that allows for compensation of the delays was introduced and analyzed. Improvements in interference mitigation capabilities were assessed and compared to those of pure spatial state-of-the-art implementation. Real-life measurement data was used to ensure realistic results.



https://doi.org/10.33012/navi.592
Hasnain, Syed N.; Khakimov, Aidar; Stehr, Uwe; Hein, Matthias
Emulation of realistic satellite constellations for GNSS receiver testing in virtual environment. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

Automotive navigation is key for modern traffic, which necessitates robust satellite navigation receivers. Distributed antenna arrays can be advantageous with their beam-and null-steering capabilities, however, testing them in the field is resource-intensive and non-repeatable. Therefore, evaluating them in virtual electromagnetic environments is reasonable prior to scheduling field-operational tests. Thereby the challenge arises that the angles-of-arrival of satellite signals deviate from those of their corresponding antennas due to the fixed orbital rotation of satellites and mechanical limitations of physical antenna placements. This discrepancy creates an unrealistic satellite constellation, eventually affecting directions-of-arrival estimation of incident signals which is crucial for interferer suppression. A Matlab tool was implemented to locate satellites near desired transmitter positions and numerically alter their orbital parameters to minimize their angular deviation from respective transmitters. Employing the tool, a realistic virtual satellite constellation with less than 1 degree deviation was emulated and experimentally verified for the test facility.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133419
Bornkessel, Christian; Struck, Tobias; Schilling, Lisa-Marie; Hein, Matthias
Exposure change at two mobile radio base stations due to upgrading with 5G. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

Radio frequency exposure measurements in the surroundings of two mobile radio base stations were performed before and after their upgrade to 5G to investigate exposure changes. The measurements were carried out in an urban environment in Berlin, and a 5G Dynamic Spectrum Sharing (DSS) base station and a 5G massive MIMO base station were investigated. At the first base station, a previous UMTS system was replaced by a DSS system (LTE and 5G share common resources) with unchanged total transmission power. The maximum possible exposure at five out of six measurement points remains unchanged within the measurement uncertainty. At the second base station under investigation, a 5G massive MIMO antenna technology was additionally installed to an existing mobile radio system. Here, maximum possible exposure increases of 6 to 11 dB occur at the investigated measurement points. A parallel recording of the 5G instantaneous exposure at the massive MIMO station shows that the exposure without provoking traffic load (signalization only) and at low traffic load exploits only 5-10% of the maximum exposure in terms of field strength.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133212
Eltohamy, Ali; Alazab Elkhouly, Mostafa; Große, Peter; Landmann, Markus; Del Galdo, Giovanni
Efficient phased array radiation pattern evaluation for 5G and SatCom On-The-Move (SOTM) applications. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

In satellite communications, it is becoming challenging to provide the tracking performance which is required for Non-Geostationary Orbit (NGSO) constellations with the traditional Satellite Communications (SatCom) On The Move (SOTM) terminal structure which employs bulky parabolic antennas. On the other hand, in terrestrial networks, the single omnidirectional communication with User Equipment (UE) does not provide enough throughput to fulfill the need for higher speed connections. As a consequence, manufacturers started to invest in developing new terminals which use phased array antennas to enable beamforming to increase the directivity and null the interference in terrestrial networks and to provide rapid tracking performance as well as seamless handovers in SOTM. However, this generates new challenge as these antennas change beam patterns depending on the beam steering angle. It is not trivial to evaluate the performance of beamforming antennas since the measurement of the high number of beam patterns that the phased array can form in all directions is time consuming. In this paper, we propose a methodology to measure a large number of beam patterns of a phased array antenna in a more time efficient approach compared to traditional antenna measurement methods. The measured patterns can be used to evaluate the antenna performance and capabilities in different conditions and verify the terminal ability to fulfill the requirements specified by the standards.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10132956
Struck, Tobias; Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Hybrid measurement and post-processing method for human RF exposure assessment of mobile radio small-cells. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

Established methods for determining the electromagnetic field exposure of mobile radio small-cell base stations to the general public are currently based either on numerical far-field computation or on field strength measurement at selected evaluation points. It means that they are not capable of providing a realistic 3-dimensional near-and far-fleld evaluation of mobile radio small-cell base stations. For this reason, a promising hybrid exposure assessment approach - which combines antenna nearfield pattern measurements and numerical computations under varying environmental conditions - was specially adapted to small cells. While the conservatively determined measurement uncertainty of ± 3 dB is comparable to already established methods such as electric field probe measurement, the hybrid assessment offers novel possibilities in terms of flexibility. By moving exposure assessment into a virtual domain, complex installation scenarios or varying antenna operation parameters can typically be investigated within a simulation environment, so that complex measurement campaigns may be substituted by hybrid assessment.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133468
Giehl, Sebastian; Andrich, Carsten; Schubert, Michael; Engelhardt, Maximilian; Ihlow, Alexander
Receiver bandwidth extension beyond Nyquist using channel bonding. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

Current and upcoming communication and sensing technologies require ever larger bandwidths. Channel bonding can be utilized to extend a receiver’s instantaneous bandwidth beyond a single converter’s Nyquist limit. Two potential joint front-end and converter design approaches are theoretically introduced, realized and evaluated in this paper. The Xilinx RFSoC platform with its 5 GSa/s analog to digital converters (ADCs) is used to implement both a hybrid coupler based in-phase/quadrature (I/Q) sampling and a time-interleaved sampling approach along with channel bonding. Both realizations are demonstrated to be able to reconstruct instantaneous bandwidths of 5 GHz with up to 49 dB image rejection ratio (IRR) typically within 4 to 8 dB the front-ends’ theoretical limits.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133262
Asghar, Muhammad Ehtisham; Bornkessel, Christian; Clauder, Philipp; Nowack, Tobias; Köcher, Jens; Stöpel, Uwe; Hein, Matthias
Antennas for railway applications: comparison between scaled mock-up and real locomotive measurements. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

This paper presents and compares real locomotive and scaled mock-up antenna measurements to investigate the reliability of scaled model measurements and to evaluate the impact of the locomotive chassis on the performance of the installed antennas. Three different operational frequencies and two distinct mounting positions at the center and front of the locomotives were selected for comparison. Fair comparability between patterns is observed with a similarity factor above 64%. The deviations between patterns arise from different geometries and installed superstructures. However, the results reveal coherent findings, particularly the significant impact of locomotive chassis, roof geometries, and superstructures on the radiation patterns. This impact becomes more pronounced at higher frequencies. Moreover, the front position results show strong distortions in patterns compared to the center position. The results imply that when analyzing the installed locomotive antenna pattern beside the chassis, the impact of superstructures and the impact of the mounting position must be carefully considered.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133303
Beuster, Julia; Andrich, Carsten; Döbereiner, Michael; Schieler, Steffen; Engelhardt, Maximilian; Schneider, Christian; Thomä, Reiner
Measurement testbed for radar and emitter localization of UAV at 3.75 GHz. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

This paper presents an experimental measurement platform for the research and development of unmanned aerial vehicles (UAVs) localization algorithms using radio emission and reflectivity. We propose a cost-effective, flexible testbed made from commercial off-the-shelf (COTS) devices to allow academic research regarding the upcoming integration of UAV surveillance in existing mobile radio networks in terms of integrated sensing and communication (ISAC). The system enables nanosecond-level synchronization accuracy and centimeter-level positioning accuracy for multiple distributed sensor nodes and a mobile UAV-mounted node. Results from a real-world measurement in a 16 km^2 urban area demonstrate the system’s performance with both emitter localization as well as with the radar setup.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133118
Schiffarth, Anna-Malin; Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias; Heberling, Dirk
Optimized assessment procedure for maximal RF exposure to 5G massive MIMO base stations in non-line-of-sight scenarios - part 2: verification by field measurements. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

At measurement points (MP) with a line of sight (LOS) to the base station, measurement and extrapolation procedures already exist to determine the maximal exposure in the vicinity of 5G massive MIMO base stations. However, for MPs with non-LOS (NLOS) to the base station, incorrect estimations of the maximal exposure have been found. Based on the theoretical preliminary considerations in part 1 of this paper, the exposure at outdoor NLOS MPs has been determined at 63 MPs in the vicinity of seven Huawei base stations. The gain correction factors previously used by assuming free-space propagation have been compared with the actual gain correction factors derived from the measurements. It is shown that the resulting misestimation and the actual gain correction factors depend on the distance between the MP and the base station. On the basis of this, generalised extrapolation factors are derived for NLOS MPs. Theoretical and numerical investigations are explained in detail in the accompanying paper "part 1".



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133149
Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Schiffarth, Anna-Malin; Heberling, Dirk; Hein, Matthias
Optimized assessment procedure for maximal RF exposure to 5G massive MIMO base stations in non-line-of-sight scenarios - part 1: theoretical and numerical investigations. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

The evaluation of the maximal human RF exposure to 5G base stations acquires a specific extrapolation procedure due to the massive MIMO antennas. Up to now, large misestimations of up to 15 dB of the extrapolated maximal RF exposure compared to the reference value were found at measurement points under non-line-of-sight conditions. One possible cause is the incorrectly determined gain correction factor based on free space assumptions which is used for extrapolating the measured signalization exposure to the maximal possible exposure. This gain correction factor may differ greatly between line-of-sight and non-line-of-sight scenarios. In this paper, considerations based on geometrical optics are used to identify such causative scenarios. Here, the measurement points are in multipath environments, where the resulting field distributions and the corresponding gain correction factors are not identical compared to the free space. Numerical simulations with ray tracing confirm this assumption as the determined gain correction factor in the multipath scenario is significantly lower compared to the free space case. Verification of these considerations by measurement is done in the accompanying paper "Part 2".



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133658
Dupleich, Diego; Ebert, Alexander; Völker-Schöneberg, Yanneck; Löser, Leon; Boban, Mate; Thomä, Reiner
Spatial/temporal characterization of propagation and blockage from measurements at sub-THz in industrial machines. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

In the present paper we introduce novel ultra-wideband (UWB) dual-polarized double-directional measurements at sub-THz (300 GHz) in an access point to inside of machine application in an industrial scenario. The results show a sparse spatial/temporal channel with multiple paths from the different metallic objects and their influence on polarization. In addition, different LOS blockage situations were investigated, showing the presence of alternative paths for communications.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133323
Dupleich, Diego; Ebert, Alexander; Thomä, Reiner
Measurement-based analysis of multi-band assisted beam-forming at mmWave in industrial scenarios. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

The mmWave and sub-THz bands are foreseen as candidates to achieve the data-rate demands in the beyond 5G and 6G wireless communication networks. The co-existence of multiple radio interfaces at several bands enables data fusion and the utilization of the similarities and differences on propagation and system properties for communication and sensing applications. MmWave radio interfaces rely on directive beams that require high training overhead for beam steering. Sensors in the network infrastructure and co-located radio interfaces at sub-6 GHz and mmWave can be used to assist the beam-forming process at mmWave. In the present paper we investigate the performance of multi-band assisted beam-forming in an industrial environment. We empirically demonstrate from real-world measurements that even in NLOS, the direction of the beams estimated at sub-6 GHz can be used to established a link at mmWave.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133694
Rashidifar, Ali; Drenkhahn, Kevin Etienne
Reduction of mutual coupling between dual-polarized antenna elements using defected ground structures. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.

To accurately model a communication channel using channel sounding technique, having dual-polarized antenna elements and low mutual coupling between them is required. In this work a Defected Ground Structure (DGS) is proposed to reduce the mutual coupling between two dual polarized mmWave antenna elements in an array structure. The defected ground is made of etched C-shape slots. The presence of the DGS has a strong impact on H-plane coupling where a suppression of 35 dB is achieved, while the reduction of E-plane coupling is about 4 dB. The unwanted effect on the radiation patterns is negligible and the back radiation is not increased.



https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133636
Khan, Muhammad Nouman;
Deep learning based anomaly detection for visual inspection on the industrial dataset. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die Erkennung von Anomalien in visuellen Inspektionssystemen ist entscheidend um die Qualitätskontrolle und Sicherheit in verschiedenen Industriezweigen zu gewährleisten. Deep Learning basierende Techniken haben vielversprechende Ergebnisse bei der Erkennung anomaler Daten in industriellen Datensäetzen geliefert. In dieser Masterarbeit haben wir einen neuartigen Ansatz untersucht, der auf unüberwachtem Lernen basiert unter Verwendung von Convolutional Autoencodern. Das Ziel war die Erkennung von Anomalien im Montageprozess der Fertigungshalle. Zusäetzliche wurde Yolov5 verwendet um die Kameraaufnahmen füer eine bessere Anomalierkennung aufzubereiten. Die vorliegende Arbeit untersucht die Durchführbarkeit von unüeberwachtem Lernen auf dem industriellen Datensatz und vergleicht ihn mit überwachten Lerntechniken, die an gelabelte, beschriftete Daten gebunden sind und somit erhebliche Kosten verursachen. Die bearbeiteten Forschungsfragen lauteten: (1) Können Convolutional Autoencoder effektiv Anomalien erkennen, (2) was sind die zugrunde liegenden Mechanismen, die unüeberwachte Lerntechniken effektiver bei der Erkennung von Anomalien machen als üeberberwachte Lerntechniken (3) Was sind die möglichen Grenzen und Weiterentwicklungsmöglichkeiten des vorgeschlagenen Ansatzes ? Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass die Verwendung von Convolutional Autoencoder für die Erkennung von Anomalien eine wirksame Strategie für die visuelle Inspektion ist. Die Überlegenheit des unüberwachten Lernens bei der Erkennung von Anomalien ist auf seine Fähigkeit zurückzuführen, die Struktur und Muster der Daten zu erfassen und auf neue Instanzen von anomalem Daten zu reagieren. Der vorgeschlagene Ansatz erzielte eine hohe Präzision, Recall und F1-Score. Die Einschränkungen und potenziellen Bereiche für Verbesserungsmöglichkeiten liegen in der weiteren Optimierung und Validierung mit größeren Datenmengen. Insgesamt hat der Ansatz ein enormes Potenzial zur Verbesserung bestehender Verfahren der Anomalieerkennung in visuellen Inspektionssystemen.



Schiemer, Melanie; Reum, Thomas; Töpfer, Hannes
An efficient modeling approach of 1D-planar metamaterials in the high-frequency regime. - In: Compel, ISSN 2054-5606, Bd. 42 (2023), 3, S. 776-786

Purpose The purpose of this paper is to present an alternative modeling approach in terms of the determination of a physically equivalent circuit model for one-dimensional (1D) planar metamaterials in the high-frequency regime, without a postprocessing optimization procedure. Thereby, an efficient implementation of physical relationships is aimed. Design/methodology/approach In this paper, a method based on quasi-stationary simulations and mathematical conversions to derive the values for a physically equivalent circuit model is proposed. Because the electromagnetic coupling mechanisms are investigated in detail, a simplification for the considered multiconductor transmission line structure is achieved. Findings The results show that the proposed modeling approach is an efficient and physically meaningful alternative to classical full-wave simulation techniques for the investigated inhomogeneous transmission line structure in both the time domain as well as in the frequency domain. In the course of this, the effort is reduced while a comparable accuracy is maintained, whereby specific coupling mechanisms are considered in circuit simulations. Originality/value The process to obtain information about physically interpretable lumped element values for a given structure or to determine a layout for known ones is simplified with the aid of the proposed approach. An advantageous adaption of the presented procedure to other areas of application is well conceivable.



https://doi.org/10.1108/COMPEL-09-2022-0313
Hershkovitz, Tomer; Haardt, Martin; Yeredor, Arie
Various performance bounds on the estimation of low-rank probability mass function tensors from partial observations. - In: IEEE ICASSP 2023 conference proceedings, (2023), insges. 5 S.

Probability mass function (PMF) estimation using a low-rank model for the PMF tensor has gained increased popularity in recent years. However, its performance evaluation relied mostly on empirical testing. In this work, we derive theoretical bounds on the attainable performance under this model assumption. We begin by deriving the constrained Cramér-Rao Bound (CCRB) on the low-rank decomposition parameters, and then extend the CCRB to bounds on the mean square error in the resulting estimates of the PMF tensor’s elements, as well as on the mean Kullback-Leibler divergence (KLD) between the estimated and true PMFs. The asymptotic tightness of these bounds is demonstrated by comparing them to the performance of the Maximum Likelihood estimate in a small-scale simulation example.



https://doi.org/10.1109/ICASSP49357.2023.10095206
Khamidullina, Liana; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Rate splitting and precoding strategies for multi-user MIMO broadcast channels with common and private streams. - In: IEEE ICASSP 2023 conference proceedings, (2023), insges. 5 S.

In this paper, we present a precoder design for multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) broadcast systems with rate splitting at the transmitter. The proposed scheme applies to both underloaded and overloaded communication systems and supports the transmission of multiple common and private streams. We show how the generalized singular value (GSVD) and multilinear generalized singular value (ML-GSVD) decompositions can be used to define the number of common and private streams and adjust the message split. Additionally, we present transmit precoding and receive combining designs that allow the simultaneous transmission of common and private streams but do not require successive interference cancellation (SIC) at the receivers and can be used in cases where the total number of streams does not exceed the number of transmit antennas.



https://doi.org/10.1109/ICASSP49357.2023.10095138
Rakhimov, Damir; Haardt, Martin
Equivalence of aperture reduction in element space and constrained combination of DFT beams in beamspace. - In: IEEE ICASSP 2023 conference proceedings, (2023), insges. 5 S.

In this paper, we present an analytical proof of equivalence of the signal processing in the reduced aperture element space and in beamspace produced by the combination of multiple adjacent DFT beams with a subsequent constraining of the resulting magnitudes. This link finds applications in millimeter wave (mmWave) communications and radars that are typically equipped with a small number of RF chains and employ hybrid beamforming with analog phase shifters. This result unifies the transceiver designs, reduces complexity, and proves the applicability of state-of-the-art beamspace-based methods. It has a special implication for channel estimation at the initial stage when terminals acquire coarse estimates of the Sectors-of-Interest (SoIs). We show that the constrained groups of beams are equivalent to DFT beamformers of a smaller size aperture and present a closed-form expression of the corresponding effective aperture length as a function of the number of beams. We also derive an approximation of this expression to find the indices of the active array elements in a closed form. Finally, we verify this theory and analyze the accuracy of the proposed approximation using numerical simulations.



https://doi.org/10.1109/ICASSP49357.2023.10096523
Foliadis, Anastasios; Castañeda Garcia, Mario H.; Stirling-Gallacher, Richard A.; Thomä, Reiner
Multi-environment based meta-learning with CSI fingerprints for radio based positioning. - In: 2023 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), (2023), insges. 6 S.

Radio based positioning of a user equipment (UE) based on deep learning (DL) methods using channel state information (CSI) fingerprints have shown promising results. DL models are able to capture complex properties embedded in the CSI about a particular environment and map UE’s CSI to the UE’s position. However, the CSI fingerprints and the DL models trained on such fingerprints are highly dependent on a particular propagation environment, which generally limits the transfer of knowledge of the DL models from one environment to another. In this paper, we propose a DL model consisting of two parts: the first part aims to learn environment independent features while the second part combines those features depending on the particular environment. To improve transfer learning, we propose a meta learning scheme for training the first part over multiple environments. We show that for positioning in a new environment, initializing a DL model with the meta learned environment independent function achieves higher UE positioning accuracy compared to regular transfer learning from one environment to the new environment, or compared to training the DL model from scratch with only fingerprints from the new environment. Our proposed scheme is able to create an environment independent function which can embed knowledge from multiple environments and more effectively learn from a new environment.



https://doi.org/10.1109/WCNC55385.2023.10118753
Smeenk, Carsten; Schneider, Christian; Thomä, Reiner
Framework for simulation models and algorithms in ISAC networks. - In: 2023 IEEE 3rd International Symposium on Joint Communications & Sensing (JC & S), (2023), insges. 6 S.

In Integrated Sensing and Communications (ISAC), radar and communications functionalities share the same radio channel and radio resources. This sharing allows the deployment of both functionalities at a low cost without additional frequency bands and infrastructure. Because radar and communications have different radio resource requirements, new radio access and radio resource management (RRM) methods are required in a shared system. To develop and evaluate new ISAC methods, this paper presents a modular simulation framework for the system level and link level of ISAC networks. The main components of the framework are the data storage, the simulators, and the algorithms. This paper presents the framework's architecture, the integrated simulation models for channel and signal simulation, and the integrated algorithms for multiple radar target localization and data transmission.



https://doi.org/10.1109/JCS57290.2023.10107507
Anbarasu, Varun;
DeModulation Reference Signal (DM-RS) densification in 5G-NR downlink. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Demodulation Referenzsignale (DM-RS) ermöglichen die kohärente Demodulation von physikalischen Kanälen in Systemen der fünften Generation (5G NR). Für multi-Layer-Übertragungen von physikalischen Kanälen ist jeder Layer assoziiert mit einem DMRS-Port, der im Zeit-Frequenzgrid des Transportblocks des physikalischen Kanals eingebettet ist. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Erhöhung der Anzahl der verfügbaren DMRS-Ports eines 5G-Systems ohne die Erhöhung des DMRS-Overheads. Dieses erlaubt einer Basisstation (gNodeB) mehr Nutzer zu bedienen und erhöht die spektrale Effizienz von Uplink- oder Downlink-Übertragungen. In 5G Rel.15 werden bis zu 12 orthogonale DMRS-Ports unterstützt. In 3GPP Rel.18 wird die Erhöhung der DMRS-Ports bei gleichbleibendem Overhead untersucht. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Anzahl der DMRS-Ports untersucht sowie bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit in Link- und Systemlevel-Simulationen miteinander verglichen. Zwei Methoden werden hierzu miteinander verglichen: längere Orthogonale Cover Codes (FD-OCC) als in 3GPP Rel. 15 und dünn-besetzte DMRS Resource-Allokationen im Frequenzbereich. Das FD-OCC ermöglicht die Orthogonalisierung von verschiedenen DMRS-Ports in der Code-Domain, wobei die DMRS-Sequenzen zu gleichen Zeit-Frequenz-Ressourcen gemappt werden. Für FD-OCC werden Hadamard- und Diskrete-Fourier-Transforms (DFT)-Ansätze untersucht. Ergebnisse aus Linklevel-Simulationen belegen, dass die erweiterten FD-OCC Ansätze eine ähnliche Performance wie die vorhandenen Rel. 15 Strukturen bzgl. der Kanalschätzung aufweisen. Eine dünnbesetzte Allokation der DMRS führt zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit bei Kanälen mit hohem Delay-Spread. Der Vergleich verschiedener FD-OCC-Längen für verdichtete DMRS-Strukturen mit Rel.15-Länge-2-OCC-Sequenz über verschiedene Interferenzniveaus hinweg wird ebenfalls in der Arbeit vorgestellt, um den Einfluss der Interferenz auf die verwendete OCC-Art und -Länge zu analysieren.



Izadi, Adel; Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
VANET-based traffic light management for an emergency vehicle. - In: Ubiquitous networking, (2023), S. 129-137

Wireless communications have affected our lifestyle in the last decades. It is helpful to improve quality of life for communities. Communications among vehicles usually take place in vehicular ad-hoc networks (VANETs). Vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) communications are aspects of communications in the transportation which are growing rapidly. They can play a pivotal role in the transportation field. Management of traffic lights (TLs) is crucial to control traffic flow especially at an intersection. The goal of this paper is to manage the TLs at an intersection when an emergency vehicle (EV) is approaching. First, we simulate an intersection which includes TLs via simulation of urban mobility (SUMO). Later, we simulate VANETs communication to manage the TLs at the intersection when the EV is coming with the help of objective modular network testbed in C++ (OMNeT++) and vehicles in network simulation (Veins). Finally, the impact of V2I communication on delivery efficiency of the emergency service is investigated. Simulation results show an improvement in delivery efficiency of the emergency service.



Bräunlich, Niklas; Wagner, Christoph; Sachs, Jürgen; Del Galdo, Giovanni
Configurable pseudo noise radar imaging system enabling synchronous MIMO channel extension. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 23 (2023), 5, 2454, insges. 27 S.

In this article, we propose an evolved system design approach to ultra-wideband (UWB) radar based on pseudo-random noise (PRN) sequences, the key features of which are its user-adaptability to meet the demands provided by desired microwave imaging applications and its multichannel scalability. In light of providing a fully synchronized multichannel radar imaging system for short-range imaging as mine detection, non-destructive testing (NDT) or medical imaging, the advanced system architecture is presented with a special focus put on the implemented synchronization mechanism and clocking scheme. The core of the targeted adaptivity is provided by means of hardware, such as variable clock generators and dividers as well as programmable PRN generators. In addition to adaptive hardware, the customization of signal processing is feasible within an extensive open-source framework using the Red Pitaya® data acquisition platform. A system benchmark in terms of signal-to-noise ratio (SNR), jitter, and synchronization stability is conducted to determine the achievable performance of the prototype system put into practice. Furthermore, an outlook on the planned future development and performance improvement is provided.



https://doi.org/10.3390/s23052454
Neural network based DoA estimation for distributed sensors. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023

In dieser Bachelorarbeit wird die Winkelschätzung durch Datenfusion von räumlich getrennten, inkohärenten Radarsensoren untersucht. Im ersten Schritt wurde der Ansatz im Proof of Concept Kapitel validiert und ein dichtes, mehrlagiges Netzwerk wurde ausgewählt. Die Szenarien wurden einfach gehalten, um weiteres Verkomplizieren zu ermöglichen, wenn der Ansatz vielversprechende Ergebnisse erzielt. Danach wurden verschiedene Netzwerk-Layouts getestet, in denen die Größe der Lagen verändert wurde und Dropout-Lagen hinzugefügt wurden. Die Ergebnisse für Szenarien mit einem Ziel sahen vielversprechend aus, der Fehler war konstant niedrig. Das führte zu der Einführung eines zweiten Zieles, was das Ergebnis sofort verschlechterte. Zusammenfassend war die Leistung schlechter, als die gewöhnlicher Winkel-Schätz-Algorithmen. Um die Ergebnisse zu verbessern, wurde dem Netzwerk Distanz-Information hinzugefügt, was die Ergebnisse nicht gravierend verbesserte. Die verschiedenen Ansätze und deren Leistung wird am Ende evaluiert.



Investigation of Kubernetes-based Fault-Protection in Distributed Automotive Applications. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In der Automobilindustrie werden verschiedene architektonische Sicherheitsmuster entwickelt, um sicherheitskritische Systeme zu entwerfen. Bei autonom fahrenden Fahrzeugen (ADV) entwickeln sich die Fahrzeugsysteme vom Fahrer zum fahrerlosen System. Daher ist die Sicherheit eine der wichtigsten Anforderungen von ADV. Bei ADV kann es zu Situationen wie Sensor- oder Softwarefehlern kommen, die die Funktionalität des Fahrzeugs beeinträchtigen. Dieser Fehler muss rechtzeitig behoben werden, um einige der Risikobedingungen zu entschärfen. Dies kann mit dem Anwendungsfall des telegesteuerten Fahrens geschehen, bei dem die Kontrolle des Fahrzeugs vom Fahrzeug auf den menschlichen Fahrer übertragen wird. Die zugrundeliegenden Technologien erfüllen jedoch noch nicht die Sicherheitsanforderungen. Darüber hinaus verwenden technologische Fortschritte wie softwaredefinierte Fahrzeuge (SDV) eine Cloud-basierte Anwendungsentwicklung von Fahrzeugsoftware unter Verwendung containerbasierter Technologien. Kubernetes (K8s) ist eine Orchestrierungslösung, die containerisierte Anwendungen verwalten kann. Sie wurde jedoch ursprünglich nicht für Sicherheitsanwendungen entwickelt und entspricht nicht den Sicherheitsaspekten der ADV. Um den Sicherheitsaspekten der ADV gerecht zu werden, wurde ein Konzept entwickelt, das das M-aus-N-Sicherheitsmuster in K8s realisiert. Zunächst werden die Sicherheit im Automobilbereich, der Anwendungsfall des telegesteuerten Fahrens und dessen Sicherheitsanforderungen, K8s und deren Eigenschaften sowie die Sicherheitsmuster im Automobilbereich vorgestellt. Darüber hinaus werden die sicherheitsunterstützenden Merkmale von K8s analysiert, um die Sicherheitsmuster innerhalb von K8s zu realisieren, indem die Sicherheitsanforderungen des Anwendungsfalls des ferngesteuerten Fahrens berücksichtigt werden, und es werden ihre Grenzen aufgezeigt. Auf diese Weise wurde ein Konzept zur vollständigen Realisierung des M-aus-N-Sicherheitsmusters innerhalb von K8s erstellt, implementiert und das Konzept anhand von Bewertungsparametern wie End-to-End-Lieferzeit und Fehlererkennungszeit auf seine Leistung hin bewertet. Abschließend wird festgestellt, dass das entwickelte Konzept dazu beiträgt, das M-aus-N-Sicherheitsmuster innerhalb der K8s zu realisieren, und dass es bei Auftreten eines Fehlers die notwendige Fehlerreaktion zur Sicherung der Anwendung ermöglicht. Es erhöht jedoch die Ende-zu-Ende-Lieferzeit, indem es eine Verzögerung verursacht, die die Leistung beeinträchtigt.



He, Tianyu;
Dynamic routing for mobile IoT networks based on software-defined networking. - Ilmenau. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

In unserer Studie entwickelten wir ein drahtloses Sensornetzwerk, das speziell für Pflegeheime ausgelegt ist, um den Komfort und die Gesundheitsüberwachung älterer Menschen zu verbessern. Dieses Netzwerk umfasst tragbare Sensoren für Vitalzeichen und Umgebungssensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, um die spezifischen Bedürfnisse von Pflegeheimen zu adressieren. In Anbetracht der Energiebeschränkungen und Mobilität dieser Sensoren haben wir Software Defined Networking (SDN) integriert, um die Netzwerktopologie effektiv zu verwalten. SDN trennt Steuerungs- und Datenebenen, was eine flexiblere Netzwerkverwaltung ermöglicht und komplexe Rechenaufgaben an den SDN-Controller verlagert. Diese Integration von SDN mit Wireless Sensor Networks (WSN) ermöglicht eine effiziente globale Nachrichtenverwaltung, minimiert den Energieverbrauch und balanciert die Energie der Knoten, um so die Routing-Pfade zum Sink-Knoten im Pflegeheimsystem zu optimieren. Wir führten einen Nachbarschaftserkennungsmechanismus unter den Knoten ein, um die Netzwerkkonnektivität aufzubauen und zu erhalten, und berichteten diese Informationen an den SDN-Controller. Dieses System ermöglicht es dem SDN-Controller, Probleme wie Verbindungsunterbrechungen, Bewegungen mobiler Knoten und Pseudo-Totknoten zu überwachen und anzugehen, wodurch die Netzwerkstabilität erhöht wird. Mit einem variablen Längen-Genetischen Algorithmus (VLGA) wählt unser Netzwerk intelligent Clusterköpfe aus und berechnet Routing-Pfade mit dem Dynamischen Dual-Gewicht Dijkstra-Algorithmus, um Netzwerkressourcen effektiv zu verwalten. Unsere Validierungstests mit Python und Mininet-WiFi zeigten, dass der DDWGA-Algorithmus traditionelle genetische Algorithmen in Bezug auf Energieeffizienz übertrifft, insbesondere bei der Verlängerung der Lebensdauer der ersten und letzten ausfallenden Knoten. DDWGA zeigte auch eine überlegene Netzwerkstabilität und einen geringeren Anteil an Pseudo-Totknoten im Vergleich zum EEHTC-Algorithmus. Zusätzlich bestätigte unsere Implementierung in Mininet-WiFi die Wirksamkeit des Algorithmus in realen Szenarien, obwohl wir eine erhöhte Datenpaket-Overhead aufgrund kürzerer Zyklusperioden feststellten. Unsere Ergebnisse hoben auch die Bedeutung der Knotendichte für die Energieeffizienz hervor, wobei höhere Dichten effizienter waren. In Zukunft zielen wir darauf ab, die Betriebseffizienz unseres Netzwerks weiter zu verfeinern. Die Optimierung der Berichtsfrequenzen der Knoten basierend auf ihrer Geschwindigkeit wird ein Schwerpunkt sein. Auch planen wir, die Mobilität der Knoten als Faktor in den genetischen Algorithmus zur Auswahl der Clusterköpfe einzubeziehen, wobei Knoten mit geringerer Bewegungsgeschwindigkeit eher für die Auswahl des Clusterkopfes in Betracht gezogen werden. Außerdem planen wir, Strategien zur Leistungszuweisung zu erforschen, um das Verhältnis von Pseudo-Totknoten weiter zu reduzieren, möglicherweise durch die Zuweisung unterschiedlicher Anfangsenergieniveaus basierend auf der Nähe der Knoten zum Sink-Knoten. Dieser Ansatz könnte zu einer effizienteren Energienutzung führen und die Gesamtlebensdauer des Netzwerks verlängern.



Wegner, Tim Erich; Gebhardt, Stefan; Del Galdo, Giovanni
Fill level measurements using an M-sequence UWB radar. - In: International journal of microwave and wireless technologies, ISSN 1759-0795, Bd. 15 (2023), 1, S. 74-81

Due to increasingly complex and automated manufacturing processes, the demands on the control parameters of these processes are also increasing. In many applications, such a parameter is the fill quantity, whose precise determination is of ever growing importance. This paper shows with which accuracy and precision an M-sequence ultra-wideband radar can determine levels in small metallic and non-metallic containers with contact-based and contactless measurements. First, the principle of level measurement using guided wave radar is explained and the measurement setup is described. Afterward, the measurement results are shown and discussed. The measurements show that the level can be measured with an accuracy of better than 0.5 mm. In addition, level fluctuations can be detected with a precision of 3 μm. Based on the results of the guided wave radar, the possibilities of volumetric contactless measurement using an electrically small patch antenna are discussed. A particular challenge in contactless level measurement is the high number of multipath components, which strongly influence the accuracy. In addition, there are near-field effects when measuring close to the antenna. Exploiting these near-field effects, an additional method to accurately determine the full state of the container is investigated.



https://doi.org/10.1017/S1759078722000502
Suleimanov, Aidar;
Efficient approaches for HOSVD and coupled HOSVD using randomized sampling with application to biomedical signal processing. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Higher-Order Singular Value Decomposition (HOSVD) und Canonical Polyadic Decomposition (CPD) sind Erweiterungen der Singular Value Decomposition (SVD) für mehrdimensionale Daten. Diese Methoden finden Anwendung bei verschiedenen medizinischen Problemen, z.B. bei der Analyse der Reaktion des menschlichen Gehirns auf Stimulationen. Die Methoden haben jedoch auch eine beträchtliche Rechenkomplexität, die in Verbindung mit der großen Dimensionalität real gemessener Daten zu einer beträchtlichen Verarbeitungszeit führt. Es gibt jedoch Möglichkeiten, die Berechnung von HOSVD und CPD zu beschleunigen. In dieser Arbeit untersuchen und erforschen wir einen dieser möglichen Ansätze, die Zufallsauswahl. Die Hauptidee dieser Methode besteht darin, einige Teile der Daten vor den zeitaufwändigsten Schritten der HOSVD- und CPD-Algorithmen zu verwerfen. Die Hauptvorteile dieser Methode sind die Einfachheit und die Möglichkeit, die Menge der verworfenen Daten und die Stichprobenstrategie manuell zu konfigurieren, wodurch ein flexibles Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Zeit erreicht werden kann. Wir schlagen zwei Sampling-Varianten vor und implementieren diese Methoden in verschiedene Tensor-Zerlegungen, z.B. HOSVD, SECSI usw. Die erste Variante ist das Uniform Sampling, das eine gleichmäßige Wahrscheinlichkeitsverteilung zur Komprimierung der Daten verwendet. In dieser Arbeit gehen wir davon aus, dass nur ein kleiner Teil der real gemessenen Daten einen Wert für die weitere Analyse hat. Wir gehen auch davon aus, dass diese Bedeutung bewertet werden kann. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache ist die zweite vorgeschlagene Methode das euklidische Längensampling, das die zu verarbeitenden Daten nach ihrer Wichtigkeit auswählt. Um die Leistung der vorgeschlagenen Methoden zu bewerten, wurden mehrere Simulationen mit synthetischen Daten durchgeführt. Schließlich testen wir diese Algorithmen an real gemessenen biomedizinischen EEG-MEG-Daten. Die Ergebnisse der modifizierten Algorithmen und ihre Analyse werden im Vergleich mit den ursprünglichen Methoden.



Ahuja, Bhavya;
Improving Green Cloud Computing by Applying Metaheuristics. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Cloud Computing ist eine effiziente Methode zur Verwaltung von Ressourcen und zur Bereitstellung von Diensten in einer mobilen Umgebung. Es ist jedoch wichtig, energieeffiziente Methoden für den Betrieb eines Systems zu wählen, um während der gesamten Lebensdauer des Geräts zur Nachhaltigkeit beizutragen. An dieser Stelle entsteht der Bedarf an Green Cloud Computing. Green Cloud Computing ist eine Technologie zur energieeffizienten Nutzung einer Cloud-Computing-Umgebung. Da beim Cloud Computing die Virtualisierungstechnologie eingesetzt wird, um ein nahtloses Arbeiten zu gewährleisten, wird ein Übermaß an Energie verschwendet, wenn diese virtuellen Maschinen (VMs) in einer überlasteten und unterlasteten Umgebung arbeiten. Daher müssen die VMs auf eine physische Maschine (PM) migriert werden, die für diese Operationen besser geeignet ist. Beim Verschieben von VMs von einer PM zu einer anderen geht viel Energie verloren. Wenn diese Migrationen nicht effizient durchgeführt werden, führt dies zu noch mehr Migrationen und damit zu unnötiger Energieverschwendung. Das Ziel dieser Forschungsarbeit "Verbesserung des Green Cloud Computing durch Anwendung von Metaheuristiken" ist die Schaffung einer energieeffizienten VM-Verwaltungsumgebung. In dieser Arbeit wird ein Fuzzy Inference System implementiert, um Benutzerinformationen zu sammeln und physische und virtuelle Maschinen nach Bedarf zu planen, um die Erfüllung von Dienstgüte (QoS) und Dienstvereinbarungen (SLA) zu gewährleisten. Darüber hinaus wird ein neuartiger Optimierungsalgorithmus, der Komodo Mlipir Algorithmus (KMA), eingesetzt, um virtuelle Maschinen durch VM-Migration und -Konsolidierung zu regulieren. Die implementierte Arbeit wird mit einer bestehenden Methode verglichen, die einen Virtual Machine Scheduling-Modified Clonal Search Algorithm (VMS-MCSA) verwendet, der einen zufälligen Mutationsoperator verwendet, um die VMs mit dem erforderlichen Planungsintervall umzuplanen, um die Dynamik der Arbeitslast innerhalb der minimalen VM-Migrationen zu verwalten. Mit der Anpassung des Komodo-Mlipir-Algorithmus ist diese Forschungsarbeit in der Lage, eine geringere Migrationszeit zwischen VMs aufgrund eines höheren Optimierungsniveaus zu erreichen, und erreicht damit, eine erhebliche Menge an Energie im Prozess der Konsolidierung als Ergebnis der optimierten Migration zu sparen.



Han, Xiao;
Energy efficient routing in software-defined wireless sensor networks (SDWSN). - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Als grundlegender Bestandteil des Internet of Things (IoT)-Ökosystems haben WSN in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit erhalten. Aufgrund der Einschränkungen des Sensors selbst ist die Anwendung von WSN jedoch begrenzt. Als neue Netzwerktechnologie und Netzwerkparadigma hat SDN in den letzten Jahren einen großen Einfluss auf die Leistungsverbesserung von Netzwerkstrukturen gehabt. Dies beweist, dass es ein Anwendungspotenzial im Bereich der WSNs hat. Es gibt zwar einige Studien über SDWSN, aber kein allgemeines Schema. Derzeit ist eines der Hauptprobleme von SDWSN die Energieeffizienz. In dieser Arbeit wird ein durch den K-Means-Algorithmus und den DFS-Algorithmus modifiziertes SDWSN vorgeschlagen, das die Energieeffizienz umfassend verbessert. Im Vergleich zu anderen Algorithmen werden die Vor- und Nachteile aufgezeigt.



Weise, Konstantin; Numssen, Ole; Kalloch, Benjamin; Zier, Anna Leah; Thielscher, Axel; Haueisen, Jens; Hartwigsen, Gesa; Knösche, Thomas R.
Precise motor mapping with transcranial magnetic stimulation. - In: Nature protocols, ISSN 1750-2799, Bd. 18 (2023), S. 293-318

We describe a routine to precisely localize cortical muscle representations within the primary motor cortex with transcranial magnetic stimulation (TMS) based on the functional relation between induced electric fields at the cortical level and peripheral muscle activation (motor-evoked potentials; MEPs). Besides providing insights into structure-function relationships, this routine lays the foundation for TMS dosing metrics based on subject-specific cortical electric field thresholds. MEPs for different coil positions and orientations are combined with electric field modeling, exploiting the causal nature of neuronal activation to pinpoint the cortical origin of the MEPs. This involves constructing an individual head model using magnetic resonance imaging, recording MEPs via electromyography during TMS and computing the induced electric fields with numerical modeling. The cortical muscle representations are determined by relating the TMS-induced electric fields to the MEP amplitudes. Subsequently, the coil position to optimally stimulate the origin of the identified cortical MEP can be determined by numerical modeling. The protocol requires 2 h of manual preparation, 10 h for the automated head model construction, one TMS session lasting 2 h, 12 h of computational postprocessing and an optional second TMS session lasting 30 min. A basic level of computer science expertise and standard TMS neuronavigation equipment suffices to perform the protocol.



https://doi.org/10.1038/s41596-022-00776-6
Chaithanya, Yeram;
Joint Simulation of Josephson Junctions and Memristors in Standard Circuit Analysis Program. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Josephson-Kontakte sind in der Quantenwissenschaft und -technik weit verbreitet. Häufig werden sie als Schaltelemente mit sehr geringem Stromverbrauch verwendet und bilden die Grundlage von Schaltkreisfamilien für die Informationsverarbeitung/Signalverarbeitung. Darüber hinaus werden Josephson-Kontakte auch in der ultraschnellen Elektronik, den so genannten Rapid Single-Flux Quantum (RSFQ)-Schaltungen, in Detektorsystemen für hochempfindliche Magnetfeldmessungen oder bei Hochfrequenzstrahlung eingesetzt. Josephson-Kontakte weisen eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie mit einem Schwellenwertverhalten auf. Memristoren sind ebenfalls nichtlineare Schaltungselemente. Die Tatsache, dass ein Memristor seinen Zustand auch dann beibehält, wenn er von der Stromversorgung getrennt wird, deutet darauf hin, dass er für die Schaffung von nichtflüchtigen Speichern mit ultrahoher Kapazität verwendet werden könnte. Neben der Nichtflüchtigkeit verfügen Memristoren über weitere attraktive Eigenschaften wie eine einfache physikalische Struktur, hohe Dichte, geringen Stromverbrauch und unbegrenzte Lebensdauer, die dieses Bauelement für eine breite Palette von Anwendungen geeignet machen. Die Hinzufügung ihrer Fähigkeit, einen Speicher zu bilden, zu Josephson-Schaltelementen eröffnet eine vielversprechende Option für kompakte Schaltungen zur Signal-/Informationsverarbeitung. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Memristor-Modell mit dem Simulationstool LTspice simuliert und verifiziert. Als nächstes wird das Resistively and capacitively Shunted Josephson junction model (RCSJ) implementiert und mit dem Schaltungsanalyseprogramm LTspice untersucht. Durch das Ersetzen des Widerstands im RCSJ-Modell durch einen Memristor wird ein neues Modell entwickelt und mit Hilfe mehrerer Analyse-Setups untersucht. Der besondere Fokus liegt darauf, wie sich die Modellparameter auf die Schaltgeschwindigkeit, die Schaltungskomplexität und den Einfluss des Memristors auf den Josephson-Kontakte auswirken.



Müller, Jens; Hein, Matthias; Supreeti, Shraddha; Stehr, Uwe
Compact, high-performance and highly integrated faint pulse source at 850 nm :
i-FPS - Kompakte, performante und hoch-integrierte Faint Pulse Source bei 850 nm; Teilvorhaben: E/O-Hardware-Plattform für Faint Pulse Sources : Abschlussbericht FKZ: 50 YH 2121 : Laufzeit: 01.08.2021-31.05.2022 (Phase 1). - Ilmenau : Technische Universität Ilmenau, [Institut für Mikro- und Nanotechnologien MacroNano]. - 1 Online-Ressource (12 Seiten, 1,10 MB)Unterschiede zwischen dem gedruckten Dokument und der elektronischen Ressource können nicht ausgeschlossen werden

https://edocs.tib.eu/files/e01fb24/187793934X.pdf
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
Chege, Joseph K.; Grasis, Mikus J.; Manina, Alla; Yeredor, Arie; Haardt, Martin
Efficient probability mass function estimation from partially observed data. - In: Conference record of the Fifty-Sixth Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2022), S. 256-262

Estimating the joint probability mass function (PMF) of a set of random variables from partially observed data is a crucial part of statistical learning and data analysis, with applications in areas such as recommender systems and data classification. Recently, it has been proposed to estimate the joint PMF based on the maximum likelihood (ML) of the data, fitted to a low-rank canonical polyadic decomposition (CPD) model of the joint PMF. To this end, a hybrid alternating-directions expectation-maximization (AD-EM) algorithm was proposed to solve the ML optimization problem, consisting of computationally expensive AD iterations followed by an EM refinement stage. It is well known that the convergence rate of EM decreases as the fraction of missing data increases. In this paper, we address the slow convergence of the EM algorithm. By adapting the squared iterative methods (SQUAREM) acceleration scheme to the context of PMF estimation, we propose the SQUAREM-PMF algorithm to speed up the convergence of the EM algorithm. Moreover, we demonstrate that running the computationally cheaper EM algorithm alone after an appropriate initialization is sufficient. Numerical results on both synthetic and real data in the context of movie recommendation show that our algorithm outperforms state-of-the-art PMF estimation algorithms.



https://doi.org/10.1109/IEEECONF56349.2022.10052047
Römer, Florian; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian; Pérez, Eduardo
Compressed Sensing: from big data to relevant data. - In: Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0, (2022), S. 329-352

Though the ever-increasing availability of digital data in the context of NDE 4.0 is mostly considered a blessing, it can turn to a curse quite rapidly: managing large amounts of data puts a burden on the sensor devices in terms of sampling and transmission, the networks, as well as the server infrastructure in terms of storing, maintaining, and accessing the data. Yet, NDE data can be highly redundant so the storage of massive amounts of data may indeed be wasteful. This is the main reason why focusing on relevant data as early as possible in the NDE process is highly advocated in the context of NDE 4.0. This chapter introduces Compressed Sensing as a potential approach to put this vision to practice. Compressed Sensing theory has shown that sampling signals with sampling rates that are significantly below the Shannon-Nyquist rate is possible without loss of information, provided that prior knowledge about the signals to be acquired is available. In fact, we may sample as low as the actual information rate if our prior knowledge is sufficiently accurate. In the NDE 4.0 context, prior knowledge can stem from the known inspection task and geometry but it can also include previous recordings of the same piece (such as in Structural Health Monitoring), information stored in the digital product memory along the products’ life cycle, or predictions generated through the products’ digital twins. In addition to data reduction, reconstruction algorithms developed in the Compressed Sensing community can be applied for enhanced processing of NDE data, providing added value in terms of accuracy or reliability. The chapter introduces Compressed Sensing basics and gives some concrete examples of its application in the NDE 4.0 context, in particular for ultrasound.



Sitdikov, Damir;
Analysis of efficient PMF-based classification approaches with application to healthcare data. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Moderne Algorithmen zur Datenverarbeitung und -klassifizierung erleichtern die Analyse von Big Data in vielen Lebensbereichen. Eine solche Analyse umfasst die Modellierung der den Daten innewohnenden Statistiken und die Aufstellung von Hypothesen über das Auftreten eines Ereignisses auf der Grundlage dieser Statistiken. Die Schätzung der gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsmassenfunktion (PMF) eines Satzes von Zufallsvariablen aus teilweise beobachteten Daten ist das Herzstück des statistischen Lernens und der Datenanalyse. Die gebräuchlichsten Methoden des maschinellen Lernens, wie z. B. neuronale Netze, lassen keine Interpretation des Ergebnisses zu und sind im Wesentlichen so genannte "black boxes''. PMF-Modelle hingegen haben die Eigenschaft, dass ihre Lösungen erklärbar sind und dass sie zusätzliche Informationen zwischen den Merkmalen liefern. Die mehrdimensionalen Daten erfordern die Verwendung von Tensor-Algebra, um die PMF-Schätzung zu erhalten, und es gibt eine große Anzahl von Arbeiten in diesem Zusammenhang. In der aktuellen Literatur wurde jedoch das Verhalten der Tensor-Methoden der PMF-Schätzung bei Klassifizierungsproblemen unter verschiedenen Bedingungen nicht im Vergleich zu traditionellen Klassifizierungsalgorithmen untersucht. In dieser Arbeit bieten wir eine gründliche Untersuchung der Algorithmen durch numerische Simulationen auf synthetisch erzeugten Beobachtungen in verschiedenen Szenarien. Für das Szenario fehlender Prädiktoren verwenden wir mehrfache Imputationen mit Datenauffüllung, um traditionelle Algorithmen mit PMF-Methoden zu bewerten. Darüber hinaus schlagen wir eine Erweiterung eines der PMF-Schätzverfahren namens EM vor, um einzelne Faktormatrizen zu optimieren und so die Berechnungskomplexität und die Anzahl der Iterationen weiter zu reduzieren. Zu diesem Zweck verwenden wir die Konvergenz der gegenseitigen Information (Transinformation) zwischen Prädiktoren und Zielen, die aus der geschätzten PMF abgeleitet werden, als neues Kriterium und zeigen, dass der resultierende Algorithmus eine vergleichbare Genauigkeit wie die in der Literatur beschriebene EM-Methode erreicht. Schließlich evaluieren wir die Algorithmen anhand eines Satzes von realen Gesundheitsdaten zur Identifizierung von Patienten mit Herzerkrankungen und wenden uns dem Problem der Wissensentdeckung zu. Wir erläutern die Vorhersageergebnisse der PMF-basierten Algorithmen sowie die verborgenen Informationen zwischen Prädiktoren und Zielen.



Bhalla, Aditi;
Graph machine learning techniques for routing in wireless V2X communication. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation ist ein wichtiger Bestandteil intelligenter Verkehrssysteme (ITS), die einen integrierten Ansatz für den Austausch relevanter Informationen für eine Vielzahl von Anwendungen wie aktive Verkehrssicherheit, Infotainment und Verkehrsmanagement bieten. Der zuverlässige und rechtzeitige Austausch von Informationen zwischen Fahrzeugknoten ist eine entscheidende Herausforderung bei V2X. In diesem Zusammenhang sind effiziente V2X-Routing-Protokolle unerlässlich, um Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten und gleichzeitig die allgemeine Dienstqualität (QoS) zu verbessern. Ad-hoc-Netze für Fahrzeuge (VANETs) sind aufgrund der hohen Mobilität der Fahrzeugknoten, der unsteten Konnektivität, der schnellen Änderungen der Netztopologie und der unbegrenzten Größe des Netzes starken Schwankungen unterworfen, die die Routing-Leistung erheblich beeinträchtigen können und häufige Aktualisierungen der Routing-Entscheidungen erforderlich machen können. Herkömmliche Routing-Protokolle sind nicht in der Lage, mit den komplexen Merkmalen umzugehen, die in solchen dynamischen Netzen auftreten. In diesem Zusammenhang haben sich Techniken des maschinellen Lernens in letzter Zeit als leistungsfähige Werkzeuge für das Lernen komplexer Aufgaben erwiesen. Reinforcement Learning-Techniken, insbesondere Deep Reinforcement Learning (DRL), können diese Herausforderung meistern, indem sie mit der V2X-Umgebung in Echtzeit interagieren. Aufgrund der graphenstrukturierten VANET-Topologie können traditionelle DRL-Modelle, die für gitterartige Daten entwickelt wurden, jedoch nicht verallgemeinert werden. Daher wird in dieser Arbeit die Leistung einer GNN-basierten DRL-Routing-Strategie über verschiedene V2X-Netzwerktopologien mit Schwerpunkt auf der Optimierung von Datenrate und Latenzzeit bewertet. Darüber hinaus wird die Routing-Leistung des vorgeschlagenen Modells mit einem idealen Routing-Protokoll für den kürzesten Weg verglichen, um die Wirksamkeit der Strategie zu demonstrieren.



Zverev, Gennadii;
Entwurf eines kompakten, energieeffizienten Lärmdosimeters mit integrierter Szenenerkennung und dessen Erprobung in mobilen Anwendungssituationen. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit werden das Konzept und die Implementierung eines Hardware-Software-Systems zur Audiosignalaufnahme, Schalldruckpegelbewertung und Szenenerkennung beschrieben. Die Schwerpunkte der Arbeit sind die Erstellung einer Datenbank von Audiodaten, die Merkmalsextraktion, die Reduktion der Anzahl der Merkmale, die Implementierung eines Klassifikators zur Szenenerkennung basierend auf den Audiodaten, die Auswahl und Optimierung der Parameter des Klassifikatormodells, die Zusammenführung der Pegelbewertung und der Szenenerkennung, die Softwareimplementierung der Algorithmen in einer Hardwareumgebung und die Erprobung dieser Implementierung im Feldversuch. Die Implementierung des Systems und die Ergebnisse der Erprobung des Mess- und Auswertesystems im praktischen Einsatz werden diskutiert und mögliche Verbesserungen abgeleitet. Die Arbeit ist wie folgt aufgebaut. Zu Beginn sind in der Einleitung die Motivation und Zielstellung der Arbeit beschrieben. Im anschließenden Kapitel „2. Grundlagen“ werden wesentliche Zusammenhänge der Grundlagen der Signalverarbeitung, der Pegelberechnung und der Szenenklassifikation erläutert. Im Kapitel „3. Methodik“ werden die Pegelberechnung, die Datensatzerstellung, die Szenenklassifikationsalgorithmen und ihre Implementierung beschrieben. Weiterhin wird auf Ansätze zu Optimierungen der Berechnungen eingegangen. Im Kapitel „4. Echtzeitplattform“ werden verschiedene Hardware-Plattformen hinsichtlich ihrer Eignung für die konkrete Implementierung ausgewertet und ein Entwurf der Systemarchitektur und der Softwarearchitektur erstellt. Im Kapitel „5. Testung in realer Umgebung“ wird auf den Kalibrierungsprozess der Pegelberechnung, den konzipierten und durchgeführten Feldexperiment und die Auswertung der Ergebnisse des Feldexperimentes sowie deren Erkenntnisse und Rückschlüsse eingegangen. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse mit einer Bewertung und der Ableitung von Ansätzen für weiterführende Arbeiten.



Pflantz, Leonhard;
Datenübertragungsverfahren im Wandel : kabellose Kommunikation als echte Alternative?. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Im Zeitalter der Digitalisierung stieg die Relevanz der Thematik Ortsungebundenheit für Datenübertragungen immer weiter an, wodurch insbesondere Kommunikationstechnologien aus dem Bereich der kabellosen Kommunikation aktuell viel Fortschritt durch umfassende Forschung und Weiterentwicklungen erfahren. Die kabellose Kommunikation war jedoch bisher stets mit erheblichen Nachteilen bezüglich der Leistungsdaten gegenüber den kabelgebundenen Lösungen verknüpft, während die Anforderungen an die Datenübertragung für alle Kommunikationstechnologien auch weiterhin schnell ansteigen. Damit die kabellose Datenübertragung eine echte Alternative sein kann, muss diese auch abseits des Vorteils der Ortsungebundenheit konkurrenzfähig sein und darf keine für die Nutzung relevanten Nachteile aufweisen. Um dies zu prüfen, wurden für den Einsatz innerhalb eines Local Area Networks Zielgrößen für die relevantesten Leistungsmerkmale einer Datenübertragung innerhalb des privaten als auch des gewerblichen Bereichs herausgearbeitet. Diese wurden anschließend genutzt, um die aktuell relevantesten kabellosen (Wi-Fi 6; 5G) und kabelgebundenen (Ethernet über Kupferkabel; Ethernet über Glasfaserkabel) Kommunikationstechnologien anhand von theoretischen und auch praktischen, selbst gemessenen Leistungsdaten zu charakterisieren. Ziel dieser Arbeit war es somit, die Forschungsfrage „Kann die kabellose Kommunikation in unterschiedlichen Use Cases den Anforderungen an die Datenübertragung genügen?" zu beantworten. Im Rahmen der Arbeit wurde deutlich, dass die kabellosen Kommunikationstechnologien viel Potenzial bieten, jedoch zum aktuellen Zeitpunkt, im Rahmen der gestellten Anforderungen, noch keine wirklich Alternative sind.



Su, Chang-Yi;
Simulation and Performance Evaluation of Wireless Sensor Networks Based on Software-Defined Networking for the Internet of Things. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Wireless Sensor Networks (WSNs) werden mit dem Aufkommen des Internets der Dinge (IoTs) immer beliebter. Internets der Dinge haben in den letzten Jahren an Attraktivität gewonnen. Es ermöglicht die nahtlose Integration verschiedener Arten von Endgeräten und stellt viele Arten von lokalisierten Informationen bereit, die von verteilten Anwendungen analysiert werden können. Um die Verwaltbarkeit zu verbessern, wurde der Software-Defined Networking (SDN)-Ansatz kürzlich erfolgreich auf des Internets der Dinge-Netzwerke angewendet. Im vorgegebenen Thema einer Masterarbeit soll ein Simulationstool für SDN-basierte Wireless Sensor Networks (WSNs) identifiziert und angewendet werden, um den Nutzen dieses Ansatzes zu evaluieren.



Loeser, Leon;
Integration und Charakterisierung eines optischen Freiraumkommunikations-Systems in ein Mehrband-Soundingsystem. - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Masterarbeit wird ein System zur optischen Freiraumkommunikation im Bereich des Infrarotspektrums in Betrieb genommen, charakterisiert und in ein Mehrkanal-Soundingsystem integriert. Das System besteht aus einem optischen Sender und einem Empfänger und Basisbandsende und -abtasttechnik in Form zweier RedPitaya-Module. Die Charakterisierung besteht aus der Vermessung der Sende- und Empfangsmodule und der Sende- und Empfangstechnik. Anschließend wird die Übertragungsstrecke getestet, indem die Übertragung einer Testwellenform auf Integrität geprüft wird. Verschiedene Synchronisationstechniken zwischen Sender und Empfänger werden evaluiert und die ausgewählte Technik implementiert. Abschließend wird das System in ein bestehendes Mehrkanal-Soundingsystem integriert.



Ahmed, Shayan; Gedschold, Jonas; Wegner, Tim Erich; Sode, Adrian; Trabert, Johannes; Del Galdo, Giovanni
Labeling custom indoor point clouds through 2D semantic image segmentation. - In: 2022 Sixth IEEE International Conference on Robotic Computing, (2022), S. 261-264

For effective Computer Vision (CV) applications, one of the difficult challenges service robots have to face concerns with complete scene understanding. Therefore, various strategies are employed for point-level segregation of the 3D scene, such as semantic segmentation. Currently Deep Learning (DL) based algorithms are popular in this domain. However, they require precisely labeled ground truth data. Generating this data is a lengthy and expensive procedure, resulting in a limited variety of available data. On the contrary, the 2D image domain offers labeled data in abundance. Therefore, this study explores how we can achieve accurate labels for the 3D domain by utilizing semantic segmentation on 2D images and projecting the estimated labels to the 3D space via the depth channel. The labeled data may then be used for vision related tasks such as robot navigation or localization.



https://doi.org/10.1109/IRC55401.2022.00050
Hintermaier, Amelie Johanna;
Entwurf einer kompakten, energieeffizienten, frei programmierbaren Hörgeräteplattform zur praxisnahen Erprobung audiologischer Algorithmen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek. - 1 Online-Ressource (xiv, 109 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2022

Derzeit leidet rund 19 % der Weltbevölkerung an Hörverlust. Dieser Anteil wird Prognosen zufolge in den nächsten Jahrzehnten weiter steigen. Die Beeinträchtigung des Hörvermögens geht zusätzlich mit gravierenden negativen Auswirkungen einher. Dazu zählen eine verringerte soziale Interaktion bis hin zur Isolation, Einfluss auf die psychische und sogar physische Gesundheit, der Zugang zu Bildung und eine dekrementierende Lebensqualität. Diese Folgeerscheinungen stellen einschneidende Belastungen für die Personen dar, aber auch für die Gesellschaft. Es bedarf daher einer Verbesserung der Versorgung von Hörverlust. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit eine portable Forschungs- und Entwicklungsplattform implementiert. Diese Plattform kann als Hilfsmittel für die Entwicklung und praxisnahe Erprobung von entsprechenden Audiosignalverarbeitungsalgorithmen genutzt werden. Die Hardware des Geräts wird in dieser Arbeit weitgehend herstellerunabhängig entworfen. Zu testende Algorithmen können in der Programmiersprache C geschrieben werden. Eine möglichst hohe Adaptabilität zwischen der Funktionsweise, aber auch den Restriktionen sowie dem technischen Umfang in einer Hörhilfe wie einem Hörgerät und der Entwicklungsplattform wird sichergestellt. Damit wird die Übertragbarkeit von Erkenntnissen und Entwicklungsarbeiten auf zukünftige Hörhilfen, die bei einer Versorgung eingesetzt werden, gewährleistet. Für die Implementierung einer solchen Plattform wird auf Basis eines Lastenhefts ein Systementwurf erstellt und konkretisiert, bevor ein Schaltplanentwurf sowie dessen Erprobung in Form eines funktionalen Tischaufbaus und ein Leiterplattendesign für eine portable, kosteneffiziente Lösung erfolgen. Ein erster Gehäuseentwurf ermöglicht die Implementierung einer Gesamtlösung, die in natürlicher Geräuschumgebung erprobt und genutzt werden kann. Der Prototyp wird geprüft, die korrekte Funktionsweise sichergestellt und das System mit ausgewählten elektrischen sowie elektroakustischen Eigenschaften charakterisiert. Mit dieser Arbeit wird versucht, einen Beitrag für diese gesellschaftliche Herausforderung zu leisten sowie die Lebensqualität der geschädigten Personen auf lange Sicht zu steigern, indem die Entwicklung fortschrittlicher Signalverarbeitung von Audiosignalen für die Versorgung von Hörverlust unterstützt wird. Wissenstransfer sowie interdisziplinäre Zusammenarbeit soll vereinfacht und die Akzeptanz von Hörhilfen durch technischen Fortschritt verbessert werden.



https://doi.org/10.22032/dbt.55694
Herath, Vimukthi;
Investigation of radio channel transitions in urban V2I scenarios based on measurement and simulation data. - Ilmenau. - 115 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Das Design von neuen Anwendungen in V2X-Kommunikation verlangt umfangreiche Kenntnisse über den Funkkanal. Bei der V2X-Kommunikation erfährt der Kanal angesichts der hohen Mobilität der kommunizierenden Knoten schnelle und möglicherweise signifikante Änderungen. Die auffälligsten Änderungen sind Übergänge zwischen verschiedene Ausbreitungszuständen, wie vom Line-of-Sight (LoS) zum Non-Line-of-Sight (NLoS) und umgekehrt. Abgesehen davon sind auch Übergänge innerhalb des NLoS Zustandes zu beobachten, wenn das Fahrzeug von einer schmalen Straße auf eine Kreuzung oder einer Hauslücke fährt. Bisher beinhalten nur wenige Kanalmodelle solche Übergänge. Das Ziel dieser Abschlussarbeit ist Untersuchungen zu diesen Transitions detailliert durchzuführen, wobei Messdaten und Simulationsdaten verwendet werden, die durch Funkkanalmessungen bzw. Raytracing-Software gesammelt werden. Darüber hinaus wird der Einfluss der Umgebung auf den Verlauf von Übergängen analysiert und verschiedene Möglichkeiten ihrer Modellierung untersucht, um sie in zukünftige Kanalmodelle miteinbeziehen zu können.



Müller, Erik;
Computation of electric field induced by transcranial magnetic stimulation using the surface charge simulation method. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Aufgabe: Verbessere die Surface Charge Simulation Method (SCSM) mit einer Fast Multipole Method für das induzierte elektrische Feld und optimiere die Berechnung der Ladungsverteilung durch GPU Umsetzung für Transcraniale Magnetische Stimulation (TMS). Ergebnisse: Die Methode wurde in eine Python-Pipeline eingebunden und das mit dem induzierten elektrischen Feld einer analytischen Lösung für eine einschichtige Kugel und eine Kugel aus fünf isotropischen Schichten verglichen wurde. Die Genauigkeit für ein praktisches Beispiel wurde zudem durch einen Vergleich mit der state-of-the-art FEM Software SimNIBS auf einem realistischen Kopfmodell gezeigt. Die Simulationen dieser Fälle demonstrierten, dass für die Kugelmodelle ein normalized root mean squared error von 1% - 4% mit der Standard SCSM erreicht werden kann, es aber für das realistische Kopfmodell inakkurat ist. Erkenntnis: Es wurde eine Methode zur schnellen SCSM Berechnung, mit weniger als 10 GB RAM Verbrauch, für die Benutzung auf einem Standard-Computer entwickelt. Für praktische Anwendung bei TMS wird geraten, das elektrische Feld eines gleichmäßig geladenen Dreiecks für Nah-Feld-Berechnungen zu nutzen, statt eines Feldes, dass durch Punktladungen erzeugt wurde.



Al Abdulrahman, Shahoud;
IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network (6LoWPAN) für den Einsatz im Smart Home. - Ilmenau. - 47 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Das Internet der Dinge ist ein entwickeltes Konzept des Internets, bei dem alle Dinge in unserem Leben mit dem Internet oder untereinander verbunden werden können, um Daten zu senden und zu empfangen und bestimmte Funktionen über das Netzwerk durchzuführen. So erfreut sich das Smart Home immer größerer Beliebtheit, bei dem verschiedenen technischen Einrichtungen im Haus vernetzt werden, um das Leben angenehmer zu machen. Diese Arbeit untersucht die Eignung von 6LoWPAN für den Einsatz in Smart Home. 6LoWPAN ist ein Akronym für Internet Protokoll Version 6 über drahtloses Netzwerk mit geringem Energieverbrauch. In dieser Arbeit wurden Simulationswerkzeuge wie OPNET, OMNET++,ns2, ns3, COOJA recherchiert und COOJA als Simulationswerkzeug ausgewählt, in dem die 6LoWPAN-Implementierung durchgeführt wurde.



Obodo, Christopher Nnmadi;
Precise Indoor Positioning Based on Bluetooth Low Energy 5.1 for the Internet of Things. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Der Wunsch nach einer präzisen Verfolgung von Objekten in Innenräumen wurde seit der Erfindung der Außenortung nicht mehr befriedigt. Mit der Einführung von IoT-basierten Lösungen in immer mehr Branchen ist diese Nachfrage noch gestiegen. Ein Outdoor-Positionierungssystem funktioniert in Innenräumen aufgrund von Dämpfungen durch Reflexionen an Wänden und engen Bereichen nicht. Dieses Problem wurde auf verschiedene Weise angegangen, von der Einführung von Infrarot bis hin zur Verwendung anderer neuerer drahtloser Technologien. Wir haben jedoch eine Lösung vorgeschlagen, die sich auf die Nutzung von \ac{BLE} konzentriert, da diese kostengünstig ist, nur minimale Energieanforderungen hat und in den meisten bereits verwendeten intelligenten Geräten verfügbar ist. Um besser zu verstehen, welche Platzierung für die betrachtete Region ideal ist, haben wir die Grenzen des eigenständigen \ac{BLE}-Moduls in den Ankern durch Verschieben bewertet. Wir wendeten die Nullhypothese auf die generierten Daten jedes Experiments an, um deren Unterschied zu bestätigen, was positiv ausfiel, um zu bestätigen, dass die Änderungen der Platzierung für die Ergebnisse verantwortlich waren. Schließlich sind die berechnete Kreisfehlerwahrscheinlichkeit und der Schätzfehler kleiner als $0,5m$. Die erzielten Ergebnisse zeigten eine optimale Platzierung der Anker, wodurch eine zufriedenstellende Position im Innenraum erreicht wurde. Dies zeigte auch, dass das \ac{BLE}-Modul genau und erfolgreich in der Sichtlinie arbeitete.



Vintimilla, Renato Zea; Lorenz, Mario; Landmann, Markus; Del Galdo, Giovanni
Emulation of electromagnetic plane waves for 3D antenna pattern estimation. - In: 2022 IEEE 96th Vehicular Technology Conference:(VTC 2022-Fall), (2022), insges. 6 S.

With the fast development of wireless devices, over-the-air (OTA) testing is becoming the preferred method among developers and manufacturers of wireless equipment. The ability to recreate a scenario under controllable and repeatable conditions keeps the method under constant development, providing new features that increase the realism during the tests. A recent proof of that is the integration of 3D wave field synthesis (3DWFS) to OTA testing, which becomes a significant step to accurately emulate wireless scenarios within a controlled environment.In this context, this contribution improves the OTA system calibration for 3DWFS; efficiently increasing the emulation quality of electromagnetic plane waves impinging from any angular position within an anechoic chamber. In fact, this enhancement implicitly delivers a new method for accurate estimation of the antenna radiation pattern in 3D. This is not only a highly demanded application among antenna manufacturers but in this case also proves the validity of the results and consolidates the integration of 3DWFS to OTA testing.



https://doi.org/10.1109/VTC2022-Fall57202.2022.10013008
May, Thomas;
Intelligente Alarmverarbeitung und Filterung zur Effektivierung des Netzwerkmanagements auf Basis standardbasierter Systeme. - Ilmenau. - 121 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2022

Die Funktionstüchtigkeit und Stabilität ist eine wesentliche Voraussetzung für den Betrieb eines Kommunikationsnetzes. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Standards für das Monitoring und Netzwerkmanagement in Unternehmensnetzwerken und weiterführend mit einer praktischen Implementierung einer Monitoringlösung in der TEAG-Gruppe. Anfänglich wird das Thema Monitoring und Netzwerkmanagement theoretisch aufgearbeitet und im Kontext von Unternehmensnetzwerken der aktuelle Stand der Technik beleuchtet. Dabei wird die grundlegende Managementarchitektur dargestellt und der Einsatz des funktionalen Modells der ISO (FCAPS) beschrieben. Im Anschluss erfolgt die Untersuchung der verschiedenen Netzbereiche im Unternehmensnetzwerk der TEAG-Gruppe hinsichtlich der aktuellen Umsetzung von Monitoring und Netzwerkmanagementaufgaben. Diesbezüglich bestehende Probleme werden dargestellt. Ein Augenmerk liegt dabei auf der eingesetzten Software-defined Networking-Lösung Cisco ACI™ im Rechenzentrum. Der praktische Teil umfasst die Ausarbeitung eines Konzeptes für eine neue Monitoringlösung. Dafür erfolgt eine Evaluierung mit Hilfe einer Vergleichsmatrix, welche auf Basis bestehender Probleme und weiterer definierter Anforderungen erstellt wurde. Abschließend wird die Fehlerüberwachung der Cisco ACI™ mit automatischer Weiterleitung von Alarmmeldungen über verschiedene Kommunikationswege an das Network Management Center und den Bereitschaftsdienst realisiert.



Poßner, Lucas; Wilhelmy, Florian; Wegner, Sebastian; Müller, Sophie; Pliquett, Uwe; Knösche, Thomas R.; Weise, Konstantin; Lindner, Dirk
Effect of contact pressure on porcine postmortem brain tissue impedance. - In: Proceedings of International Workshop on Impedance Spectroscopy, IWIS 2022, (2022), S. 36-40

In this experimental study we demonstrate the influence of contact pressure on porcine postmortem brain tissue impedance using a movable electrode array and a load cell. We show that the variation of the contact pressure between the tissue and the measurement probe leads to a coefficient of variation in the measured impedance of under 3%. Its influence can therefore be neglected in the investigated use case. Further, we fit the measured impedances to an equivalent circuit model and compare the resistance of grey and white matter brain tissue based on the model parameters.



https://doi.org/10.1109/IWIS57888.2022.9975122
Samadi, Raheleh; Seitz, Jochen
Machine learning routing protocol in mobile IoT based on software-defined networking. - In: 2022 IEEE Conference on Network Function Virtualization and Software Defined Networks, (2022), S. 108-111

The Internet's pervasive influence in all aspects of life has caused the number of heterogeneous devices connected to this network to grow exponentially. As a result, recognizing these devices and their management has led to the emergence of a new paradigm called the “Internet of Things” (IoT). Sensor networks are the essential pillar of the Internet of Things. Due to their low cost and ease of deployment, they can be implemented in a structured or unstructured way in a dynamic physical environment to manage and monitor the dynamic conditions of the desired area in various applications. Nevertheless, what is noteworthy in this regard is the limited resources of sensor networks, which cannot meet the diverse needs of the Internet of Things, so appropriate solutions must be adopted to some challenges, such as scalability and routing in dynamic topologies. Against this challenge, the SDN paradigm has attracted massive attention because it is possible to add new capabilities to networks with limited resources to reduce the overhead caused by processing and computing in sensor nodes and delegate these energy-consuming tasks to the controller. On the other hand, machine learning techniques have also shown their ability to optimize routing and increase the quality of service, reliability, and security by using statistics and information obtained from these networks. However, less research has addressed sensor nodes' mobility and challenges in resource-constrained IoT networks.



https://doi.org/10.1109/NFV-SDN56302.2022.9974791
Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Versatile safe autonomous intersection management protocol for heterogeneous connected vehicles. - In: 2022 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), (2022), insges. 7 S.

In this paper, we employ a novel safe centralized intersection management (IM) scheme for heterogeneous classes of connected vehicles such as passenger vehicles (PVs), buses, vans, trucks, emergency vehicles (EVs), trams and also vulnerable road users (VRUs) including motorcycles, bicycles, and moped. A rule-based algorithm undertakes safe coordination using different criteria such as intersection traffic rules, vehicle types and road priorities. Besides, in the proposed system, dynamics and behavior of the road users, which might be totally distinct, are taken into account. These underlying characteristic behaviors comprise of reaction distance $(D_r)$, stopping distance $(D_s)$, braking distance $(D_b)$, braking lag distance $(D_bl)$ as well as deceleration (d) and velocity (v) of the vehicles in an urban environment. In addition, special lanes for cyclists and tram tracks are considered in the layout. Furthermore, in order to more properly image the realistic traffic situations, we have integrated the impact of various road conditions in our system in terms of dry, wet, snowy, and icy. Performance of the system is analyzed in several sparse and dense traffic situations with respect to different criteria such as speed and travel time. Additionally, efficiency is also compared to traditional intersection management systems like traffic lights (TLs).



https://doi.org/10.1109/VPPC55846.2022.10003461
Korobkov, Alexey Alexandrovich; Diugurova, Marina Konstantinovna; Haueisen, Jens; Haardt, Martin
Robust multi-dimensional model order estimation using LineAr Regression of Global Eigenvalues (LaRGE). - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 70 (2022), S. 5751-5764

The efficient estimation of an approximate model order is very important for real applications with multi-dimensional low-rank data that may be corrupted by additive noise. In this paper, we present a novel robust to noise method for model order estimation of noise-corrupted multi-dimensional low-rank data based on the LineAr Regression of Global Eigenvalues (LaRGE). The LaRGE method uses the multi-linear singular values obtained from the HOSVD of the measurement tensor to construct global eigenvalues. In contrast to the Modified Exponential Test (EFT) that also exploits the approximate exponential profile of the noise eigenvalues, LaRGE does not require the calculation of the probability of false alarm. Moreover, LaRGE achieves a significantly improved performance in comparison with popular state-of-the-art methods. It is well suited for the analysis of noisy multidimensional low-rank data including biomedical signals. The excellent performance of the LaRGE method is illustrated via simulations and results obtained from EEG recordings.



https://doi.org/10.1109/TSP.2022.3222737
Stema, Henri;
Deep reinforcement learning-based optimization of function splitting in private 5G campus Networks. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Functional Split (FS) befasst sich mit der Aufgabenteilung zwischen den verschiedenen Geräten, basierend auf ihren Fähigkeiten. Ein wichtiger Aspekt von FS ist das Computation Offloading (CO), das sich auf die Übertragung schwerer Rechenaufgaben von hardwarebegrenzten Geräten (Clients) [GPU, CPU, RAM, Speicher] auf leistungsfähigere (Server) bezieht. Das Ziel von CO besteht darin, entweder die Gesamtausführungszeit aller Apps zu reduzieren, den Stromverbrauch der Client-Geräte zu reduzieren oder eine Kombination aus beidem. Cloud Computing (CC) ist eine mögliche Technologie, die in CO verwendet werden kann, aber da die Entfernung zwischen den Clients und Server im Bereich von Hunderten von Kilometern liegt, ist dies für Apps, die eine geringe Latenzzeit erfordern, nicht machbar. Für diese Arten von Apps kann Edge Computing (EC) verwendet werden. EC als Paradigma, kombiniert mit der Entwicklung der 5. Generation (5G), hat die Art und Weise, wie die Daten heutzutage verarbeitet werden, erheblich verbessert. In den letzten Jahren wurde viel geforscht, um einzelne Fragen („Warum“, „Was“, „Wo“, „Wenn/Wann“ und „Wie“) zu beantworten, die für CO entscheidend sind. Da diese Fragestellungen sehr komplex sein können, ist die Implementierung eines Software-Agenten mittels Machine Learning (ML) von größter Bedeutung. Ein Emulationsaufbau, bestehend aus einem Raspberry Pi (RPi) 3B als Client und einem Laptop als Server, wurde verwendet. Als zugrunde liegendes Netz wurde ein echtes 5G-Netz verwendet. Um den Entscheidungsaspekt zu optimieren, wird ein Deep Reinforcement Learning (DRL) Agent implementiert und trainiert. Es wurden verschiedene Tests durchgeführt, um die Leistung unseres Agenten mit der Closed-Form-Lösung und State-of-the-Art-Ansätzen, wie dem zuvor implementierten RL-Agenten, vergleichen zu können. Unser vorgeschlagener DRL-Agent hat gezeigt, dass er die Lösung in geschlossener Form übertrifft, während er auch eine ähnliche Leistung wie der RL-Agent zeigt. Beide ML-Modelle reduzieren die Gesamtfertigstellungszeit aller Apps. Es wurden verschiedene Szenarien in Betracht gezogen und die Größe des für das Training verwendeten Datensatzes schrittweise reduziert. Basierend auf unseren Ergebnissen haben wir bewiesen, dass der DRL-Agent genauso gut abschneidet wie der RL-Agent, während er im Vergleich zu letzterem eine Reihe von Vorteilen hat. Nicht nur die Menge an Trainingsdaten, die zum Trainieren des Agenten benötigt wird, wurde reduziert, sondern wir haben auch eine Lösung, die sowohl auf diskreten als auch auf kontinuierlichen Zustandsräumen funktioniert. Während der RL-Agent nur Entscheidungen für Zustände treffen kann, die er zuvor angetroffen hat, kann unser DRL-Agent aufgrund der Einbindung neuronaler Netze auch Entscheidungen für ähnliche Zustände treffen.



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
Meyer, Lukas; Gedschold, Jonas; Wegner, Tim Erich; Del Galdo, Giovanni; Kalisz, Adam
Enhancement of vision-based 3D reconstruction systems using radar for smart farming. - In: 2022 IEEE International Workshop on Metrology for Agriculture and Forestry, (2022), S. 155-159

Digital field recordings are central to most precision agriculture systems since they can replicate the physical environment and thus monitor the state of an entire field or individual plants. Using different sensors, such as cameras and radar, data can be collected from various domains. Through the combination of radio wave propagation and visible light phenomena, it is possible to enhance, e.g., the optical condition of a fruit with internal parameters such as the water content. This paper proposes a method to correct sensor errors to perform data fusion. As an example, we observe a watermelon with camera and radar sensors and present a system architecture for the visualization of both sensors. For this purpose, we constructed a handheld platform on which both sensors are mounted. In our report, the radar is analyzed in terms of systematic and stochastic errors to formulate an angle-dependent mapping function for error correction. It is successfully shown that camera and radar data are correctly assigned with a watermelon used as a target object, demonstrated by a 3D reconstruction. The proposed system shows promising results for sensor overlay, but radar data remain challenging to interpret.



https://doi.org/10.1109/MetroAgriFor55389.2022.9964699
Rai, Vishal Chandraprakash;
Analysis of wireless radio channel measurement data using machine learning. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Erfassung und Bewertung der Eigenschaften des Funkkanals ist für die Entwicklung eines drahtlosen Kommunikationssystems unerlässlich. Die Merkmale, die den Kanal am genauesten charakterisieren können, werden durch die Verarbeitung durch die Verarbeitung von Daten aus Funkkanalmessungen ermittelt. Die nach der Verarbeitung generierten Parameter können je nach den Bedingungen in verschiedene Szenarien unterteilt werden. Um komplexere zugrundeliegende Muster zu finden, werden in dieser Arbeit auch unüberwachtes maschinelles Lernen auf Funkkanalmessdaten verwendet. Hier wird die Struktur mit Hilfe von RIMAX und large-scale Parameterdatensätzen untersucht. Zunächst wird die Kombination verschiedener Datenvorverarbeitungs- und Clustering-Techniken untersucht, und eine solche Kombination wird anhand der Bewertungsmetriken ausgewählt. Dann wird sie für beide Datensätze auf jede Messfahrt einzeln, auf eine Kombination von einigen Messfahrten und auf alle Messfahrten angewendet. Anschließend werden die Daten daraufhin untersucht, ob die ermittelten Muster mit einer bestimmten Umgebung übereinstimmen. Der Vergleich der Ergebnisse derselben Messfahrten ermöglicht es, die Auswirkungen der Verwendung verschiedener Datensätze zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass die Muster des unüberwachten maschinellen Lernalgorithmus für einige Ergebnisse von der Umgebung beeinflusst wurden.



Alshra'a, Abdullah Soliman; Seitz, Jochen
One-dimensional convolutional neural network for detection and mitigation of DDoS attacks in SDN. - In: Machine learning for networking, (2022), S. 11-28

In Software-Defined Networking (SDN), the controller plane is an essential component in managing network traffic because of its global knowledge of the network and its management applications. However, an attacker might attempt to direct malicious traffic towards the controller, paralyzing the entire network. In this work, a One-Dimensional Convolutional Neural Network (1D-CNN) is used to protect the controller evaluating entropy information. Therefore, the CICDDoS2019 dataset is used to investigate the proposed approach to train and evaluate the performance of the model and then examine the effectiveness of the proposal in the SDN environment. The experimental results manifest that the proposed approach achieves very high enhancements in terms of accuracy, precision, recall, F1 score, and Receiver Operating Characteristic (ROC) for the detection of Distributed Denial of Service (DDoS) attacks compared to one of the benchmarking state of the art approaches.



Hofmann, Willi; Schwind, Andreas; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Comparison of angle-dependent scattering of convoluted and straight microwave absorbers. - In: AMTA 2022 proceedings, (2022), insges. 6 S.

The increasing complexity and sensitivity of wireless communication systems enforce the requirements for test environments such as anechoic chambers. The minimum achievable level of interference between desired signal and scattered copies is essentially determined by the reflectivity of the installed absorbers, emphasizing the importance of thoroughly characterizing the scattering behavior of absorbers. In this paper, the scattering off absorbers with different geometric shapes, namely convoluted, pyramidal, wedge, and flat, is investigated using a numerical unit-cell model. To verify the simulation model, the angle-dependent reflectivity of the convoluted absorbers was measured at different angles-of-incidence between 2GHz and 18GHz. The numerical results agree well with the measured reflectivity at representative angles-of-incidence, validating the numerical model and revealing the expected increase in reflectivity for increasing beam tilts. Further, it becomes apparent that the performance of all shapes decreases similarly at oblique incidence. These results contribute to build a comprehensive database on the angle- and frequency-dependent reflectivity of absorbers, in order to develop a consistent data body, e.g., for modelling anechoic environments.



https://doi.org/10.23919/AMTA55213.2022.9955000
Berlt, Philipp; Altinel, Berk; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Emulation of LTE link scenarios reproducibly derived from field-operational tests. - In: AMTA 2022 proceedings, (2022), insges. 6 S.

Virtual drive tests using the over-the-air/vehicle-in-the-loop method are becoming an essential part of testing vehicular radio systems. Different approaches ask which link scenarios and channel environments are relevant and should be tested. This paper deals with the systematic evaluation of field-operational tests and the implementation of virtual drive tests of LTE communication links focussing on the performance of the radio link close to the edges of the radio cells, which are identified as a relevant testing scenario. For this purpose, three test drives were performed on each of two test tracks. Close to cell edges the available data throughput is as much as a factor of 10 lower than the maximum available data throughput along the test track and reduced approximately by half compared to the average data throughput in the cell center. Instead of trying to recreate the entire test drive with high accuracy, this approach focusses on recreating the critical parts of a test drive in the laboratory, as these are the most likely to cause radio link failure in real operation. Therefore, the physical parameters in terms of serving signal strength and level of interfering signals were transferred to a wired virtual test, and the data rate was examined again. Despite some systematic differences between real drive test and virtual drive test, which could be clearly identified, it was possible to reproduce the behavior at the cell edge very precisely with deviations smaller than 5 %.



https://doi.org/10.23919/AMTA55213.2022.9954989
Schwind, Andreas; Varga, Isabella; Hofmann, Willi; Hein, Matthias
Analytical and experimental studies of ground reflections on bi-static radar signal propagation. - In: AMTA 2022 proceedings, (2022), insges. 6 S.

Progressing towards highly automated and connected vehicles, radar systems have evolved into reliable assistance systems for environmental perception, for a wide spectrum of traffic scenarios, and with them, accurate angle-dependent descriptions of reflectivities and scattering centers of traffic participants and road users. Depending on the electrical size of the radar object, the influence of possibly unwanted ground reflections can be significant in radar cross-section measurements. This paper presents an analytical model based on the transmitter, receiver, and single or multiple scattering center positions, that takes into account the geometric reflections at the ground floor and calculates the resulting interference. Considering also the bi-static crosstalk between the transmit and receive antennas, six different propagation paths are obtained, which differ in path delay and attenuation. Subsequent validation measurements in a semi-anechoic automotive antenna test facility confirm the analytical approach very well. Existing discrepancies between the single scattering center model and the measurements with a metal sphere could be corrected by a closer look at the position of the scattering center. Final measurements on realistic bicyclist dummies show that the model is also reliably applicable to extended radar targets.



https://doi.org/10.23919/AMTA55213.2022.9954954
Ardah, Khaled; Haardt, Martin; Liu, Tianyi; Matter, Frederic; Pesavento, Marius; Pfetsch, Marc E.
Recovery under side constraints. - In: Compressed sensing in information processing, (2022), S. 213-246

This chapter addresses sparse signal reconstruction under various types of structural side constraints with applications in multi-antenna systems. Side constraints may result from prior information on the measurement system and the sparse signal structure. They may involve the structure of the sensing matrix, the structure of the non-zero support values, the temporal structure of the sparse representation vector, and the nonlinear measurement structure. First, we demonstrate how a priori information in the form of structural side constraints influence recovery guarantees (null space properties) using ℓ1-minimization. Furthermore, for constant modulus signals, signals with row, block, and rank sparsity, as well as non-circular signals, we illustrate how structural prior information can be used to devise efficient algorithms with improved recovery performance and reduced computational complexity. Finally, we address the measurement system design for linear and nonlinear measurements of sparse signals. To this end, we derive a new linear mixing matrix design based on coherence minimization. Then, we extend our focus to nonlinear measurement systems where we design parallel optimization algorithms to efficiently compute stationary points in the sparse phase-retrieval problem with and without dictionary learning.



Robbani, Md. Golam;
Circularly polarized embedded patch antenna array for automotive 5G satellite communications. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die V2X-Kommunikation ist der am weitesten fortgeschrittene Anwendungsbereich der 5G Low Earth Orbit (LEO) Satellitentechnologie. Die Nachfrage nach einer extrem hohen Datenrate führt zu einer höheren Betriebsfrequenz, was die Kommunikationsverbindungen anfällig für Verluste macht. Um atmosphärischen und Polarisationsverlusten zu widerstehen, werden für die Satellitenkommunikation häufig zirkular polarisierte Antennen mit hoher Verstärkung verwendet. In dieser Arbeit wurde eine eingebettete kompakte zirkular polarisierte Antenne mit niedrigem Profil für die 5G LEO-Satellitenkommunikation für Automobilanwendungen entwickelt. Zunächst werden einige aktuelle Entwicklungen im Bereich der Automobil-Antennen untersucht und der Bedarf an einer zirkular polarisierten Mikrostreifen-Patch-Antenne vorweggenommen. Der erste Schritt auf dem Weg zu einer effektiven Satellitenkommunikation besteht darin, das Link-Budget zu ermitteln. Die Berechnung des Link-Budgets zeigt, dass eine Antenne mit moderatem Gewinn von 15 dBi für die Benutzerausrüstung zusammen mit einer Satellitenantenne mit hohem Gewinn (40 - 50 dBi) eine Uplink-Datenrate von 3,24 Mbit/s bietet. Um den geforderten Gewinn zu erreichen, wurde eine 4x4 zirkular polarisierte Patch-Antennengruppe implementiert, wobei die Kompaktheit der Gruppe beibehalten wurde. Die möglichen Einflussparameter wurden entsprechend dem Designziel optimiert. Die optimierte Array-Antenne bietet einen maximalen simulierten Gewinn von 15 dBi bei einer Frequenz von 28 GHz und eine sehr große Impedanzbandbreite von 4 GHz, was sie gegenüber anderen Antennen, die bei einer ähnlichen Frequenz arbeiten, neuartig macht. Die simulierte Bandbreite des Achsverhältnisses beträgt 720 MHz und die Kreuzpolarisationsunterscheidung (XPD) liegt bei 25 dB, was auf die Polarisationsreinheit in Breitseitenrichtung hinweist. Außerdem wurde die simulierte Antenne im Antennenmesslabor der TU-Ilmenau hergestellt und gemessen. Um den Effekt der Kunststoffeinbettung zu untersuchen, wurde die Antenne in den Heckspoiler eines modernen Autos eingebettet und gemessen. Der gemessene Gewinn der eingebetteten Antenne beträgt 12,1 dBi bei 28 GHz. Die Impedanzbandbreite beträgt mehr als 4 GHz und die Bandbreite des Achsverhältnisses liegt bei etwa 900 MHz. Abschließend wurden die simulierten und die gemessenen Ergebnisse verglichen, und es wird auf mögliche zukünftige Implementierungen hingewiesen.



Schwind, Andreas; Buddappagari, Sreehari; Asghar, Muhammad Ehtisham; Hein, Matthias
Virtuelle Sensorvalidierung für automatisiertes und vernetztes Fahren. - In: Automobiltechnische Zeitschrift, ISSN 2192-8800, Bd. 124 (2022), 11, S. 58-62

https://doi.org/10.1007/s35148-022-1505-0
Schwind, Andreas; Buddappagari, Sreehari; Asghar, Muhammad Ehtisham; Hein, Matthias
Virtual sensor validation for automated and connected driving. - In: ATZ worldwide, ISSN 2192-9076, Bd. 124 (2022), 11, S. 54-57

https://doi.org/10.1007/s38311-022-1405-7
Naskovska, Kristina; Sokal, Bruno; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Using tensor contractions to derive the structure of slice-wise multiplications of tensors with applications to space-time Khatri-Rao coding for MIMO-OFDM systems. - In: EURASIP journal on advances in signal processing, ISSN 1687-6180, Bd. 2022 (2022), 109, S. 1-26

The slice-wise multiplication of two tensors is required in a variety of tensor decompositions (including PARAFAC2 and PARATUCK2) and is encountered in many applications, including the analysis of multidimensional biomedical data (EEG, MEG, etc.) or multi-carrier multiple-input multiple-output (MIMO) systems. In this paper, we propose a new tensor representation that is not based on a slice-wise (matrix) description, but can be represented by a double contraction of two tensors. Such a double contraction of two tensors can be efficiently calculated via generalized unfoldings. It leads to new tensor models of the investigated system that do not depend on the chosen unfolding (in contrast to matrix models) and reveal the tensor structure of the data model, such that all possible unfoldings can be seen at the same time. As an example, we apply this new concept to the design of new receivers for multi-carrier MIMO systems in wireless communications. In particular, we consider MIMO-orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems with and without Khatri-Rao coding. The proposed receivers exploit the channel correlation between adjacent subcarriers, require the same amount of training symbols as traditional OFDM techniques, but have an improved performance in terms of the symbol error rate. Furthermore, we show that the spectral efficiency of the Khatri-Rao-coded MIMO-OFDM can be increased by introducing cross-coding such that the “coding matrix” also contains useful information symbols. Considering this transmission technique, we derive a tensor model and two types of receivers for cross-coded MIMO-OFDM systems using the double contraction of two tensors.



https://doi.org/10.1186/s13634-022-00937-5
Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Empirical estimation of ETSI ITS-G5 performance over an IPv6-based platform. - In: 2022 IEEE International Performance, Computing, and Communications Conference (IPCCC), (2022), S. 185-193

Intelligent transport systems (ITS) promise to leverage wireless communications among vehicles. Performance of wireless communication is of crucial importance and can severely impact safety, efficiency and infotainment of transport applications. In this paper, in order to promote the usage of IPv6 in vehicular networks, we deploy a wireless communication framework in a Linux environment based on the Internet protocol (IP). Further, we evaluate the behaviour of the ITS-G5 in various stationary and mobile scenarios to investigate the impact of environmental and radio factors on the performance of ITS-G5. Several measurements such as inter-reception time (IRT), packet loss, latency, end-to-end (E2E) latency, reception position error (RPE), and throughput are carried out to discover the limitations and strength of the technology in a real world test-bed.



https://doi.org/10.1109/IPCCC55026.2022.9894344
Kodera, Sayako; Römer, Florian; Pérez, Eduardo; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian
Deep learning aided interpolation of spatio-temporal nonstationary data. - In: 30th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2022), (2022), S. 2221-2225

Despite the growing interest in many fields, spatio-temporal (ST) interpolation remains challenging. Given ST nonstationary data distributed sparsely and irregularly over space, our objective is to obtain an equidistant representation of the region of interest (ROI). For this reason, an equidistant grid is defined within the ROI, where the available time series data are arranged, and the time series of the unobserved points are interpolated. Aiming to maintain the interpretability of the whole process while offering flexibility and fast execution, this work presents a ST interpolation frame-work which combines a statistical technique with deep learning. Our framework is generic and not confined to a specific application, which also provides the prediction confidence. To evaluate its validity, this framework is applied to ultrasound nondestructive testing (UT) data as an example. After the training with synthetic UT data sets, our framework is shown to yield accurate predictions when applied to measured UT data.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9909600
Schieler, Steffen; Döbereiner, Michael; Semper, Sebastian; Landmann, Markus
Estimating multi-modal dense multipath components using auto-encoders. - In: 30th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2022), (2022), S. 1716-1720

We present a maximum-likelihood estimation algorithm for radio channel measurements exhibiting a mixture of independent Dense Multipath Components. The novelty of our approach is in the algorithms initialization using a deep learning architecture. Currently, available approaches can only deal with scenarios where a single mode is present. However, in measurements, two or more modes are often observed. This much more challenging multi-modal setting bears two important questions: How many modes are there, and how can we estimate those? To this end, we propose a Neural Net-architecture that can reliably estimate the number of modes present in the data and also provide an initial assessment of their shape. These predictions are used to initialize for gradient- and model-based optimization algorithm to further refine the estimates. We demonstrate numerically how the presented architecture performs on measurement data and analytically study its influence on the estimation of specular paths in a setting where the single-modal approach fails.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9909796
Gedschold, Jonas; Wegner, Tim Erich; Kalisz, Adam; Thomä, Reiner; Thielecke, Jörn; Del Galdo, Giovanni
Time-domain analysis of ultra-wideband scattering properties of fruits. - In: 2022 19th European Radar Conference, (2022), S. 77-80

In the present paper we evaluate scattering properties of fruits measured with a short-range Ultra-Wideband radar. This is part of our investigation how effectively such a radar can be used to infer information such as fruit biomass or ripeness in an agricultural environment. The covered frequency band spans from 1.4 to 5.6 GHz. We analyze measured impulse responses of a watermelon, a grapefruit, and an apple with respect to a dependency on the distance between radar and fruit and the observation angle i.e., rotation of the fruit. Measurements are performed under laboratory conditions, however, we analyze the data considering a pre-harvest analysis on a field. It becomes apparent that an analysis of the dispersed dominant reflection of the peel is most promising. Due to the natural growth and hence anisotropy of the fruits, we conclude to average over multiple monostatic observation angles to reduce the natural variations of e.g. the scattered power.



https://doi.org/10.23919/EuRAD54643.2022.9924720
Tayyab, Umais; Petry, Hans-Peter; Kumar, Ashish; Robbani, Md. Golam; Wack, Thomas; Hein, Matthias
Link budget and design approach of a non-terrestrial 5G automotive antenna. - In: 2022 52st European Microwave Conference, (2022), S. 864-867

5G low-earth orbiting satellites are continuously increasing attention from automotive industry for automated and connected driving. Compactness of user equipment antennas and high data rates are key performance figures for efficient satellite communication systems. Here, we present a link budget for internet-of-things applications at Ka-band frequencies (5G frequency range FR2). Anticipating a realistic high-gain satellite antenna, an uplink data rate of 4 Mbit/s can be achieved with a compact user terminal antenna with a moderate gain of 13 dBi. Along these lines, a 4×4 patch antenna array was designed for seamless embedding in the plastic part of a car body, in order to verify the link budget calculations by experiment. The radiation performance was measured under free-space conditions and with the antenna embedded in the rear spoiler wing of a modern passenger car. The array offered 11.2 dBi realized gain and 1.6 GHz of −10 dB matching bandwidth, with an uplink data rate of 2 Mbit/s, promising for many mobility applications.



https://doi.org/10.23919/EuMC54642.2022.9924379
Buddappagari, Sreehari; Aust, Philip; Schwind, Andreas; Hau, Florian; Hein, Matthias
Evaluation of scenario-based automotive radar testing in virtual environment using real driving data. - In: 2022 IEEE 25th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC), (2022), S. 2379-2384

Safety assurance of intended functionality through rigorous testing is a key to large-scale homologation and deployment of automated driving. It is therefore imperative to transfer real world tests into efficient and quantifiable virtual testing procedures and environments without compromising reliability. In earlier work, we presented a fully operational over-the-air vehicle-in-the-loop test system for automotive millimeter-wave radar, where we generated a virtual electromagnetic environment with physically realistic radar target echoes. We evaluated the performance of the implemented test system with an exemplary scenario parameterised with analytically pre-defined vehicle manoeuvres. In this work, we significantly proceed with the performance evaluation through re-simulation of scenarios based on real driving data and traffic manoeuvres. We have measured a standard Euro-NCAP scenario, namely, the Car-to-Pedestrian Longitudinal Adult on a proving ground and re-simulated the ground truth parameters in the test bed. We compare the consistency of the test results at several data abstraction levels using parameter trajectories. Additionally, we introduce and evaluate quality metrics such as difference and root mean square error. For a driving scenario approximately 20 seconds long, we achieved promisingly low root mean square errors in range, azimuth and RCS of 0.3 m, 0.5&ring; and 2 dB, respectively.



https://doi.org/10.1109/ITSC55140.2022.9922366
Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Human RF electromagnetic exposure to V2X-communication. - In: Advances in radio science, ISSN 1684-9973, Bd. 19 (2022), S. 233-239

In the era of automated and connected driving, more and more cars will be equipped with wireless transmission technologies such as mobile communications 4G (LTE) and 5G, WiFi, Bluetooth, and V2X. For the technical implementation of V2X-communications, different standards like cellular-V2X from the cooperation 3rd Generation Partnership Project and ITS-G5, based on the WiFi standard 802.11p from the Institute of Electrical and Electronics Engineers, are under consideration. The electromagnetic environment of cars and the corresponding exposure of the general public to wireless emission will be significantly influenced by new radio technologies. Under all circumstances, it must be ensured that the exposure of the electromagnetic fields inside a car does not cause any harmful effects on humans. In order to quantitatively assess the resulting exposure, the generated exposure must be correctly recorded and evaluated according to their specific time-frequency spectra. This paper describes a new measurement procedure suitable for the V2X-standard ITS-G5 together with various exposure measurements performed in different cars with WiFi, Bluetooth and ITS-G5. In comparison of all wireless standards studied here, the V2X-service generated the highest electric field strengths inside a car, when a transmitting di-patch antenna was mounted on the windscreen inside the driver's cabin. The maximum fraction of the corresponding ICNIRP reference level amounted to 15.1 %. We conclude that the total exposure of wireless on-board automotive devices will be dominated by ITS-G5, if the transmitting antenna is located inside the passenger cabin. As V2X-communications will increasingly penetrate road traffic, the resulting exposure should be carefully monitored, in order not to exceed the corresponding reference levels for general public.



https://doi.org/10.5194/ars-19-233-2022
Farhat, Ahmad;
Tensor-Based Machine Learning Approaches for Financial Time-Series Prediction. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Traditionelle und tensorbasierte Methoden des maschinellen Lernens sind in Anwendungen wie der Finanzsignalverarbeitung, der Computer Vision, der Kommunikationstechnik und vielen anderen Bereichen weit verbreitet. In dieser Arbeit vergleichen wir die Leistung traditioneller Ansätze des maschinellen Lernens mit den tensorbasierten Ansätzen bei der Vorhersage von Finanzzeitreihen. Dabei formulieren wir das Problem sowohl als Klassifikations- als auch als Regressionsproblem. Bei der Klassifizierung wählen wir als Ziel das Vorzeichen der zukunftigen prozentualen Veränderung des Schlusskurses, während bei der Regression der zukünftige Schlusskurs das Ziel ist. Zunächst betrachten wir zwei bestehende überwachte tensorbasierte maschinelle Lernalgorithmen: Higher-Rank Tensor Rinde Regression (hrTRR) und Least-Squares Support Tensor Machine (LS-STM). Darüber hinaus verwenden wir als Vorverarbeitungsschritt einen bestehenden unüberwachten Tensor-basierten Ansatz zur Merkmalsextraktion, der auf der globalen Tucker-Repräsentation der Trainingstensoren basiert. Unseres Wissens nach ist dies die erste Arbeit, die die globale Tucker-Darstellung und hrTRR im Kontext von Finanzzeitreihen anwendet. Darüber hinaus erweitern wir die tensorbasierte Zeitreihendarstellung aus einer früheren Arbeit auf den allgemeinen Fall, so dass wir den Beobachtungshorizont sowie die Anzahl der zeitversetzen Tensor-Slices innerhalb des Modells frei wählen können. Um die besten Werte für den Beobachtungshorizont und die Anzahl der zeitverschobenen Tensor-Slices zu finden, wenden wir eine Rastersuche auf einer Validierungsmenge an und wählen die Werte aus, die den niedrigsten mittleren absoluten Fehler in Prozent ergeben. Darüber hinaus wird ein Ansatz, der die Vorhersageperiode für eine unterschiedliche Auswahl des Beobachtungshorizonts und der Anzahl zeitlich verschobener Slices vereinheitlicht vorgestellt. Schließlich bewerten wir die Algorithmen anhand von OHLCV-Kryptowährungs-daten für verschiedene Zeitrahmen. Anschließend betrachten wir einen Kreuzvalidierungsansatz mit gleitendem Fenster, um die Modelle über mehrere Batches zu evaluieren, und ein anpassbares gleitendes Fenster, das den Einfluss der Anzahl der Trainingsmuster pro Batch auf die Vorhersageleistung bemisst. Die Ergebnisse zeigen, dass die tensorbasierten Ansätze besser sind gegenuber ihrem vektorbasierten Gegenstück. Außerdem verbessert die Verwendung eines längeren Beobachtungshorizonts die Vorhersageleistung für alle Experimente, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß. Durch die Anwendung der Tensor-Entrauschung stellen wir außerdem fest, dass die Modelle einen größeren Beobachtungshorizont nutzen.



Afowowe, Fikayo;
Quality of service in software-defined wireless sensor networks. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Nachfrage nach einer effektiven Dienstqualität wurde durch die rasche Ausweitung von rasante Ausbreitung von drahtlosen Sensornetzanwendungen. Als drahtlose Sensornetzwerke Sensornetzwerke entwickelt wurden, stand der Energieverbrauch im Vordergrund, während die Anforderungen an die Dienstqualität weniger wichtig waren. Da jedoch Multimedia-, kritische und Echtzeitanwendungen zunehmen, ist es wichtiger denn je, qualitativ hochwertige Dienste anzubieten. Dienste. Die effektive Bereitstellung der erforderlichen Dienstqualität ist eine große Herausforderung, da drahtlose Sensoren nur über begrenzte Ressourcen verfügen. Die Schwierigkeiten, denen sich WSNs konfrontiert sind, können durch den Einsatz von Software Defined Networking als Routing-Methode gelöst werden. Dieses Projekt schlägt eine Methode vor, bei der ein Controller eine Ansicht des Netzwerks erstellt und den Dijkstra-Algorithmus verwendet, um Pakete über den kürzesten Weg zu leiten. Die Architektur besteht aus aus Gateways, die Daten von den drahtlosen Sensorknoten empfangen und dann die Daten an den Senkenknoten weiterleiten, basierend auf den Anweisungen des Controllers. Wenn dieser Ansatz im Gegensatz zum konventionellen Routing-Protokoll für leistungsarme und verlustbehaftete Netze eingesetzt und verlustbehaftete Netze eingesetzt wurde, zeigen die Ergebnisse unserer Simulation eine deutliche eine deutliche Verbesserung der Dienstgüte des Netzes.



Mane, Amit Sahebrao;
Investigation of message brokers and CI/CD pipelines for IoT deployment using edge and cloud computing. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit werden Message Broker mit Edge- und Cloud-Computing-Plattformen unter Verwendung des Publish-Subscribe-Messaging-Paradigmas für effiziente Kommunikationsmechanismen untersucht, die in Internet-of-Things-Architekturen (IoT) verwendet werden. Das Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)-Kommunikationsprotokoll wird als Message Broker betrachtet, der anhand von Parametern wie Durchsatz, Latenz und Nutzlast bewertet wurde. Dieser Message Broker wird in zwei Einrichtungsmodellen implementiert. Das erste Setup-Modell konzentriert sich auf das Bare-Metal-Gerät, um die Leistung des MQTT-Protokolls mit den verfügbaren Message-Brokern für IoT-Anwendungsszenarien zu evaluieren. Im zweiten Einrichtungsmodell wurde die Kombination von Containerisierungs- und Virtualisierungstechniken mit der Microsoft Azure Cloud-Plattform für MQTT-basierte Kommunikation angewendet, um eine agile Softwareentwicklungsmethodik zu implementieren. Ein virtuelles Edge-Gateway/Gerät, das sich unter dem Azure IoT Hub Service befindet, wurde implementiert, um die notwendigen Datenoperationen mit den jeweiligen IoT-Geräten zu steuern. Solche Edge-Geräte bieten die Funktionalität von benutzerdefinierten Modulen, um individuelle und voneinander abhängige Rechenoperationen für die sensorische Datenverarbeitung zu unterstützen; eine Cloud-Instanz des Edge-Geräts wurde auf einer virtuellen Maschine mit Hilfe eines Docker-Container-Images bereitgestellt, um die Rechenoperationen außerhalb der Cloud-Umgebung durchzuführen, um dem Edge-Gerät mehr Rechenleistung zu geben und dadurch die Cloud-Betriebskosten zu reduzieren und die Edge-Computing-Leistung zu verbessern. Die Continuous-Integration- und Continuous-Delivery-Pipeline (CI/CD) wurde zur Beschleunigung und Automatisierung des Softwareentwicklungsprozesses bei der Implementierung der Dissertation eingesetzt. Abschließend wurde untersucht, wie der Cloud-basierte MQTT-Broker mit den oben genannten Konfigurationen einen effizienten Computing-Ansatz für IoT-Szenarien bieten kann, und die entsprechenden Ergebnisse wurden vorgestellt.



Faramarzahangari, Reza;
Object tracking for joint communication and sensing using deep learning. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die große Entwicklung der mobilen Kommunikationssysteme, insbesondere die geplanten Entwicklungen in der nächsten Generation 6G, ermöglicht es uns, viele besondere Anwendungsfälle und Applikationen zu definieren. Einer dieser Anwendungsfälle ist ein hoch präziser Ortungsdienst parallel zur Kommunikation. Dazu ist eine Methode zur Verfolgung von mehrfach streuenden Objekten in einer Umgebung erforderlich. Diese Arbeit ist ein Versuch, das Problem der Verfolgung mehrerer Objekte in Mehrwege-Kanälen mit Hilfe von Deep Learning zu formulieren und zu lösen. Diese Arbeit formuliert das Problem der Kanalverfolgung mit Hilfe des bestehenden mathematischen Rahmens für mehrere Objekte und führt damit Simulationen durch. In dem Modell für mehrere Objekte können Objekte nach dem Zufallsprinzip unter Berücksichtigung bestimmter Wahrscheinlichkeitsverteilungen erzeugt oder entfernt werden. Der mathematische Rahmen für die Simulation von Kanälen mit mehreren Objekten verwendet endliche Zufallsmengen, um die Unsicherheit der Anzahl der Objekte darzustellen. Die Aufgabe eines Verfolgungsalgorithmus besteht darin, diese Muster auszunutzen und den Zustand der Objekte aus verrauschten Messungen zu schätzen. Ein Tracking-Algorithmus muss auch das Problem der Datenzuordnung lösen, da es keine nicht bekannt ist, welche Messung von welchem Objekt stammt. Das Lösen der fehlenden Verbindung zwischen den Messungen und den Objekten und die gleichzeitige Unterscheidung von Objekten und Störgeräuschen führt zur Lösung des Tracking-Problems. Andererseits hat Deep Learning bewiesen, dass es in der Lage ist, viele Probleme zu lösen, einschließlich der modellbasierten Probleme, bei denen das Problem mithilfe mathematischer Modelle grob formuliert werden kann, oder der Probleme ohne vorherige Modellannahmen. Deep Learning hat sich in letzter Zeit auch auf Methoden und Algorithmen der Signalverarbeitung ausgedehnt und hat seinen Platz in vielen Anwendungen gefunden. Obwohl diese Aufgabe vorwiegend mit Hilfe von Filteransätzen gelöst wird, untersucht diese Arbeit die Eignung von Deep Learning-Methoden, insbesondere der Transformer. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Transformer-Modell und schlägt eine Architektur für das Problem der Kanalverfolgung vor. Anschließend wird ein auf dem Transformer basierendes Deep Learning-Modell entwickelt, trainiert und seine Leistung hinsichtlich der Metriken untersucht.



Stanko, Daniel; Sommerkorn, Gerd; Ihlow, Alexander; Del Galdo, Giovanni
Enable SDRs for real-time MIMO channel sounding featuring parallel coherent Rx channels. - In: 2022 IEEE 95th Vehicular Technology Conference:(VTC2022-Spring), (2022), insges. 5 S.

A parallel receiver architecture for multiple input multiple output (MIMO) channel sounding application is presented with a software-defined radio (SDR)-based field-programmable gate array (FPGA) implementation. The receiver covers phase coherent reception via shared local oscillator (LO) and reference clock, a timing scheme synchronous to the antenna switching at the transmitter, and an integrated automatic gain control (AGC) in all receive channels. It is built with SDRs (NI USRP-2955, X310 series with TwinRx daughterboards). The use of these off-the-shelf hardware components reduces the costs of the sounding system. The FPGA implementation together with the system parameters of the chosen hardware allows a minimum AGC update interval of approx. 44.38 μs. Our setup demonstrates the applicability of state-of-the-art SDRs as a sounding system for continuous acquisition of the time variant, space, and frequency selective radio propagation channel.



https://doi.org/10.1109/VTC2022-Spring54318.2022.9860841
Niu, Han; Dupleich, Diego; Völker-Schöneberg, Yanneck; Ebert, Alexander; Müller, Robert; Eichinger, Joseph; Artemenko, Alexander; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
From 3D point cloud data to ray-tracing multi-band simulations in industrial scenario. - In: 2022 IEEE 95th Vehicular Technology Conference:(VTC2022-Spring), (2022), insges. 5 S.

In this paper, we present the ray tracing (RT) simulation in the 3D model of one highly dense clutter industrial hall, which is scanned by laser scanner and reconstructed based on accurate point cloud. The whole processing chain from the scanning of the physical environment to running the simulation is presented in detail. To validate the simulation results, the synthetic channel characteristics and large-scale parameters, including delay spread (DS), angular spread (AS) and path loss (PL), are compared with those obtained from channel sounding measurement in both LOS and NLOS cases, at 6.75 GHz, 30 GHz and 60 GHz. The simulation results show that some scatters are significant in all bands and may be well identified and tracked. This indicates that our target to generate a deterministic channel model or a hybrid channel model at multi-band for industrial scenario may be possible.



https://doi.org/10.1109/VTC2022-Spring54318.2022.9861002
Varatharaajan, Sutharshun; Großmann, Marcus; Del Galdo, Giovanni
5G new radio physical downlink control channel reliability enhancements for multiple transmission-reception-point communications. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 10 (2022), S. 97394-97407

Non-coherent transmission from multiple transmission-reception-points (TRPs), i.e., base stations, or base station panels to a user equipment (UE) is exploited in 5G New Radio (NR) to improve downlink reliability and cell-edge throughput. Ultra reliable low-latency communications (URLLC) and enhanced Mobile BroadBand (eMBB) are prominent target use-cases for multi-TRP or multi-panel transmissions. In Third-Generation Partnership Project (3GPP) Release 17 specifications, multi-TRP-based transmissions were specified for the physical downlink control channel (PDCCH) specifically to enhance its reliability and robustness. In this work, a comprehensive account of various multi-TRP reliability enhancement schemes applicable for the 5G NR PDCCH, including the ones supported by the 3GPP Release 17 specifications, is provided. The impact of the specifications for each scheme, UE and network complexity and their utility in various use-cases is studied. Their error performances are evaluated via link-level simulations using the evaluation criteria agreed in the 3GPP proceedings. The 3GPP-supported multi-TRP PDCCH repetition schemes, and the additionally proposed PDCCH repetition and diversity schemes are shown to be effective in improving 5G NR PDCCH reliability and combating link blockage in mmWave scenarios. The link-level simulations also provide insights for the implementation of the decoding schemes for the PDCCH enhancements under different channel conditions. Analysis of the performance, complexity and implementation constraints of the proposed PDCCH transmission schemes indicate their suitability to UEs with reduced-capability or stricter memory constraints and flexible network scheduling.



https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3206027
Kumar, Ashish; Petry, Hans-Peter; Tayyab, Umais; Hein, Matthias
Link budget considerations for automotive 5G LEO satellite-based communications. - In: 2022 IEEE USNC-URSI Radio Science Meeting (joint with AP-S Symposium), (2022), S. 106-107

Satellite communication receives strongly increasing attention for automated and connected driving. Compact size, low power consumption, and high data rates are key performance parameters for such systems. Based on realistic assumptions on user equipment terminal and satellite antenna for low-earth orbiting satellites using large space structures, we present relevant link budget considerations. The high-gain satellite antenna opens the potential to employ compact user equipment antennas of moderate gain and without beam tracking. We study selected C-, Ku-, and Ka-frequency bands for 5G satellite communications based upon usual key performance indicators. Our findings indicate that C-band and Ka-band offer a suitable spectrum, with an uplink data rate of 7 Mbit/s at Ka-band, which is suitable for IoT and broadband mobile access applications.



https://doi.org/10.23919/USNC-URSI52669.2022.9887406
Vilas Boas, Brenda; Zirwas, Wolfgang; Haardt, Martin
Machine learning for CSI recreation in the digital twin based on prior knowledge. - In: IEEE open journal of the Communications Society, ISSN 2644-125X, Bd. 3 (2022), S. 1578-1591

Knowledge of channel state information (CSI) is fundamental to many functionalities for mobile communication systems. With the advance of machine learning (ML) and digital maps, i.e., digital twins, we have a big opportunity to learn the propagation environment and design novel methods to derive and report CSI. In this work, we propose to combine untrained neural networks (UNNs) and conditional generative adversarial networks (cGANs) for MIMO channel recreation based on prior knowledge. The UNNs learn the prior-CSI for some locations which are used to build the input to a cGAN. Based on the prior-CSI estimates, their locations and the location of the desired channel, the cGAN is trained to output the channel expected at the desired location. This combined approach can be used for low overhead CSI reporting as, after training, we only need to report the desired location. Our results show that our CSI recreation method is successful in modelling the wireless channel under different configurations of prior-CSI spatial sampling. In addition, the results consider a real world measurement campaign for indoor line of sight and non-line of sight channels. The signal to noise ratio (SNR) achieved by our CSI recreation is better than the SNR reported by the measured campaign providers. Moreover, our CSI recreation provides means for low overhead CSI reporting as the UNN structure is underparameterized compared to the full explicit CSI, and only the desired location is needed for the cGAN to recreate the desired CSI.



https://doi.org/10.1109/OJCOMS.2022.3208323
Khodina, Anna;
Entwicklung und Implementierung von Algorithmen zur kollisionsfreien Pfadplanung und -optimierung für einen autonomen Miniaturtransporter. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Irgendwann in der Zukunft werden wahrscheinlich selbstfahrende Fahrzeuge die klassischen Automobile ersetzen. Solche Fahrzeuge werden seit langer Zeit intensiv entwickelt. Ein wichtiges und noch nicht vollständig gelöstes Problem ist die Verringerung der Abhängigkeit der Automobile von der Steuerung durch den Menschen. Die künstliche Intelligenz (KI) erhält immer breitere Verwendung als zweckmäßige und hilfreiche Methode für die Erhöhung der Selbständigkeit selbstfahrender Fahrzeuge. So hilft die künstliche Intelligenz den Fahrzeugen, Entscheidungen in verschiedenen Verkehrssituationen selbst zu treffen beziehungsweise vorteilhafte Routen zu finden. In diesem Kontext werden in dieser Masterarbeit Algorithmen für eine optimale Pfadbestimmung für autonomen Miniaturtransporter erforscht. Der Miniaturtransporter arbeite auf der Basis des Mikrocontrollers Arduino. Die Navigation des Miniaturtransporters erfolgt auf einer vordefinierten Landkarte, die mit Hilfe eines Graphens dargestellt ist. Die Gewichte zwischen den Knoten auf dem Graph helfen, mögliche Verkehrssituationen, wie zum Beispiel einen Unfall oder Stau, zu simulieren. Zuerst wird ein klassischer Dijkstra Algorithmus zur Pfadbestimmung im Graph realisiert. Dieser Algorithmus hat eine definierte Schrittanzahl, um den Pfad zu finden. Im Falle der Änderungen der Verkehrssituation erfolgen mehrere neue Berechnungen des optimalen Pfads auf der Basis der sich ändernden Gewichte. In dieser Masterarbeit wird mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes (KNN) ein weiterer Algorithmus für die Bestimmung des kürzesten Weges im Graph realisiert. Dafür wird das KNN für mögliche Verkehrssituationen trainiert. Diese Situationen werden durch Gewichtsänderungen simuliert und mit dem Dijkstra Algorithmus berechnet. Die so erhaltenen Daten werden zum Lernen des KNN verwendet. Der Vorteil des entwickelten Algorithmus ist die Unabhängigkeit des, durch das KNN berechneten, Pfades von der Gewichtsänderungen auf dem Graph.



Hähnlein, Bernd; Kellner, Maria; Krey, Maximilian; Nikpourian, Alireza; Pezoldt, Jörg; Michael, Steffen; Töpfer, Hannes; Krischok, Stefan; Tonisch, Katja
The angle dependent ΔE effect in TiN/AlN/Ni micro cantilevers. - In: Sensors and actuators, ISSN 1873-3069, Bd. 345 (2022), 113784

In this work, magnetoelectric MEMS sensors based on a TiN/AlN/Ni laminate are investigated for the first time in regards of the anisotropic elastic properties when using hard magnetic Nickel as magnetostrictive layer. The implications of crystalline, uniaxial and shape anisotropy are analysed arising from the anisotropic ΔE effect in differently oriented cantilevers with 25 µm length and 15&ring; spacing. The ΔE effect is derived analytically to consider the angular dependency of the different anisotropies within the sensors. In the measured frequency spectra complex profiles are observable consisting of contributions from neighbouring structures which are connected by a common electrode. The crosstalk effect is strongly depending on the cantilever orientation and reflects the anisotropic mechanical properties of the material stack. The intensity of the crosstalk effect is increasing for shortened cantilevers and narrowing distance between structures. The ΔE effect is investigated based on cantilevers of different angular spacing and of a single cantilever that is rotated in the magnetic field. The derived peak sensitivities are reaching values of 1.15 and 1.31T-1. The angular dependency of the sensitivity is found to be approximately constant for differently oriented cantilevers. In contrast, for a singly rotated cantilever an angular dependency of the 4th order is observed.



https://doi.org/10.1016/j.sna.2022.113784
Observation and challenges of MACH architecture. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Das Ziel der Arbeit umfasst Literaturübersicht und Überblick über den Stand der Technik von MACH-Diensten für E-Commerce. Tracing von Microservices-basierten APIs einschließlich der Probleme sowie derVorteile des Tracings. Überwachung der auf der MACH-Architektur basierenden Anwendung mit verfügbaren Überwachungswerkzeugen in einzelnen Phasen. Performance-Evaluierung der MACH für die oben genannten Anwendungsszenarien.



Petkoviâc, Bojana; Ziolkowski, Marek; Kutschka, Hermann; Töpfer, Hannes; Haueisen, Jens
Accuracy assessment of simplified computation of active and passive magnetic shielding for optically pumped magnetometers. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 58 (2022), 9, 7401204, insges. 4 S.

A low residual environmental magnetic field is required for the proper operation of most optically pumped magnetometers (OPMs). This is achieved using a combination of passive and active magnetic shielding. Passive magnetic shielding often uses multiple layers of highly permeable materials. A realistic two-layer magnetically shielded room (MSR) for biomagnetic measurements is numerically studied using the finite element method. A measured B-H characteristic of Mumetal is used, which is linearly extrapolated from the Rayleigh region (RR) into the low magnetic field range. This extension of the magnetization curve yields no significant differences compared to using a constant permeability value for the low magnetic field range. Furthermore, we model the MSR with only one shield and apply a simple analytical method of images (MOI). The MOI yields on average a 100-fold reduction in computation time. The relative difference of the magnetic flux density computed with MOI and finite element method (FEM) is smaller than < 1% at the center of a spherical region of interest (ROI) with a radius of 0.3 m desired from the point of magnetoencephalography (MEG) using OPMs. The achieved accuracy of the MOI makes it suitable for the optimization of active shielding coils.



https://doi.org/10.1109/TMAG.2022.3161736
Messung und Bewertung elektromagnetische Feldimmissionen innerhalb vernetzter Fahrzeuge im Zentimeterwellenbereich. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022

Mit dem steigenden Grad der Automatisierung im Verkehr entwickeln sich Kommunikationstechniken. Im Bereich der Vehicle-to-Everything (V2X) Kommunikation entwickeln sich zwei konkurrierende Technologien. Das sind ITS-G5 und Celluar-V2X. Dadurch verändert sich die elektromagnetische Umwelt in Fahrzeugen. Diese wird in den Bereichen, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMVU) abgesichert. Zur Erfassung von ITS-G5-Signalen im Innenbereich von Fahrzeugen wurde die Sonde LSProbe 1.2 der Firma Lumiloop GmbH angeschafft. Die Sonde wird in Betrieb ge-nommen und mithilfe des Spektrumsanalysator SRM 3006 von Narda Safety Test So-lutions verifiziert. Ein vorhandenes Messverfahren wird auf das neue System adaptiert. Anschließend finden Messungen im Fahrzeuginneren statt. Die LSProbe 1.2 ist nur bedingt zu Erfassung von ITS-G5-Signalen im Fahrzeug ge-eignet. Da die Empfindlichkeit der Sonde bei 5,9GHz bei 1V/m liegt, können Signale von der Dachantenne nicht erfasst werden. Dia Adaption des Messverfahrens war möglich, die gewünschten EMVU Parameter können ermittelt werden. Es ist eine genaue Aufnahme der Messergebnisse über lange Zeiträume möglich. Dadurch sind Erkenntnis zum Signalverlauf gewonnen worden. Die Pulse und Pausen-zeiten variieren zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen. Dennoch können Gruppierungen erkannt werden, in denen sich das Signal meist bewegt. Verschiedene Verkehrsszenarien sind deutlich im Verlauf erkennbar.



Nwalozie, Gerald C.; Ardah, Khaled; Haardt, Martin
Reflection design methods for reconfigurable intelligent surfaces-aided dynamic TDD systems. - In: 2022 IEEE 12th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2022), S. 36-40

Dynamic time-division-duplexing (DTDD) and reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have been proposed recently as solutions to meet the small cells traffic fluctuations and to tune the wireless propagation channels in real-time, respectively. However, to the best of the authors' knowledge, there has been no work so far considering the integration of both techniques. Therefore, we consider in this paper an RIS-aided DTDD wireless system and propose two non-iterative methods to design the RIS reflection vector with the objective of maximizing the system spectral efficiency, while reducing the cross-link interference. Numerical results are presented showing the efficiency of the proposed methods as compared to some baseline schemes. It is shown that the integration of RIS in DTDD systems has great potential in improving communication efficiency while reducing the impact of cross-link interference.



https://doi.org/10.1109/SAM53842.2022.9827850
Safiullin, Ildar; Khamidullina, Liana; Korobkov, Alexey A.; Haardt, Martin
Enhanced computation of the coupled block-term decomposition in multilinear rank terms. - In: 2022 IEEE 12th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2022), S. 400-404

Coupled tensor decompositions proved to be a valuable tool for many signal processing applications, including biomedical data analysis, source separation, data fusion, and many others. In this paper, we present an algorithm to calculate the coupled (BTD) of multiple three-dimensional tensors with a coupled mode and possibly an unknown rank structure. The proposed approach is composed of three main parts, the first is an extension of the linear regression of global eigenvalues (LaRGE) technique to estimate the number of blocks and sum of multilinear ranks in the coupled tensors. The second part accounts for the calculation of the preliminary multilinear factors of the coupled BTD by means of the semi-algebraic framework for approximate CP decompositions via simultaneous matrix diagonalizations (SECSI). The last part contains the final refinement procedures that return the estimated BTD factors. Moreover, we provide some synthetic data simulations showing that the proposed algorithm demonstrates more stable and accurate results than the schemes from the literature.



https://doi.org/10.1109/SAM53842.2022.9827801
Vilas Boas, Brenda; Zirwas, Wolfgang; Haardt, Martin
Combining AI/ML and PHY layer rule based inference - some first results. - In: 2022 IEEE 23rd International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communication (SPAWC), (2022), insges. 5 S.

In 3GPP New Radio (NR) Release 18 we see the first study item starting in May 2022, which will evaluate the potential of artificial intelligence and machine learning (AI/ML) methods for Radio Access Network (RAN) 1, i.e., for mobile radio PHY and MAC layer applications. We use the profiling method for an accurate iterative estimation of the parameters of the dominant multipath components, as it promises a large channel prediction horizon. We investigate options to partly or fully replace some functionalities of rule based PHY layer algorithms by AI/ML inferences, with the goal to achieve either a higher performance, lower latency, or reduced processing complexity. We provide first results for noise reduction, then a combined scheme for model order selection, compare options to infer multipath component start parameters, and provide an outlook on a possible channel prediction framework.



https://doi.org/10.1109/SPAWC51304.2022.9833980
Vilas Boas, Brenda; Zirwas, Wolfgang; Haardt, Martin
Transfer learning capabilities of untrained neural networks for MIMO CSI recreation. - In: 2022 IEEE International Conference on Communications, (2022), S. 1288-1293

Machine learning (ML) applications for wireless communications have gained momentum on the standardization discussions for 5G advanced and beyond. One of the biggest challenges for real world ML deployment is the need for labeled signals and big measurement campaigns. To overcome those problems, we propose the use of untrained neural networks (UNNs) for MIMO channel recreation/estimation and low over-head reporting. The UNNs learn the propagation environment by fitting a few channel measurements and we exploit their learned prior to provide higher channel estimation gains. Moreover, we present a UNN for simultaneous channel recreation for multiple users, or multiple user equipment (UE) positions, in which we have a trade-off between the estimated channel gain and the number of parameters. Our results show that transfer learning techniques are effective in accessing the learned prior on the environment structure as they provide higher channel gain for neighbouring users. Moreover, the proposed UNN channel state information (CSI) estimators are under-parameterized and can further enable low-overhead CSI reporting.



https://doi.org/10.1109/ICC45855.2022.9838738
Foliadis, Anastasios; Castañeda Garcia, Mario H.; Stirling-Gallacher, Richard A.; Thomä, Reiner
Reliable deep learning based localization with CSI fingerprints and multiple base stations. - In: 2022 IEEE International Conference on Communications, (2022), S. 3214-3219

Deep learning (DL) methods have been recently proposed for user equipment (UE) localization in wireless communication networks, based on the channel state information (CSI) between a UE and multiple base stations (BSs) in the uplink. With the CSI from the available BSs, UE localization can be performed in different ways. On the one hand, a single neural network (NN) can be trained for the UE localization by considering the CSI from all the available BSs as one overall fingerprint of the user’s location. On the other hand, the CSI at each BS can be used to obtain an estimate of the UE’s position with a separate NN at each BS, and then the position estimates of all BSs are combined to obtain an overall estimate of the UE position. In this work, we show that UE localization with the latter approach can achieve a higher positioning accuracy. We propose to consider the uncertainty in the UE localization at each BS, such that overall UE’s position is determined by combining the position estimates of the different BSs based on the uncertainty at each BS. With this approach, a more reliable position estimate can be obtained in case of variations in the channel.



https://doi.org/10.1109/ICC45855.2022.9838535
Mandya Sreenivasa Setty, Kavana;
Modeling of superconducting detectors for simulation with circuit analysis programs. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Der Nachweis, die Erzeugung und die Manipulation einzelner Photonen sind in vielen Bereichen der Quantenoptik von entscheidender Bedeutung. Einzelphotonendetektoren auf der Basis von supraleitenden Nanodrähten (SNSPDs) haben sich in letzter Zeit zu einer vielversprechenden Technologie für die Zählung von Infrarotphotonen entwickelt. In dieser Arbeit wird ein supraleitender Detektor, insbesondere ein supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektor, untersucht und mit einem Schaltungsanalyseprogramm wie WRspice modelliert, um Photonenpulse effektiv zu erfassen. Der SNSPD wird durch verschiedene Parameterwerte elektrisch charakterisiert, und es wird auch abgeschätzt, wie sich die Parameter auf den Timing-Jitter, die Anstiegs- und Abklingzeiten auswirken. Das in WRspice implementierte elektrische Modell des SNSPD wird dann an eine nachfolgende Signalverarbeitungsstufe angeschlossen, hauptsächlich an ein einheitliches Array von galvanisch gekoppelten SQUIDs, um eine Verstärkung der SNSPD-Ausgangssignale zu erreichen.



Apte, Sudhanshu;
Testbed for surface detection with ultrasound. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall geht es um die Erkennung und Lokalisierung von Fehlern. Der Messaufbau umfasst einen Positionierer, der die Position und Ausrichtung eines Ultraschallkopfes zu einer zu prüfenden Probe steuert. Wenn der Positionierer seine Anfangsausrichtung zur Probe nicht kennt, ist eine Kalibrierung erforderlich, bei der eine optimale Ausrichtung des Schallkopfs gefunden werden muss. Um Informationen über das Innere der Probe zu erhalten, muss der Schall in die Probe in einem optimalen Winkel eindringen, um die Energie des reflektierte Signal zu maximieren. Um die Entwicklung von neuen Kalibriermethoden zu unterstützen, wird in dieser Arbeit der Aufbau der physikalischen Hardware mit einem Raytracer nachgebildet, um so in Simulationen eine schnellere Entwicklung von Kalibriermethoden zu ermöglichen. Das vorgestellte Raytracer-Modell ermöglicht die Simulation von Messungen und geometrischen Elementen, die den physikalischen Messaufbau nachbilden. Die Ultraschallwellenfelder werden durch einen diskreten Satz von Strahlen ersetzt, unter der Annahme, dass die Betriebsfrequenz hoch und das Medium homogen ist. Die Amplitude und die Laufzeit jedes empfangenen Strahls über den Sensorbereich werden zur Modulation der Impulsform verwendet, die wiederum einen Träger moduliert, und das Gesamtfeld wird durch Summierung aller skalierten, zeitverschobenen Kopien des Signals berechnet. Auf diese Art lassen sich auch die Form des Sendeimpulses und der Öffnungswinkel programmieren, was eine Vorteil im Vergleich zu echten Messungen darstellt. Der virtuelle Messaufbau ermöglicht die Analyse von Kalibrierungsalgorithmen und ermöglicht Aussagen über Kombinationen von Parameterwerten, die in einer realen Umgebung funktionieren könnten. In dieser Arbeit werden stochastische Approximationsalgorithmen untersucht, indem verschiedene Testszenarien eingerichtet werden, um die Leistungsmetriken Konvergenzgeschwindigkeit, Genauigkeit und Robustheit zu der Algorithmen zu bewerten. Die Kalibrierungsalgorithmen automatisieren die Kalibrierung und verkürzen die Messzeit im Vergleich zur manuellen Kalibrierung, bei der der Prüfkopf in jeden Winkel bewegt und die Messung abgewartet werden muss. Die Kalibrierungsalgorithmen sind völlig unabhängig von der Datenquelle und funktionieren sowohl in simulierten als auch in realen Messumgebungen.



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
Ajibade, Abiodun;
Research and comparison of communication technologies to implement decentralized network on commercially available mobile devices. - Ilmenau. - 69 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Dieses Projekt konzentriert sich auf die Erforschung und den Vergleich einiger in Frage kommender Kommunikationstechnologien für die Implementierung eines dezentralen Netzwerks. Parallel dazu wird eine mobile Netzwerkauswertungsapplikation namens Adneeva verwendet, um die Netzwerkleistung dieser Kommunikationstechnologien zu messen. Die Netzwerkauswertungsapplikation ist eine dezentrale Applikation, die sich mit den angeschlossenen Geräten synchronisiert und die Netzwerkleistung der betrachteten Kommunikationstechnologien misst. Es handelt sich um eine dezentralisierte Applikation, die ohne Weiteres entweder eine werbende oder eine überprüfende Rolle einnehmen kann. Die durchgeführten experimentellen Analysen zeigen die Leistung dieser Technologien. Die Experimente und die daraus resultierenden Leistungsvergleiche werden in dieser Arbeit vorgestellt.



Giehl, Sebastian Wilhelm;
Enabling multi-gigasample data converters for wideband RF measurement applications. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Aktuelle und zukünftige Mobilfunkstandards erfordern Bandbreiten von über 2 GHz sowie die kohärente Verarbeitung mehrerer Transceiverkanäle für Anwendungen auf Basis von Gruppenantennen. Für die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet potenziell geeignete Hardwareplattform-Typen werden in dieser Arbeit kurz verglichen. Als geeignetster Ansatz für die Realisierung generischer, ultra-breitbandiger, mehrkanaliger und kohärent abtastender Transceiver wird die Xilinx RFSoC Field Programmable Gate Array (FPGA) Plattform im Detail betrachtet. Um Abtastwerte zur Speicherung oder Verarbeitung vom RFSoC an andere Geräte des Messsystems zu übertragen, wird ein universelles, modulares und rekonfigurierbares FPGA-Design für das Streaming mehrerer kohärenter Analog-Digital-Wandler Kanäle über 100 Gbit/s Ethernet entwickelt und implementiert. Dies ermöglicht die Nutzung konventioneller Netzwerk- und Servertechnik anstelle von dedizierter proprietärer Hardware. Die Analog-Digital-Wandler der aktuellen RFSoCs erreichen Abtastraten von bis zu 5 GSa/s und ermöglichen damit eine theoretische, gleichzeitige Signalbandbreite von 2,5 GHz. In dieser Arbeit werden zwei analoge Front-End-Architekturen untersucht, die durch die Kombination zweier Kanäle die zusammenhängende Bandbreite mit flachem Frequenzgang und ohne Aliasing verdoppeln. Die theoretischen Eigenschaften des Inphase Quadratur (I/Q)-Samplings mithilfe eines 90&ring;-Hybridkopplers und des Interleaved-Samplings über einen Power-Splitter werden analytisch hergeleitet und die Auswirkungen nicht idealer Systemeingenschaften modelliert. Beide Front-End-Architekturen werden aufgebaut und ihre Leistung durch Messungen verifiziert, wobei das implementierte Ethernet basierte Sample-Streaming zum Einsatz kommt. Es wird gezeigt, dass die gewünschte Bandbreitenerweiterung realisiert werden kann. Bereits ohne Kalibrierung werden bis zu 36 dB Image Rejection Rate (IRR) erreicht. Die resultierenden Werte liegen hierbei in der Regel 4 bis 8 dB unterhalb der theoretischen Grenzen.



Khan, Awais;
The energy-efficient routing protocol in mobile wireless sensor networks. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Drahtlose Sensornetzwerke sind ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung des Internets der Dinge. Für Anwendungen in der Präzisionslandwirtschaft werden Sensorknoten inweit entfernten Feldern eingesetzt und meist mit wiederaufladbaren Batterien betrieben. Aufgrund der Abgelegenheit des Netzwerks ist es äußerst schwierig, die Batterien dieser Knoten aufzuladen oder zu ersetzen. Es ist wünschenswert, den Energieverbrauch der Sensorknoten zu minimieren, um ununterbrochene Informationen über die landwirtschaftlichen Parameter zu erhalten. Um dies zu erreichen, muss ein energieeffizientes RoutingProtokoll entwickelt werden, um die Lebensdauer des Netzwerks zu verlängern. In dieser Arbeit werden die bestehenden Routing-Protokolle eingehend analysiert. Da der Energieverbrauch eines Knotens direkt proportional zum Quadrat (manchmal auch zum Vierfachen) der Entfernung zwischen Sender und Empfänger ist, werden die Knoten in kleine Gruppen eingeteilt. Diese Knoten werden in kleine Cluster eingeteilt, und es wird ein Clusterkopf gewählt, der für die Übertragung der Daten von den lokalen Knoten zum Senkenknoten verantwortlich ist. Die mobile Senke nähert sich dann den Clustern und sammelt die erforderlichen Daten ein, wodurch der Energieverbrauch in diesem gesamten Prozess minimiert wird. Diese Forschungsarbeit bietet eine Lösung zur Erhöhung der Lebensdauer eines drahtlosen Sensornetzes mit einer mobilen Senke. Die Restenergie der Knoten und ihre Entfernung zueinander werden zur Berechnung des Auszahlungswerts in dieser vorgeschlagenen innovativen Spieltheorie auf der Grundlage von Brute-Force-Methoden verwendet. Ein mobiler Pfadplanungsalgorithmus für das Sammeln von Daten von Clusterköpfen in einem Netzwerk mit einer mobilen Senke wird ebenfalls diskutiert. Der vorgeschlagene, auf der Spieltheorie basierende innovative Ansatz zeigt im Vergleich zu den bestehenden Techniken bessere Ergebnisse in Bezug auf eine längere Lebensdauer des Netzwerks.



Ziolkowski, Marcin; Ziolkowski, Marek; Gratkowski, Stanislaw
Optimal parameters of a nonmagnetic conducting cylindrical double-shell shield rotating in a static magnetic field. - In: International journal of applied electromagnetics and mechanics, ISSN 1875-8800, Bd. 69 (2022), 3, S. 401-410

This paper first presents an analytical model for calculating the shielding effectiveness of static magnetic fields using a rotating double-shell cylindrical shield with electromagnetically thin layers made of non-magnetic conducting material. Then a procedure is given for finding the optimum distance between the shells and their thickness for maximum mass reduction compared to a thick single shield for a given shielding factor.



https://doi.org/10.3233/JAE-210208
Chen, Lin; Jiang, Xue; Liu, Xingzhao; Haardt, Martin
Reweighted low-rank factorization with deep prior for image restoration. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 70 (2022), S. 3514-3529

The low-rank recovery is a powerful tool to restore images from incomplete and corrupted observations. Conventional low-rank recovery techniques employ the reweighted nuclear norm minimization, which requires performing the full singular value decomposition and thus is computationally expensive. Using the scheme of bilinear factorization, we propose the Reweighted Low-rank Matrix Factorization (RLMF) method for single channel image restoration. The RLMF method can not only inherit the computational efficiency of bilinear factorization, but also incorporate the empirical distribution of the singular values in natural images. Then, considering the correlation between image channels, we generalize the reweighted nuclear norm from matrices to tensors, and develop the Reweighted Low-rank Tensor Factorization (RLTF) method for multichannel image restoration. Moreover, we enhance the RLMF and RLTF methods by introducing the deep image prior information, which is capable of capturing the implicit image structure through the neural network architecture to improve restoration accuracy. Experimental results show the computational efficiency of the proposed low-rank factorization scheme, and the superior restoration accuracy of the proposed methods compared with the state-of-the-art methods.



https://doi.org/10.1109/TSP.2022.3183466
Grundhöfer, Lars; Wirsing, Markus; Gewies, Stefan; Del Galdo, Giovanni
Phase estimation of single tones next to modulated signals in the medium frequency R-mode system. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 10 (2022), S. 73309-73316

Position, navigation, and timing information are critical to today’s infrastructures; as a result, the possibility of estimating ranges is being explored in more and more radio systems. One way to achieve this is to extend the modulation with time-synchronised aiding carriers and to estimate their phase at the receiver side. In this paper, we present two ways to minimise the negative influence of the modulation on the phase estimation. We show that the classical maximum likelihood estimator is still an efficient estimator for our problem, using a medium-frequency R-Mode signal as an example, and is therefore used in receiver designs. We then describe two possible ways to precondition the signal to increase the accuracy for short observations. As a first approach, we describe how window functions can positively change the signal-to-noise ratio for our estimation. As a second approach, we show the use of a narrowband bandpass filter. Finally, we show that these approaches, applied to real measurements, improve the variance of the estimate by up to two orders of magnitude.



https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3190544
Feldhoff, Frank; Gläser, Georg; Töpfer, Hannes
Spotting the gap in the design flow for superconducting electronic devices. - In: 2022 18th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods, and Applications to Circuit Design, (2022), insges. 4 S.

Quantum technologies have matured in a way that real applications are considered to be viable. The new quality emerges from the use of explicit quantum phenomena in single objects as qubits for computation, or photons for sensing and communication. However, to make these features exploitable, suitable microelectronic components for controlling and readout of the quantum states have to be available. For this, superconductive solid-state electronic circuits are considered to be promising candidates. First demonstrations for suitability are known. In order to provide scaling towards large-scale integrated structures, appropriate design methods and capabilities have to be developed. We provide an assessment of the current state of design automation for such superconducting digital electronic structures and survey existing approaches and tools.



https://doi.org/10.1109/SMACD55068.2022.9816318
Farghaly, Omar;
Network topology analysis within an IEC 61850 based virtual substation. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Umspannwerke sind kritische Komponenten von Stromnetzen auf Übertragungspegel und Verteilungsebene. Die primäre Umspannwerksausrüstung (Leistungstransformatoren und Hochspannungsschaltausrüstung) wird in Übertragungsumspannwerken verwendet, um elektrische Energie zu transportieren und umzuwandeln, indem die Spannung auf ein vordefiniertes Spannungsniveau erhöht oder verringert wird. Sekundärgeräte (z.B. intelligente elektronische Geräte (IEDs)) werden verwendet, um die Primärgeräte sowie den Rest der Unterstation über den IEC 61850-Standard zu verwalten, zu sichern und zu überwachen. Der IEC 61850-Standard, der als einzelnes Protokoll fungiert, das verschiedene für die Unter-station erforderliche Daten modelliert, spielt die wichtigste Rolle, damit IEDs verschiedener Anbieter Daten austauschen und zusammenarbeiten können. Die als Substation Configuration Description File (SCD) bezeichnete Beschreibungsdatei für eine Unterstation ist eine XML-basierte Sprache und gibt die verschiedenen Komponenten einer Unterstation an, wie z.B. die Spannungsebenen, die Feldebenen, die IEDs, die sich innerhalb dieser Feldebenen befinden, und die Netzwerkkonfiguration dieser IEDs; ohne Informationen über die Netzwerktopologie zu erwähnen, da es den Benutzern überlassen bleibt, ihre eigene Topologie basierend auf ihren Bedürfnissen zu entwerfen. Daher wurden in dieser Arbeit verschiedene Netzwerktopologien sowie State-of-the-Art-Protokolle untersucht und implementiert, um sie hinsichtlich definierter Key Performance Indicators (KPIs) zu analysieren und zu vergleichen, wobei Containernet als Emulator-Tool in einer definierten Software verwendet wurde Netzwerke (SDN) Umgebung. Die Anwendungsfälle von Netzwerktopologien, die in dieser Arbeit untersucht werden, sind 1) Sterntopologie 2) Ringtopologie 3) Ringtopologie unter Verwendung des State-of-the-Art Parallel Redundancy Protocol (PRP) 4) Baumtopologie unter Verwendung des Rapid Spanning Tree Protocol (RTSP). Die definierten KPIs sind 1) Zuverlässigkeit 2) Ende-zu-Ende-Verzögerung 3) Redundanz. Es wurde aufgrund seines hohen Einflusses auf das Umspannwerk definiert. Die Zuverlässigkeit verschiedener Topologien wurde analytisch durchgeführt. Die Ende-zu-Ende-Verzögerung wurde für jede Topologie mit Wireshark als Verkehrsbeobachtungstool beobachtet und die Redundanz wurde untersucht und auf der Grundlage der Literatur untersucht. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass die Ringtopologie mit dem PRP-Protokoll die beste Leistung in Bezug auf Verzögerung, Redundanz und Zuverlässigkeit aufweist, gefolgt von der Ringtopologie. Die Sterntopologie übertrifft die Baumtopologie in Bezug auf Zuverlässigkeit und Verzögerung, bleibt jedoch in Bezug auf Redundanz zurück, da der RTSP im Falle eines Verbindungsausfalls einen neuen Pfad erstellt.



Digital readout of superconducting detectors using adiabatic quantum flux parametron stages. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Eine digitale Ausleseschnittstelle verarbeitet die Signale von Einzelphotonen-Detektoren. Die Auslesegeräte erzeugen bei der Verwendung von Raumtemperatur-Elektronik ein Signal geringer Qualität mit einem schlechten Signal-Rausch-Verhältnis. Außerdem erfordert die Inkompatibilität bei der Integration zwischen den supraleitenden Photonendetektoren und den Raumtemperatur-Auslesegeräten mit Koaxialkabeln eine anspruchsvollere Auslesetechnologie. Zu diesem Zweck wird eine Architektur auf Basis der Adiabatischen Quantenfluss Parametron (AQFP) Logik untersucht. Dies ist eine supraleitende Logik mit niedrigem Energieverbrauch und hoher Effizienz, die ein Potenzial für energieeffiziente Berechnungen hat. In dieser Arbeit wird eine der Literatur entnommene Architektur in einem Modell implementiert durch Simulationen verifiziert. Die Implementierung Ausleseschnittstelle konzentriert sich auf die Analyse und Integration von Funktionsblöcken wie eines Analog-Digital- Wandlers, einem Ausbreitungspfad zur Erzeugung zeitverzögerter Versionen eines Eingangssignals und einem Logikgatter, das zusammen einen Korrelator bildet, um eine eindeutige Detektion zu gewährleisten. Die Simulationsergebnisse der Schaltung und der digitalen Ausleseschnittstelle deuten auf einige mögliche Eingriffe der Schaltungen in die AQFP-Technologie hin. Diese Arbeit gibt einen guten Einblick in die Grundlagen von AQFP-Schaltungen und den Aufbau einer Standardzellenbibliothek für AQFP-Gatter, die in Foundries mit den verfügbaren Fertigungstechnologien verwendet werden, als zukünftiges Ziel.



Schulz, Alexander; Blau, Kurt; Müller, Jens
LTCC patch antenna array for 5G mobile applications featuring embedded air cavities. - In: 2022 International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2022), (2022), S. 139-140

A LTCC patch antenna array was designed and fabricated in Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) multilayer technology using picosecond laser structuring for precise manufacturing of embedded air cavities and feeding structures, which are beneficial for the antenna RF performance. Moreover, free-standing feeding vias in the embedded air cavities were successfully implemented in LTCC technology that enable a very simple and low-loss feed at the antenna ports. The 2x2 dual-polarized patch antenna array with embedded air cavities and transitions was first characterized by reflection measurements. The measured center frequency of the antenna is about 29.5 GHz and a bandwidth of nearly 1 GHz was achieved.



https://doi.org/10.23919/ICEP55381.2022.9795485
Gupta, Sonakshi;
Interactive platform for demonstrating different channel modeling approaches and features. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Bei der drahtlosen Kommunikation wird die Qualität des empfangenen Signals durch Faktoren wie Empfängerempfindlichkeit, Sendeleistung, Antennenparameter, Kommunikationsfrequenz und Kanalausbreitungseigenschaften bestimmt. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist für die Arbeit mit und für die Analyse von drahtloser Kommunikation notwendig. Die Modellierung drahtloser Kanale bei der Planung von Kommunikationsnetzen und der Bewertung der Leistung eines Kommunikationssystems für bestimmte Kanalparameter. Das Verständnis des drahtlosen Kommunikationssystems kann durch die Visualisierung verschiedener Kanalmodellierungsansätze und -eigenschaften in dreidimensionalen Darstellungen vereinfacht werden. In dieser Masterarbeit wird das Konzept einer interaktiven Plattform aus Pappkartons und Sand zur Modellierung von Kanalumgebungen zur Demonstration verschiedener Kanalmodellierungsmethoden und -funktionen vorgeschlagen. Dazu, um einige drahtlose Ausbreitungsmerkmale wie Sichtlinie, Fresnel-Zone, Beugung an einer scharfen Kante, Antennenstrahlungsmuster, Mehrwegeausbreitung, Signalabdeckung und scattering-clusters. Darüber hinaus wird ein Konzept für den Aufbau der interaktiven Plattform, der Benutzeroberfläche und der Bibliothek der Programmierschnittstellen entwickelt. Das Systemdesign und das Konzept sind anpassbar, um den Anforderungen der Benutzer gerecht zu werden. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit eine Referenzimplementierung für das vorgeschlagene Konzept entwickelt. Die auf der dreidimensionalen Plattform erstellte Szene wird mit einer Tiefensensorkamera aufgenommen. Die Szene wird dann so skaliert, dass sie einer natürlichen Kanalumgebung ähnelt. Auf der Grundlage der angegebenen Sender- und Empfängerpositionen werden dann dreidimensionale Abbildungen entwickelt, die die Merkmale der drahtlosen Ausbreitung darstellen. Die Draufsicht dieser Abbildungen wird auf die Plattformszene projiziert, um die Visualisierung der drahtlosen Kommunikationssysteme zu zeigen. Darüber hinaus werden die Abbildungen der Merkmale auch innerhalb des dreidimensionalen Modells der Szene simuliert. Um Daten für die Implementierung von Illustrationen für die drahtlose Mehrwegeausbreitung zu demonstrieren, wird ein Ray-Tracing-Algorithmus implementiert, der auf der SBR-Methode (Shooting Bouncing Ray) basiert.



Raghavendran, Pranesh;
Doppler-domain based enhancements for Type-II 5G NR codebooks. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In der Spezifikation für 5G New Radio (NR) wurden zwei Arten von Codebüchern, nämlich Typ-I und Typ-II, festgelegt. CB des Typs II bieten im Vergleich zu CB des Typs I eine hochauflösende und genauere Darstellung des Ausbreitungskanals. Mehrere Varianten der Typ-IICBs wurden bis zu Rel. 17 des Third Generation Partnership Project (3GPP) NR spezifiziert. Alle Varianten sind jedoch auf Fußgänger oder Szenarien mit geringer Mobilität ausgerichtet. Die aktuellen Typ-II-CBs bieten bei mittleren bis hohen Geschwindigkeiten keine angemessene Leistung, was hauptsächlich auf die derzeitige CSI-Messung und -Berichterstattung auf Basis der Kanalkohärenzzeit zurückzuführen ist, die die Kanalalterungseffekte der Ausbreitungskanäle nicht erfasst. In jüngster Zeit hat die Doppler-basierte Vorcodierung großes Interesse geweckt, da sie in der Lage ist, die Kanalalterungseffekte durch Ausnutzung der Doppler-Informationen der Ausbreitungskanäle zu überwinden. In dieser Masterarbeit wird ein vollständiges Rahmenwerk für Doppler-basierte Vorcodierung auf der Grundlage der aktuellen Typ-II-CBs entwickelt. Verschiedene Schätzverfahren, nämlich der gradientenbasierte Maximum Likelihood Parameterschätzer (RIMAX) und Orthogonal Matching Pursuit (OMP), werden zur Schätzung des Kanals verwendet, und ein auf OMP basierender Schätzalgorithmus mit geringer Komplexität wird vorgeschlagen. Auf der Grundlage des geschätzten Kanals wird die Berechnung der Vorkodierer sowohl an der gNodeB (gNB) als auch an der Benutzerausrüstung (UE) vorgeschlagen. Die vorgeschlagenen Vorkodierer werden in Bezug auf die Leistung und den Rückkopplungs-Overhead mit den Rel. 16 Typ II Vorkodierern verglichen. Darüber hinaus wird die Auswirkung der vorgeschlagenen Vorkodierer in Bezug auf steigende Aktualisierungsraten, Anzahl der Unterbänder und eine Reihe von Überabtastungsfaktoren für die Verzögerungs- und Doppler-Komponenten untersucht. Simulationsergebnisse, die auf der durchschnittlichen gegenseitigen Information basieren, und vorläufige Simulationsergebnisse auf Verbindungsebene zeigen, dass der vorgeschlagene Vorkodierer, der die Doppler- Information ausnutzt, die Rel. 16 Vorkodierer sowohl in Bezug auf die Leistung als auch den Rückkopplungs-Overhead übertrifft.



Khamidullina, Liana; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Multilinear generalized singular value decomposition (ML-GSVD) and its application to multiuser MIMO systems. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 70 (2022), S. 2783-2797

In this paper, we introduce a Multilinear Generalized Singular Value Decomposition (ML-GSVD) for two or more matrices with one common dimension. The ML-GSVD extends the Generalized Singular Value decomposition (GSVD) of two matrices to higher orders. The proposed decomposition allows us to jointly factorize a set of matrices with one common dimension. In comparison with other approaches that extend the GSVD, the ML-GSVD preserves the essential properties of the original (matrix-based) GSVD, such as orthogonality of the second-mode factor matrices as well as the subspace structure of the third-mode factor matrices. We introduce an ALS-based algorithm to compute the ML-GSVD, which has been inspired by PARAFAC2 decomposition algorithms. In addition, we present an application of the ML-GSVD for transceiver optimization in multicast and unicast MIMO-OFDM systems. Our numerical results show that the proposed ML-GSVD multicast and unicast beamforming outperforms existing state-of-the-art schemes in terms of the sum rate.



https://doi.org/10.1109/TSP.2022.3178902
Müller, Robert; Dupleich, Diego
THz broadband channel sounders. - In: THz Communications, (2022), S. 37-48

This chapter is the perfect introduction to get an overview of THz channel sounder technologies. Additionally, all relevant state of the art and references for the field of THz channel sounding are summarized. The aim of the THz sounder chapter is to create a basic understanding of measurement setups and challenges for the measurement of the electromagnetic wave propagation in the THz range. All necessary principles, from generating the transmit signal over different mixing principles to the THz band and the data acquisition, are compact summarized.



Wegner, Tim Erich; Gedschold, Jonas; Kropp, Gerrit; Trabert, Johannes; Kmec, Martin; Del Galdo, Giovanni
Descending staircase detection for service robots based on M-sequence UWB radar. - In: 2021 18th European Radar Conference, (2022), S. 29-32

Service robotics is expected to be one of the central growth industries of this century. The technological key to this lies in the sufficient perception of the environment, even under difficult conditions, because mobile robots have to orientate themselves and navigate without collision under all circumstances. However, the safe detection of especially descending stairs is a big challenge so far. In this paper, the results of descending staircase detection using UWB radar are shown. The individual steps of the signal processing from signal preparation to multi-target tracking are briefly explained and an outlook is given on how to classify a staircase based on the results. For all investigated stairs the edge of the first step could be detected reliably from a distance of 1.5 m and multiple steps are distinguishable as well.



https://doi.org/10.23919/EuRAD50154.2022.9784493
Hofmann, Willi; Schwind, Andreas; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Angle-dependent reflectivity of microwave absorbers at oblique wave incidence. - In: 2021 51st European Microwave Conference, (2022), S. 233-236

For frequencies in the GHz-range, anechoic chambers are usually evaluated using ray-tracing techniques to locate disturbing reflections off the chamber walls. Most approaches reduce this wave-absorber interaction to a specular reflection, although the absorbers may extend over several wavelengths in size and display a rough surface. In order to develop more realistic ray-tracing models, the reflection characteristics of absorbers must be evaluated based on physical wave phenomena. In this paper, a measurement method is proposed which extends the established NRL-arch to measure the angle-dependent reflectivity for non-specular cases. First measurement results of commercial pyramidal absorbers in the frequency range between 1GHz and 10GHz indicate that the assumption of specular reflections is not justified, as power is reflected over a wide angular range with approximately the same intensity. This effect is, to our knowledge, currently not implemented in ray-tracing methods. These results contribute to a better understanding of the properties of RF absorbers to improve the efficiency of their use.



https://doi.org/10.23919/EuMC50147.2022.9784282
Smeenk, Carsten; Wegner, Tim Erich; Kropp, Gerrit; Trabert, Johannes; Del Galdo, Giovanni
Localization and navigation of service robots by means of M-sequence UWB radars. - In: 2021 18th European Radar Conference, (2022), S. 189-192

The use of service robots has become much more relevant in industry and retail in recent years. To be of best possible benefit to humans, an autonomous motion ability of the service robots is of central importance. This requires that the robot can perceive its surroundings as precisely as possible by using different sensors and their fusion. In contrast to optical sensors, an UWB sensor can, for example, detect small and almost invisible objects such as glass panes with high range resolution. In this paper, a signal processing chain for detection of the environment with M-sequence UWB sensors is proposed. The proposed chain includes pulse reconstruction based on calibration measurements, background subtraction, object detection based on CFAR techniques, and multi-target tracking based on the Kalman filter and the nearest-neighbor approach.



https://doi.org/10.23919/EuRAD50154.2022.9784511
Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Impact of small-cell deployment on combined uplink and downlink RF exposure compared to the status quo in mobile networks. - In: 2021 51st European Microwave Conference, (2022), S. 618-621

As new cellular technologies are introduced in mobile networks nowadays, more and more small cells and mobile road side units are being deployed to upgrade the performance of the wireless communication network. With regard to the overall human RF exposure, the question arises to what extent the exposure is affected by the deployment of such small cells compared to macro cells as the status quo. In an attempt to answer this important question, this paper proposes a method to measure and evaluate the combined uplink and downlink exposure in terms of the specific absorption rate of a mobile phone user at recently installed small cell locations. The comparison between the small cell and macro cell scenarios revealed a reduction of the total exposure when the user equipment was logged into the investigated LTE small cells, although the downlink exposure increased. The main reason for this encouraging result is the reduction of the uplink transmission power due to the improved link conditions across the small cell. In contrast, the total exposure in a macro cell scenario is dominated by the uplink exposure. In order to minimise the total exposure, a balance must be sought between downlink and uplink exposure.



https://doi.org/10.23919/EuMC50147.2022.9784284
Aust, Philip; Hau, Florian; Dickmann, Jürgen; Hein, Matthias
A data-driven approach for stochastic modeling of automotive radar detections for extended objects. - In: Ulm 2022 GeMiC, (2022), S. 80-83

Radar sensors play an important role in automated driving technologies. However, the rising number of sensors deployed to enable autonomous driving functions leads to enormous validation efforts. While simulations are a possible approach to accelerate the validation process, the development effort for realistic sensor models increases significantly. Data-driven sensor models offer the possibility to replicate sensor data accurately and efficiently. Using real measurement data, the sensor output can be simulated without the detailed parametric modeling of the wave propagation and sensor effects. In this paper, the radar signatures of a passenger vehicle under a constant aspect angle are analyzed in real measurements. Then, a data-driven approach for stochastically modeling the radar target detections is presented. The model is trained with real sensor data to achieve a high degree of realism. A qualitative comparison between the simulated and measured detections reveals promising results.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9783497
Kalloch, Benjamin; Weise, Konstantin; Lampe, Leonie; Bazin, Pierre-Louis; Villringer, Arno; Hlawitschka, Mario; Sehm, Bernhard
The influence of white matter lesions on the electric field in transcranial electric stimulation. - In: NeuroImage: Clinical, ISSN 2213-1582, Bd. 35 (2022), 103071, S. 1-12

Background - Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a promising tool to enhance therapeutic efforts, for instance, after a stroke. The achieved stimulation effects exhibit high inter-subject variability, primarily driven by perturbations of the induced electric field (EF). Differences are further elevated in the aging brain due to anatomical changes such as atrophy or lesions. Informing tDCS protocols by computer-based, individualized EF simulations is a suggested measure to mitigate this variability. - Objective - While brain anatomy in general and specifically atrophy as well as stroke lesions are deemed influential on the EF in simulation studies, the influence of the uncertainty in the change of the electrical properties of the white matter due to white matter lesions (WMLs) has not been quantified yet. - Methods - A group simulation study with 88 subjects assigned into four groups of increasing lesion load was conducted. Due to the lack of information about the electrical conductivity of WMLs, an uncertainty analysis was employed to quantify the variability in the simulation when choosing an arbitrary conductivity value for the lesioned tissue. - Results - The contribution of WMLs to the EF variance was on average only one tenth to one thousandth of the contribution of the other modeled tissues. While the contribution of the WMLs significantly increased (p≪.01) in subjects exhibiting a high lesion load compared to low lesion load subjects, typically by a factor of 10 and above, the total variance of the EF didnot change with the lesion load. - Conclusion - Our results suggest that WMLs do not perturb the EF globally and can thus be omitted when modeling subjects with low to medium lesion load. However, for high lesion load subjects, the omission of WMLs may yield less robust local EF estimations in the vicinity of the lesioned tissue. Our results contribute to the efforts of accurate modeling of tDCS for treatment planning.



https://doi.org/10.1016/j.nicl.2022.103071
Ahmed, Shayan;
Semantic segmentation of point clouds for robot vision using machine learning methods. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Eine der schwierigen Herausforderungen, denen sich Serviceroboter stellen müssen, ist das vollständige Verständnis der Szene. Aus diesem Grund werden verschiedene Strategien angewandt, um eine punktuelle Aufteilung der 3D-Szene zu erreichen, wie z.B. die semantische Segmentierung. Die Verwendung von ML ist eine Aufgabe, die gelabelte Daten für das Training eines neuronalen Netzes erfordert. Daher wird in dieser Studie eine automatische Bildbeschriftungsmethode auf Pixelebene untersucht, um beschriftete Daten zu generieren, die dann zum Vergleich mit einem 3D-Netz verwendet werden, das mit einem etwas anderen, aber perfekt beschrifteten Datensatz trainiert wurde. Darüber hinaus werden einige der populären neuronalen Netze für Pixel-Annotation in 2D untersucht und mit einer regionsbasierten und einer verteilungsbasierten Verlustfunktion für das Training bewertet. Außerdem wird das Konzept des Transfer-Lernens untersucht, um bereits trainierte Modelle für Vorhersagen zu verwenden.



Ismer, Markus;
Entwicklung einer elektronischen Messkarte zur mehrkanaligen zeitaufgelösten Erfassung der Leistung elektrischer Verbraucher als Basis einer Energiebedarfsmodellierung. - Ilmenau. - 152 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Beim Entwurf von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) spielt die Verifikation eine entscheidende Rolle. Bisherige Methoden und Technologien dafür kommen durch eine immer größer werdende Komplexität an ihre Grenzen. Im Forschungs- und Entwicklungsprojekt KI-EDA werden deshalb verhaltensgesteuerte Modelle untersucht. Zur Modellierung ist unter anderem die Kenntnis des aktuellen Energiebedarfs von ASICs notwendig. Diese Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Schaltungen zur Strommessung und dem Einsatz dieser auf einer Messkarte für die zeitaufgelöste Erfassung der Leistung elektrischer Verbraucher. Im Rahmen dessen wird zu Konzepten zur Leistungsmessung recherchiert, um mögliche Optionen für die Messkarte abzuwägen. Zur Gewährleistung des Entwurfs werden für verschiedene Messprinzipien umfangreiche Untersuchungen (Simulationen und Messungen) durchgeführt. Auf Basis der Daten wird die geeignetste Variante des Messprinzips ausgewählt, um eine Schaltung zu entwerfen. Die Erkenntnisse dienen als Grundlage für den Aufbau einer Messkarte mit dem Ziel der Erfassung elektrischer Leistungen von ASICs. Hierzu werden mehrere Schaltungen entwickelt, um bei konstanter Spannung den Strom vom ASIC durch einen Stromspiegel auszukoppeln und anschließend mit logarithmischen Verstärkern in eine äquivalente Spannung zu wandeln. Die Funktionalität wird durch umfangreiche Messungen mit verschiedenen Aufbauten bestätigt. Das Ergebnis der Arbeit ist eine Messkarte, welche die zeitaufgelöste Detektion von Momentanleistungen, im Bereich von 10 nW bis 100 mW, ermöglicht.



Ardah, Khaled; Gherekhloo, Sepideh; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Double-RIS versus single-RIS aided systems: tensor-based MIMO cannel estimation and design perspectives. - In: 2022 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2022), S. 5183-5187

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have been proposed recently as new technology to tune the wireless propagation channels in real-time. However, most of the current works assume single-RIS (S-RIS)-aided systems, which can be limited in some application scenarios where a transmitter might need a multi-RIS-aided channel to communicate with a receiver. In this paper, we consider a double-RIS (D-RIS)-aided MIMO system and propose an alternating least-squares-based channel estimation method by exploiting the Tucker2 tensor structure of the received signals. Using the proposed method, the cascaded MIMO channel parts can be estimated separately, up to trivial scaling factors. Compared with the S-RIS systems, we show that if the RIS elements of an S-RIS system are distributed carefully between the two RISs in a D-RIS system, the training overhead can be reduced and the estimation accuracy can also be increased. Therefore, D-RIS systems can be seen as an appealing approach to further increase the coverage, capacity, and efficiency of future wireless networks compared to S-RIS systems.



https://doi.org/10.1109/ICASSP43922.2022.9746287
Ahmad, Bilal; Khamidullina, Liana; Korobkov, Alexey A.; Manina, Alla; Haueisen, Jens; Haardt, Martin
Joint model order estimation for multiple tensors with a coupled mode and applications to the joint decomposition of EEG, MEG Magnetometer, and Gradiometer tensors. - In: 2022 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2022), S. 1186-1190

The efficient estimation of an approximate model order is essential for applications with multidimensional data if the observed low-rank data is corrupted by additive noise. Certain signal processing applications such as biomedical studies, where the data are collected simultaneously through heterogeneous sensors, share some common features, i.e., coupled factors among multiple tensors. The exploitation of this coupling can lead to a better model order estimation, especially in case of low SNRs. In this paper, we extend the rank estimation techniques, designed for a single tensor, to noise-corrupted coupled low-rank tensors that share one of their factor matrices. To this end, we consider the joint effect of the global eigenvalues (calculated from the coupled HOSVD) and exploit the exponential behavior of the resulting coupled global eigenvalues. We show that the proposed method outperforms the classical criteria and can be successfully applied to EEG, MEG Magnetometer, and Gradiometer measurements. Our real data simulation results show that the estimated rank is highly reliable in terms of dominant components extraction.



https://doi.org/10.1109/ICASSP43922.2022.9747735
Djuitcheu, Hubert; Debes, Maik; Aumüller, Matthias; Seitz, Jochen
Recent review of distributed denial of service attacks in the Internet of Things. - In: 5th Conference on Cloud and Internet of Things, (2022), S. 32-39

The use of the Internet of Things (IoT) in almost all domains nowadays makes it the network of the future. Due to the high attention since its creation, this network is the target of numerous attacks of different purpose and nature, of which one of the most perpetrated and virulent is the distributed denial of services (DDoS) attack. This article reviews the different security requirements and some of the attacks within IoT networks. It then focuses on DDoS attacks on the IoT and summarizes some methods of countermeasures for this attack, from the oldest to the most recent ones. Based on this study, it seems that the benefits of machine learning (ML) and deep learning (DL) combined with other technologies such as software defined networking (SDN) are very promising approaches against DDoS attacks.



https://doi.org/10.1109/CIoT53061.2022.9766655
Engelhardt, Maximilian; Andrich, Carsten; Ihlow, Alexander; Del Galdo, Giovanni
RF performance of USRP TwinRX daughterboard under influence of strong interferers. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

In this paper, we investigate the sensitivity of the software-defined radio (SDR) universal software radio peripheral (USRP) X310 with a TwinRX daughterboard to strong interferers. In a conducted test setup, the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) is measured under the influence of a mock-up Long-Term Evolution (LTE) base station. The frequency of the interferer is varied to analyze the effects over a wide frequency band, whereby a distinction is made between signals inside and outside the intermediate frequency (IF) band. The former can cause clipping at the analog-to-digital converter (ADC), while the latter are to be suppressed in the analog part of the software-defined radio. Here, leakage and higher-order mixing products make the receiver sensitive to spurious frequencies, whereby the performance degradation is particularly noticeable near the first intermediate frequency (IF1) of 1.25 GHz. At this point, even an interference signal with −28 dBm peak envelope power (PEP) causes an SINR loss of 3 dB.



https://doi.org/10.23919/EuCAP53622.2022.9769615
Rashidifar, Ali; Semper, Sebastian; Wagner, Christoph
A frequency domain approach for estimating the angular dependent delay of an UWB antenna. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

The procedure of estimating the angular dependent delay of an Ultra Wideband (UWB) antenna, directly in frequency domain, is presented. It is shown that in this approach any occurrences that can lead to inaccurate results, such as the windowing effect, can be entirely avoided. It alleviates the need to design a specific pulse, since the transfer function can be obtained by a frequency sweep. Moreover, polarization mismatch is accounted in the analysis. To this end, an UWB monopole antenna is designed and it is simulated with time and frequency domain solvers. The simulation results demonstrate that only frequency domain analysis is sufficient for the delay estimation. The outcome of this work provides a clear procedure for obtaining the angular dependent delay of an antenna in an accurate way.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769534
Berlt, Philipp; Altinel, Berk; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Concept for virtual drive testing on the basis of challenging V2X and LTE link scenarios. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

Virtual drive tests using the over-the-air/vehicle-in-the-loop method are becoming an essential part of testing vehicular radio systems. Different approaches address the question which link scenarios and channel environments are relevant, and should be tested. Up to now, this question has not been fully answered. This paper deals with the identification of challenging scenarios for the wireless transmission standards LTE and ITS-G5 based on jointly performed drive tests, and how these can be transferred into a virtual test concept. In the case of LTE, the focus is on the transition region between different mobile radio cells (cell edge). We have reproducibly observed that the achievable data throughput drops significantly at cell edges compared to the cell centers. For ITS-G5, the communication limit was examined as a function of the distance and visibility conditions between two communicating vehicles.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9768972
Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Analysis of instantaneous and maximal RF exposure in 4G/5G networks with dynamic spectrum sharing. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

From mid of 2020 to mid of 2021, the 3G mobile radio network in Germany was gradually replaced by the successor technologies 4G and 5G. Therefore, dynamic spectrum sharing (DSS) was introduced in the 2100 MHz band, which allows a parallel operation of 4G and 5G. There is an increasing need of public information with regard to a possible change in human RF exposure associated with 5G and DSS. Hence, investigations were carried out to study the instantaneous and maximal exposure of persons to base stations in the 2100 MHz band. Our study shows, that the instantaneous exposure has remained comparable before and after the introduction of 4G/5G with DSS. Regarding the maximal RF exposure, code-selective measurements of 3G and 4G with DSS show no significant change in exposure. To analyze the maximal exposure to 5G with DSS, code-selective measurements have been applied for the first time and compared with the 4G exposure in the same band. The results show no significant difference in maximal exposure between 4G and 5G. Furthermore, the need of code-selective measurements in comparison with the frequency-selective method for 5G is demonstrated if different parts of the electromagnetic field that contribute to exposure have to be assigned to selected base stations.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769680
Hasnain, Syed N.; Stehr, Uwe; Stephan, Ralf; Brachvogel, Marius; Meurer, Michael; Hein, Matthias
Robustness testing of a compact distributed automotive GNSS array in virtual environment. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

To develop a compact distributed array for safe and robust automotive satellite navigation, considerable work on testing prototypes is in progress. Before scheduling resource-hungry outdoor tests, functionality and robustness of a Galileo-compatible compact distributed 4-element L-shaped array receiver has been tested against interference in a virtual environment at E5a frequency band. Such an array consisting of compact quarter wavelength sub-arrays distributed over many wavelengths, fed with a decoupling network, mounted in side mirrors of a mock-up car was measured and evaluated with and without a jammer. The effects of automotive mounting location and robustness of the receiver against the jammer have been analyzed in terms of measured radiation patterns and achieved carrier-to-noise-density ratio of the received satellite signals.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769032
Dupleich, Diego; Han, Niu; Ebert, Alexander; Müller, Robert; Ludwig, Stephan; Artemenko, Alexander; Eichinger, Josef; Geiss, Tobias; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
From sub-6 GHz to mm-wave: simultaneous multi-band characterization of propagation from measurements in industry scenarios. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

In the present paper we introduce simultaneous multi-band measurements at sub-6 GHz and two mm-wave bands with the objective of characterizing propagation for multi-band channel modelling purposes in industry scenarios. The marginal power profiles show that the dominant scatterers are common in the different frequencies. In addition, a relation of decreasing average delay and angular spreads with increasing frequency is observed. The different measured parameters are contrasted with the 3GPP model for indoor factories.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9768944
Wegner, Tim Erich; Gebhardt, Stefan; Del Galdo, Giovanni
Level measurement of low-permittivity material using an M-sequence UWB radar. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

Due to increasingly complex and automated manufacturing processes, the demands on the control parameters of these processes are also increasing. One parameter is the fill quantity of e.g. liquids in production plants, whose precise determination is of ever growing importance. Up to now, the exact level determination under difficult conditions, such as high ambient temperatures, has been a particular challenge. This paper demonstrates a novel method by which an M-sequence UWB radar can determine levels of low-permittivity materials in small metal containers. For this purpose, hot melt is used as an example. Thus, the influence of large temperature differences on the long-term stability of level measurement can also be investigated. The measurements show that the level of hot melt can be measured long-term stable with an accuracy of better than 3 mm.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769405
Dupleich, Diego; Semper, Sebastian; Al-Dabbagh, Mohanad Dawood; Ebert, Alexander; Kleine-Ostmann, Thomas; Thomä, Reiner
Verification of THz channel sounder and delay estimation with over-the-air multipath artifact. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

In the present paper we introduce the empirical results of measurements with an over-the-air based propagation artifact for verification and validation of sub-THz and THz channel sounders and parameter estimation algorithms. This experiment produces a fixed number of multipath components with traceable propagation properties in the different domains that can be used to test resolution and performance. Because of the inherent characteristics of the measurement hardware, we have introduced an adaptation on a parametric high resolution estimation algorithm to account the imperfections of the channel sounder. The results have shown to account for a relative good performance of the sounder and the tested parametric and non-parametric estimation algorithms.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769269
Asghar, Muhammad Ehtisham; Bornkessel, Christian; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Automotive antenna measurements in the installed state under variable boundary conditions. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 4 S.

Automotive antenna measurements are typically performed in an anechoic (free-space) or semi-anechoic (reflective ground) environment. Even though measurements under these conditions provide sufficient knowledge about antenna performance, the automotive industry often desires to evaluate installed automotive antennas under practical road conditions. This requires a combined approach to test and qualify vehicular antennas; however, facilities deploying variable boundary conditions for measurements are challenging to devise. Alternatively, numerical simulations can be used to perform such investigations; nevertheless, it is essential to verify such simulations through measurements. In the Virtual Road Simulation and Test Area (VISTA) of the Thuringian Center of Innovation in Mobility at the Technische Universität Ilmenau, a new approach to provide variable boundary conditions for antenna measurements is realized to evaluate the impact of different electromagnetic boundary conditions and to bridge the gap between numerical simulations and measurements. It consists of a modular and mechanically robust plastic frame carrying a customizable fabric substituting a ground plane. This paper presents and discusses the initial measurement results of a reference antenna and an installed automotive antenna performed over the conducting fabric. The convincingly good correlation of more than 74% between the measured data and numerical simulations shows the validity of the proposed method.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769602
Hofmann, Willi; Schwind, Andreas; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Analysis of microwave absorber scattering using ray-tracing and advanced measurement techniques. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

Ray-tracing methods can be applied to evaluate the wave propagation in anechoic electromagnetic environments, in order to improve measurement concepts, or to address the increasing demands on test concepts for new radio wireless transmission functionalities. The accuracy of the data obtained from such a chamber model depends crucially on the modeling of the microwave absorbers. Often the scattering off the absorbers is simplified by specular reflections, ignoring the actual direction-dependent scattering properties of the absorbers resulting from their geometry, arrangement, and material. As this may cause significant misconceptions, improved ray-tracing models of absorbers based on their scattering character are needed. In this paper, the scattering of two types of 18″ absorbers with pyramidal and wedge geometries is analyzed and expected scattering patterns are described. Based on an existing shooting-and-bouncing-rays software, a simulation approach is introduced and used to relate the analytical findings with results of measurements of the angle-dependent reflectivity. In addition to the primarily specular reflection for wedge absorbers and scattering in many directions off the pyramidal absorbers, the results show that nearfield effects influence this scattering pattern, as eventually confirmed by the simulations.



https://ieeexplore.ieee.org/document/9769577
Engelhardt, Maximilian; Beuster, Julia; Andrich, Carsten; Ihlow, Alexander; Del Galdo, Giovanni
Fast gain switching on TwinRX USRPs. - In: 16th European Conference on Antennas and Propagation, (2022), insges. 5 S.

In this paper, we investigate the gain switching performance of the software-defined radio (SDR) universal software radio peripheral (USRP) X310 with the TwinRX daughterboard and propose a method to optimize it for fast transitions. This receiver uses a complex structure of two switchable amplifiers and two digital step attenuators to realize the wide gain setting range of up to 92 dB. Our measurements of the settling time show that the bulk of transitions between two gain settings take below 1.5 µs, but some require more than 50 µs, caused by the power-up of the switchable amplifiers. Based on this knowledge, we propose a modified switching regime, in which the amplifiers are not toggled in time-critical phases, e.g., during a running measurement, so that a transition time of 1.5 µs can be reliably realized. Thus, a gain switching range of 62 dB is achieved, within which, for example, a fast automatic gain control can be realized.



https://doi.org/10.23919/EuCAP53622.2022.9769488
Agostini, Patrick; Utkovski, Zoran; Staânczak, Sławomir; Memon, Aman Amir; Zafar, Bilal; Haardt, Martin
Not-Too-Deep Channel Charting (N2D-CC). - In: 2022 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), (2022), S. 2160-2165

Channel charting (CC) is an emerging machine learning method for learning a lower-dimensional representation of channel state information (CSI) in multi-antenna systems while simultaneously preserving spatial relations between CSI samples. The driving objective of CC is to learn these representations or channel charts in a fully unsupervised manner, i.e., without the need for having access to explicit geographical information. Based on recent findings in deep manifold learning, this paper addresses the problem of CC via the "not-too-deep" (N2D) approach for deep manifold learning. According to the proposed approach, an embedding of the global channel chart is first learned using a deep neural network (DNN)-based autoencoder (AE), and this embedding is subsequently searched for the underlying manifold using shallow clustering methods. In this way we are able to counter the problem of collapsing extremities - a well known deficiency of channel charting methods, which in previous research efforts could only be mitigated by introducing side-information in form of distance constraints. To further exploit the ever-increasing spatio-temporal CSI resolution in modern multi-antenna systems, we propose to augment the employed AE with convolutional neural network (CNN) input layers. The resulting convolutional autoencoder (CAE) architecture is able to automatically extract sparsely distributed spatio-temporal features from beamspace domain CSI, yielding a reduced computational complexity of the resulting model.



https://doi.org/10.1109/WCNC51071.2022.9771913
Soleymani, Dariush M.; Gholamian, Mohammad Reza; Del Galdo, Giovanni; Mückenheim, Jens; Mitschele-Thiel, Andreas
Open sub-granting radio resources in overlay D2D-based V2V communications. - In: EURASIP journal on wireless communications and networking, ISSN 1687-1499, Bd. 2022 (2022), 46, S. 1-29
Richtiger Name des Verfassers: Dariush Mohammad Soleymani

Capacity, reliability, and latency are seen as key requirements of new emerging applications, namely vehicle-to-everything (V2X) and machine-type communication in future cellular networks. D2D communication is envisaged to be the enabler to accomplish the requirements for the applications as mentioned earlier. Due to the scarcity of radio resources, a hierarchical radio resource allocation, namely the sub-granting scheme, has been considered for the overlay D2D communication. In this paper, we investigate the assignment of underutilized radio resources from  D2D communication to device-to-infrastructure communication, which are moving in a dynamic environment. The sub-granting assignment problem is cast as a maximization problem of the uplink cell throughput. Firstly, we evaluate the sub-granting signaling overhead due to mobility in a centralized sub-granting resource algorithm, dedicated sub-granting radio resource (DSGRR), and then a distributed heuristics algorithm, open sub-granting radio resource (OSGRR), is proposed and compared with the DSGRR algorithm and no sub-granting case. Simulation results show improved cell throughput for the OSGRR compared with other algorithms. Besides, it is observed that the overhead incurred by the OSGRR is less than the DSGRR while the achieved cell throughput is yet close to the maximum achievable uplink cell throughput.



https://doi.org/10.1186/s13638-022-02128-0
Mančiâc, Žaklina J.; Petkoviâc, Bojana; Cvetkoviâc, Zlata Ž.
Distortion of electric field homogeneity between two thin toroidal electrodes by a dielectric sphere. - In: Serbian journal of electrical engineering, ISSN 2217-7183, Bd. 19 (2022), 1, S. 45-56

We assess the influence of a radius and a relative permittivity of an isotropic dielectric sphere on electric field homogeneity. The homogenous electric field is generated using two thin toroidal electrodes, charged by equal charges of opposite signs. The Poisson equation is solved by a method of separation of variables. Increase in a relative permittivity of the sphere and in its radius, produces more distortions of the electric field homogeneity.



https://doi.org/10.2298/SJEE2201045M
Lak, Hadi Jalali; Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Distributed vehicular communication protocols for autonomous intersection management. - In: The 13th International Conference on Ambient Systems, Networks and Technologies (ANT) / The 5th International Conference on Emerging Data and Industry 4.0 (EDI40), (2022), S. 150-157

Intersections are considered to be a vital part of urban transportation and drivers are prone to make more mistakes, when driving through the intersections. A high percentage of the total fatal car accidents leading to injuries are reported within intersections annually. On the other side, there usually is traffic congestion at intersections during busy times of day. Stopping the vehicles in one direction to let the vehicle pass in the other directions leads to this phenomenon and it has a huge effect on traffic delay, which causes great squander in natural and human resources as well as leading to weather pollution in metropolises. The goal of this paper is to design and simulate different spatio-temporal-based algorithms for autonomous connected vehicles to be able to cross the intersection safely and efficiently. Vehicles employ vehicle-to-vehicle (V2V) communication via dedicated short range communications (DSRC) [4, 1] to exchange their kinematic information with each other. The proposed algorithms are compared to each other as well as with traditional methods like traffic lights in terms of various performance metrics such as traffic congestion, speed and especially delay to find the optimal control approach for autonomous intersection management.



https://doi.org/10.1016/j.procs.2022.03.022
Häfner, Stephan; Dürr, André; Waldschmidt, Christian; Thomä, Reiner
A novel covariance model for MIMO sensing systems and its identification from measurements. - In: Signal processing, Bd. 197 (2022), 108542

A novel model for the covariance matrix of sampled observations by multiple-input-multiple-output (MIMO) sensing systems with parallel receiver channels will be presented. The model is of shifted Kronecker structure and accounts for two mutually independent noise processes: a coloured and a white one. The maximum-likelihood (ML) estimator is applied to identify this covariance model from observations. The ML estimator gives rise to a non-convex optimisation problem. Since no closed-form solution is available, an iterative, space-alternating Gauss-Newton algorithm is proposed to solve the optimisation problem. This approach repeatedly requires the evaluation of the ML cost function. Since the cost function composes of the inverse and determinant of the covariance matrix, its evaluation can be memory exhaustive, numerically unstable and computationally complex. A computational method is developed to overcome these issues, using the simultaneous matrix diagonalisation and exploiting the properties of the Kronecker product. Measurements by a MIMO radar are used to identify the covariance model and to demonstrate its benefits. The identified covariance model is used to whiten the measurements. The whitening reduces interfering, noise-like components, which enhances the signal-to-interference ratio and hence facilitates the target detection.



https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2022.108542
Prévost, Clémence; Usevich, Konstantin; Haardt, Martin; Comon, Pierre; Brie, David
Constrained Cramér-Rao bounds for reconstruction problems formulated as coupled canonical polyadic decompositions. - In: Signal processing, Bd. 198 (2022), 108573

We propose a theoretical performance analysis for a class of reconstruction problems, formulated as coupled canonical polyadic decompositions of two low-resolution tensor observations. We study a particular case when all the modes of the tensors are coupled. Unlike the case of a single coupling constraint, a fully-coupled model requires nonlinear constraints in some estimation scenarios. Thus we introduce two probabilistic scenarios. For each scenario, we derive the constrained Cramér-Rao bounds for the parameters and for the mean-squared error of the reconstructed tensor. We show that with a carefully chosen initialization, the maximum likelihood estimators reach the bounds, even in challenging cases (low signal-to-noise ratio or large tensor rank).



https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2022.108573
Weise, Konstantin; Wartman, William A.; Knösche, Thomas R.; Nummenmaa, Aapo R.; Makarov, Sergey N.
The effect of meninges on the electric fields in TES and TMS. Numerical modeling with adaptive mesh refinement. - In: Brain stimulation, ISSN 1876-4754, Bd. 15 (2022), 3, S. 654-663

Background - When modeling transcranial electrical stimulation (TES) and transcranial magnetic stimulation (TMS) in the brain, the meninges - dura, arachnoid, and pia mater - are often neglected due to high computational costs. - Objective - We investigate the impact of the meningeal layers on the cortical electric field in TES and TMS while considering the headreco segmentation as the base model. - Method - We use T1/T2 MRI data from 16 subjects and apply the boundary element fast multipole method with adaptive mesh refinement, which enables us to accurately solve this problem and establish method convergence at reasonable computational cost. We compare electric fields in the presence and absence of various meninges for two brain areas (M1HAND and DLPFC) and for several distinct TES and TMS setups. - Results - Maximum electric fields in the cortex for focal TES consistently increase by approximately 30% on average when the meninges are present in the CSF volume. Their effect on the maximum field can be emulated by reducing the CSF conductivity from 1.65 S/m to approximately 0.85 S/m. In stark contrast to that, the TMS electric fields in the cortex are only weakly affected by the meningeal layers and slightly (∼6%) decrease on average when the meninges are included. - Conclusion - Our results quantify the influence of the meninges on the cortical TES and TMS electric fields. Both focal TES and TMS results are very consistent. The focal TES results are also in a good agreement with a prior relevant study. The solver and the mesh generator for the meningeal layers (compatible with SimNIBS) are available online.



https://doi.org/10.1016/j.brs.2022.04.009
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
Suri, Rohan;
Information-centric networking for Airborne Networks. - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser neuen, schnelleren Generation des Internets sind die Daten und Inhalte bereits die größten und wichtiger (z.B. YouTube, Netflix, Amazon, iTunes, Spotify). Das frühere Internet basierte auf dem Konzept der Datenübertragung auf Client-Server-Basis Verbindung ohne Bedingung für Quality of Service (QoS). Der Begriff Informationszentriert Networking (ICN) erschien um 2010, wahrscheinlich inspiriert von Van Jacobsons Google aus dem Jahr 2006 Tech Talk "Eine neue Sicht auf Networking". Dies war einer der Wendepunkte die Internetarchitektur von einem ganz neuen Standpunkt aus zu betrachten. Die Hauptmotivation gegenüber ICN ist das architektonische Missverhältnis der heutigen Internetarchitektur und ihrer Nutzung. Information-Centric Networking (ICN) bringt viele Fortschritte und Vorteile über die traditionelle Infrastruktur, die im Fall der Luftfahrzeuge nicht getestet wurde Netzwerke. Unser Ziel dieser Arbeit ist es, die ICN-Kommunikation in der Luft zu testen Netzwerk mithilfe von Netzwerkvirtualisierungstechnologie basierend auf Software Defined Networking (SDN) und testen Sie die Load-Balancing-Schemata. In den Ergebnissen der Diplomarbeit die Leistung Es wurde eine Auswertung zwischen zwei Weiterleitungsstrategien durchgeführt. Mehrere Controller waren auch auf den SDN- und ICN-Technologien getestet. Unter Verwendung aller oben genannten Technologien in der Luft Die Netzwerktopologie wurde bereitgestellt und die Kommunikation über ICN ermöglicht. Das gesamte Setup wurde für das Airlab-Testbed bei Airbus erstellt, um eines seiner Ziele zu zeigen das Potenzial der Verwendung von ICN als Kernelement zukünftiger luftgestützter Netzwerke in Bezug auf Unterstützung von Internet Protocol (IP)-Anwendungen bei gleichzeitiger Erzielung einer besseren Leistung mobile Umgebungen.



Rakhimov, Adel;
Performance analysis of Tensor ESPRIT in DFT-beamspace. - Ilmenau. - 181 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In dieser Arbeit betrachten wir die analytische Leistungsanalyse von Tensor-ESPRIT im Elementraum und DFT-Strahlraum unter Verwendung physikalischer Parameter. Wir betrachten die Störungserweiterung erster Ordnung des Signalunterraumschätzungsfehlers. Zunächst betrachten wir die Leistungsanalyse von 1-D-ESPRIT-Algorithmen im Elementraum und DFT-Strahlraum und leiten Ausdrücke für den mittleren quadratischen Fehler ab, die bestimmte Annahmen über die Verteilung des Rauschens voraussetzen. Zweitens analysieren wir die Vorteile der Verwendung physikalischer Parameter anstelle von Unterraumkomponenten, die über die Singulärwertzerlegung der Messmatrix gefunden werden. Drittens erweitern wir unsere Analyse auf Tensor-ESPRIT im Elementraum und DFT-Strahlraum auf der Grundlage desselben Ansatzes. Wir stellen Simulationen in Matlab zur Verfügung, die die Ausdrücke für den von uns abgeleiteten mittleren quadratischen Fehler verifizieren. Außerdem betrachten wir eine Tensor-Formulierung der Cramer-Rao-Untergrenze für das Problem der R-D-Kanalparameterschätzung im DFT-Strahlraum. Um einen tensorbasierten Ausdruck für die untere Schranke von Cramer-Rao zu erhalten, betrachten wir die kanonische polyadische Zerlegung eines mehrdimensionalen Kanals und beschreiben die Ableitung der Fisher-Informationsmatrix in Tensorform. Darüber hinaus wurden Algorithmen zur Ableitung der unteren Schranke von Cramer-Rao im DFT-Strahlraum und Elementraum entwickelt. Außerdem zeigen wir Simulationsergebnisse der vorgeschlagenen Formulierung für die 3-D-Kanalparameterschätzung in verschiedenen Szenarien.



Bewertung elektromagnetischer Feldimmissionen durch moderne Mobilitätssysteme. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Heutzutage wird die drahtlose Kommunikation immer weiterentwickelt und auf unserem Leben beeinflusst. Die Straßentransportsysteme werden sich entsprechend den neuen Anforderungen einer verändernden Welt weiterentwickelt. Die Zahl der Vernetzungen moderner Fahrzeuge nimmt ständig zu. Die verschiedenen Formen der Kommunikation, z.B. die Vernetzung von Fahrzeugen untereinander, mit der Umwelt und der Infrastruktur, werden unter dem Begriff V2X zusammengefasst. Um die Fahrzeuge miteinander kommunizieren zu können, werden zwei Funktechnologien ITS-G5 und C-V2X eingesetzt. Diese neue Technologie wird die elektromagnetische Umgebung des Verkehrs verändern und es muss sichergestellt werden, dass die Bevölkerungsschutzgrenzen nicht überschritten werden. Dazu werden das Strahlungsverhalten in VISTA unter Verwendung von unterschiedlichen Funkkanalmodellen und unterschiedlichen Antennen untersucht. Diese Analyseszenarien lassen sich durch Hochfrequenz-Simulationen nachstellen. Auch komplexe Verkehrs- und Kommunikationsszenarien lassen sich durch ein Simulationsbewertungsverfahren untersuchen, mit denen die elektromagnetischen Immissionen für verschiedene Montagevarianten der Funkmodule erfasst werden kann. Weiterhin kann festgestellt werden, dass Montagevarianten der Funkmodule und die reflektierende Umgebung einen Einfluss auf Strahlungsimmission haben. Abschließend wird die Minimierung von Immission und Emission der Funkquelle genannt, die durch Antennenposition und Reduzierung der Sendeleistung ermöglicht werden kann.



Weise, Konstantin; Müller, Erik; Poßner, Lucas; Knösche, Thomas R.
Comparison of the performance and reliability between improved sampling strategies for polynomial chaos expansion. - In: Mathematical biosciences and engineering, ISSN 1551-0018, Bd. 19 (2022), 8, S. 7425-7480

As uncertainty and sensitivity analysis of complex models grows ever more important, the difficulty of their timely realizations highlights a need for more efficient numerical operations. Non-intrusive Polynomial Chaos methods are highly efficient and accurate methods of mapping input-output relationships to investigate complex models. There is substantial potential to increase the efficacy of the method regarding the selected sampling scheme. We examine state-of-the-art sampling schemes categorized in space-filling-optimal designs such as Latin Hypercube sampling and L1-optimal sampling and compare their empirical performance against standard random sampling. The analysis was performed in the context of L1 minimization using the least-angle regression algorithm to fit the GPCE regression models. Due to the random nature of the sampling schemes, we compared different sampling approaches using statistical stability measures and evaluated the success rates to construct a surrogate model with relative errors of < 0.1 %, < 1 %, and < 10 %, respectively. The sampling schemes are thoroughly investigated by evaluating the y of surrogate models constructed for various distinct test cases, which represent different problem classes covering low, medium and high dimensional problems. Finally, the sampling schemes are tested on an application example to estimate the sensitivity of the self-impedance of a probe that is used to measure the impedance of biological tissues at different frequencies. We observed strong differences in the convergence properties of the methods between the analyzed test functions.



https://doi.org/10.3934/mbe.2022351
Bhattacharya, Sayan;
Design and evaluation of an autonomous comparison method for feature ranking for machine prognostics. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Das Feature Ranking (FR) befasst sich mit der Aufgabe, eine Hierarchie nützlicher Merkmale oder Features in einem gegebenen Datenset zu finden. Eine Anwendung von FR kann im Bereich der vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance, PdM) liegen, wo der Zustand der Maschine ständig überwacht wird. Da datengetriebene Ansätze immer beliebter werden, ist ein nächster Schritt hin zu PdM Anwendungen, Lösungen die auf künstlicher Intelligenz (KI) basieren auf eingebetteten Plattformen zu realisieren. Eingebettete Plattformen mit begrenzten Ressourcen erfordern jedoch ein sorgfältigeres Design der KI-Lösung, und daher ist es entscheidend, welche Merkmale verwendet werden, um die Gesamtkomplexität des Modells zu reduzieren. Aus diesem Grund hilft FR dem Systemdesigner, indem es eine Perspektive für die optimale Anzahl von Merkmalen und deren Herkunft bietet. Einige der bestehenden Ansätze kennen die verrauschten Merkmale bereits im Voraus, während andere spezifische Metriken für die Bewertung bestimmter FR-Methoden haben. Darüber hinaus ist eine manuelle Suche teuer und oft suboptimal.Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer Methodik zum Vergleich verschiedener FR-Algorithmen, die es ermöglichen, Merkmale für eine optimierte Systemleistung auszuwählen, wenn sie in einem eingebetteten System eingesetzt werden. Die gesamte Informationsverarbeitungspipeline in PdM-Anwendungen wird auf modernste Merkmalsextraktoren und modernste FR-Algorithmen eingegrenzt, und schließlich wird ein Modell des maschinellen Lernens (ML) als Wrapper als Vergleichswerkzeug verwendet. Die beste Lösung für die PdM-Aufgabe zu finden, würde jedoch den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Die Methode wird an zwei Datensätzen getestet: PRONOSTIA, einem Open-Source-Datensatz zur Ermittlung des Zustands von Lagern, und einem FAN-Datensatz, der von der IMMS GmbH über den Gesundheitszustand von Computerlüftern erstellt wurde. Es wird auf die Details des Designs der FR-Algorithmen eingegangen. Die Ergebnisse von vier verschiedenen Arten von FR-Algorithmen werden anhand der vorgeschlagenen Methode verglichen. Schließlich wird gezeigt, dass die Methode einen detaillierteren Einblick in die Frage bietet, wie viele Merkmale zur Leistung einer KI-Lösung beitragen und welche Merkmale durch diesen heuristischen Ansatz verrauscht würden. Dies führt zu einer beträchtlichen Verringerung der Anzahl von Merkmalen, die eine bessere Strategie für das Systemdesign für die Randleistung in PdM-Anwendungen bieten würde.



Feldhoff, Frank; Töpfer, Hannes; Harczos, Tamas; Klefenz, Frank
Periodicity pitch perception part III: sensibility and Pachinko volatility. - In: Frontiers in neuroscience, ISSN 1662-453X, Bd. 16 (2022), 736642, S. 1-15

Neuromorphic computer models are used to explain sensory perceptions. Auditory models generate cochleagrams, which resemble the spike distributions in the auditory nerve. Neuron ensembles along the auditory pathway transform sensory inputs step by step and at the end pitch is represented in auditory categorical spaces. In two previous articles in the series on periodicity pitch perception an extended auditory model had been successfully used for explaining periodicity pitch proved for various musical instrument generated tones and sung vowels. In this third part in the series the focus is on octopus cells as they are central sensitivity elements in auditory cognition processes. A powerful numerical model had been devised, in which auditory nerve fibers (ANFs) spike events are the inputs, triggering the impulse responses of the octopus cells. Efficient algorithms are developed and demonstrated to explain the behavior of octopus cells with a focus on a simple event-based hardware implementation of a layer of octopus neurons. The main finding is, that an octopus’ cell model in a local receptive field fine-tunes to a specific trajectory by a spike-timing-dependent plasticity (STDP) learning rule with synaptic pre-activation and the dendritic back-propagating signal as post condition. Successful learning explains away the teacher and there is thus no need for a temporally precise control of plasticity that distinguishes between learning and retrieval phases. Pitch learning is cascaded: At first octopus cells respond individually by self-adjustment to specific trajectories in their local receptive fields, then unions of octopus cells are collectively learned for pitch discrimination. Pitch estimation by inter-spike intervals is shown exemplary using two input scenarios: a simple sinus tone and a sung vowel. The model evaluation indicates an improvement in pitch estimation on a fixed time-scale.



https://doi.org/10.3389/fnins.2022.736642
Alshra'a, Abdullah Soliman;
Intrusion Detection System against Denial of Service attack in Software-Defined Networking. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (vii, 153 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Das exponentielle Wachstum der Online-Dienste und des über die Kommunikationsnetze übertragenen Datenvolumens macht es erforderlich, die Struktur traditioneller Netzwerke durch ein neues Paradigma zu ersetzen, das sich den aktuellen Anforderungen anpasst. Software-Defined Networking (SDN) ist hierfür eine fortschrittliche Netzwerkarchitektur, die darauf abzielt, das traditionelle Netzwerk in ein flexibleres Netzwerk umzuwandeln, das sich an die wachsenden Anforderungen anpasst. Im Gegensatz zum traditionellen Netzwerk ermöglicht SDN die Entkopplung von Steuer- und Datenebene, um Netzwerkressourcen effizient zu überwachen, zu konfigurieren und zu optimieren. Es verfügt über einen zentralisierten Controller mit einer globalen Netzwerksicht, der seine Ressourcen über programmierbare Schnittstellen verwaltet. Die zentrale Steuerung bringt jedoch neue Sicherheitsschwachstellen mit sich und fungiert als Single Point of Failure, den ein böswilliger Benutzer ausnutzen kann, um die normale Netzwerkfunktionalität zu stören. So startet der Angreifer einen massiven Datenverkehr, der als Distributed-Denial-of-Service Angriff (DDoSAngriff) von der SDN-Infrastrukturebene in Richtung des Controllers bekannt ist. Dieser DDoS-Angriff führt zu einer Sättigung der Steuerkanal-Bandbreite und belegt die Ressourcen des Controllers. Darüber hinaus erbt die SDN-Architektur einige Angriffsarten aus den traditionellen Netzwerken. Der Angreifer fälscht beispielweise die Pakete, um gutartig zu erscheinen, und zielt dann auf die traditionellen DDoS-Ziele wie Hosts, Server, Anwendungen und Router ab. In dieser Arbeit wird das Verhalten von böswilligen Benutzern untersucht. Anschließend wird ein Intrusion Detection System (IDS) zum Schutz der SDN-Umgebung vor DDoS-Angriffen vorgestellt. Das IDS berücksichtigt dabei drei Ansätze, um ausreichendes Feedback über den laufenden Verkehr durch die SDN-Architektur zu erhalten: die Informationen von einem externen Gerät, den OpenFlow-Kanal und die Flow-Tabelle. Daher besteht das vorgeschlagene IDS aus drei Komponenten. Das Inspector Device verhindert, dass böswillige Benutzer einen Sättigungsangriff auf den SDN-Controller starten. Die Komponente Convolutional Neural Network (CNN) verwendet eindimensionale neuronale Faltungsnetzwerke (1D-CNN), um den Verkehr des Controllers über den OpenFlow-Kanal zu analysieren. Die Komponente Deep Learning Algorithm(DLA) verwendet Recurrent Neural Networks (RNN), um die vererbten DDoS-Angriffe zu erkennen. Sie unterstützt auch die Unterscheidung zwischen bösartigen und gutartigen Benutzern als neue Gegenmaßnahme. Am Ende dieser Arbeit werden alle vorgeschlagenen Komponenten mit dem Netzwerkemulator Mininet und der Programmiersprache Python modelliert, um ihre Machbarkeit zu testen. Die Simulationsergebnisse zeigen hierbei, dass das vorgeschlagene IDS im Vergleich zu mehreren Benchmarking- und State-of-the-Art-Vorschlägen überdurchschnittliche Leistungen erbringt.



https://doi.org/10.22032/dbt.51449
Dürr, André; Böhm, Dennis; Schwarz, Dominik; Häfner, Stephan; Thomä, Reiner; Waldschmidt, Christian
Coherent measurements of a multistatic MIMO radar network with phase noise optimized non-coherent signal synthesis. - In: IEEE journal of microwaves, ISSN 2692-8388, Bd. 2 (2022), 2, S. 239-252

For multistatic radar networks in the upper mm-wave range with a large spacing between its radar sensor nodes, a coherent signal distribution is very complex and thus very costly. Hence, it is desirable to generate the mm-wave signals individually for each radar sensor node, i.e., non-coherently. However, multistatic radar networks using a non-coherent signal distribution for its radar sensor nodes are affected by systematic errors and uncorrelated phase noise, which reduces the resolution and the detection performance of these systems. In this article, a novel non-coherent signal synthesis concept based on the direct digital synthesis (DDS) principle is presented for multistatic radar networks. Compared to a signal synthesis using a phase-locked loop (PLL), it is shown that the different phase noise behavior of the DDS is beneficial for bistatic signal paths between the radar sensor nodes. The presented hardware concept is considered and analyzed for three different types of coherency regarding the signal distribution: coherent, quasi-coherent, and incoherent. Measurements with a multiple-input multiple-output (MIMO) radar at 150GHz prove that despite 150 GHz prove that despite a non-coherent signal distribution, it is possible to achieve the same detection and imaging performance as with a fully coherent radar by using a DDS.



https://doi.org/10.1109/JMW.2022.3154886
Reum, Thomas; Töpfer, Hannes
Investigation of electromagnetic wave propagation in the bicomplex 3D-FEM using a wavenumber Whitney Hodge operator. - In: Compel, ISSN 2054-5606, Bd. 41 (2022), 3, S. 996-1010

Purpose - The purpose of this paper is to show the applicability of a discrete Hodge operator in the context of the De Rham cohomology to bicomplex-valued electromagnetic wave propagation problems. It was applied in the finite element method (FEM) to get a higher accuracy through conformal discretization. Therewith, merely the primal mesh is needed to discretize the full system of Maxwell equations. Design/methodology/approach - At the beginning, the theoretical background is presented. The bicomplex number system is used as a geometrical algebra to describe three-dimensional electromagnetic problems. Because we treat rotational field problems, Whitney edge elements are chosen in the FEM to realize a conformal discretization. Next, numerical simulations regarding practical wave propagation problems are performed and compared with the common FEM approach using the Helmholtz equation. Findings - Different field problems of three-dimensional electromagnetic wave propagation are treated to present the merits and shortcomings of the method, which calculates the electric and magnetic field at the same spatial location on a primal mesh. A significant improvement in accuracy is achieved, whereas fewer essential boundary conditions are necessary. Furthermore, no numerical dispersion is observed. Originality/value - A novel Hodge operator, which acts on bicomplex-valued cotangential spaces, is constructed and discretized as an edge-based finite element matrix. The interpretation of the proposed geometrical algebra in the language of the De Rham cohomology leads to a more comprehensive viewpoint than the classical treatment in FEM. The presented paper may motivate researchers to interpret the form of number system as a degree of freedom when modeling physical effects. Several relationships between physical quantities might be inherently implemented in such an algebra.



https://doi.org/10.1108/COMPEL-03-2021-0078
Gawhar, Nuzhat;
ICNOW : an architechture of ICN over wireless network MQTT pub-sub service over NDN access network for connected vehicles. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Ein MQTT-Pub-Sub-Dienst über ein Fahrzeug-NDN-Netzwerk ist für intelligente Fahrzeuge konzipiert. Das Kommunikationssystem ist ein Push-basiertes Publisher-Subscriber-Modell, das auf einem Pull-basierten NDN-Protokoll beruht. Ein MQTT-Proxy wird eingeführt, der es ermöglicht, Themen im Namen von Abonnenten- und Herausgeberfahrzeugen zu abonnieren und zu veröffentlichen. Der MQTT-Proxy hat sowohl eine MQTT-Schicht als auch eine NDN-Schicht. Die MQTT-Schicht fungiert als MQTT-Client, während die NDN-Schicht als NFD fungiert. Zusätzlich erfolgt die Einführung und Umsetzung des Konzepts von PersistentPath. Es hilft dem Teilnehmerfahrzeug und dem MQTT-Proxy, die Daten über einen dauerhaften Pfad weiterzuleiten und kontinuierlich aktualisierte Nachrichten zu empfangen, ohne nachfolgende Interessen an den Proxy zu senden. In ähnlicher Weise leitet ein nicht dauerhafter Pfad das Datenpaket, das die veröffentlichten Daten trägt, von einem Herausgeber an den Proxy weiter. Der Hauptunterschied zwischen dem dauerhaften und dem nicht dauerhaften Pfad besteht hier darin, dass eine dauerhafte Verbindung eine kontinuierliche Verbindung aufrechterhält und andererseits eine nicht dauerhafte Verbindung eine einmalige Verbindung herstellt Beständiger Pfad. Für die zukünftige Arbeit muss ein NDN-Routing-Schema entwickelt werden, um einen verteilten Proxy-Lastenausgleich zu erreichen, und ein Caching-Algorithmus, um die Teilnehmerlatenz zu reduzieren, da wir veraltete Nachrichten oder Daten nicht auf einem der NFDs zwischenspeichern dürfen V-NDN in Kombination mit herkömmlichem LTE-System ist möglich. Es kann untersucht werden, wie die LTE-Netzwerkstruktur mithilfe der NDN-Funktionen verbessert werden kann. Der in dieser Arbeit implementierte MQTT-Proxy wird für viele zukünftige Studien von Nutzen sein, um das Verhalten des MQTT-Dienstes über NDN zu analysieren. Darüber hinaus muss das Netzwerk mit mehreren MQTT-Proxys simuliert und getestet werden, was einen besseren Lastausgleich ermöglicht, was in der realen Welt wahrscheinlich der Fall sein wird.



Chege, Joseph Kibugi;
Efficient probability mass function estimation from partially observed dData. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Schätzung der gemeinsamen Wahrscheinlichkeitsverteilung (Probability Mass Function, PMF) diskreter Zufallsvariablen aus teilweise beobachteten Daten ist ein grundlegendes Problem im statistischen Lernen und der Datenanalyse. Der Bedarf an zuverlässigen PMF-Schätzungen entsteht in Bereichen wie maschinelles Lernen, Signalverarbeitung und Data Mining, mit Anwendungen in Empfehlungssystemen, Klassifizierungsaufgaben und automatischer medizinischer Diagnose. Zunächst wird ein Überblick über die Grundlagen der PMF-Schätzung gegeben. Basierend auf der kanonischen polyadischen Zerlegung (Canonical Polyadic Decomposition, CPD) des PMF-Tensors leiten wir mathematische Ausdrücke her, um verschiedene probabilistische Größen wie gemeinsame, marginale und bedingte Wahrscheinlichkeiten darzustellen. Mithilfe dieser Größen können wir fehlende Daten aus Teilbeobachtungen in Form der maximalen a posteriori (MAP)-Schätzung oder des bedingten Mittelwerts vorhersagen, für die ebenfalls Ausdrücke bereitgestellt werden. Darüber hinaus geben wir einen Überblick über marginalbasierte und datenbasierte Ansätze zur PMF-Schätzung. Zweitens stellen wir die wichtigsten PMF-Schätzalgorithmen in der Literatur vor und stellen deren mathematische Herleitungen detailliert dar. Anschließend entwickeln wir eine Methode zur Verbesserung der Konvergenzrate des bekannten Erwartungs\-maximierungsalgorithmus (Expectation Maximization, EM), indem wir einen bestehenden Algorithmus namens SQUAREM verwenden. Soweit wir wissen, ist dies die erste Arbeit, die SQUAREM im Zusammenhang mit der PMF-Schätzung zur Anwendung bringt. Schließlich evaluieren wir die Algorithmen durch umfangreiche Computersimulationen auf synthetischen Daten und auf realen Daten im Zusammenhang mit Filmempfehlungen. Die Ergebnisse auf den synthetischen Daten zeigen, dass die Verwendung des EM-Algorithmus im Gegensatz zu einem hybriden, aber rechenintensiven Algorithmus (AD-EM) ausreichend ist. Die verbesserte Konvergenzrate von SQUAREM im Vergleich zu EM wird ebenfalls verifiziert. Anschließend werden die EM- und SQUAREM-Algorithmen anhand von realen Filmbewertungsdaten evaluiert mit dem Ergebnis, dass sie in Bezug auf die Vorhersage fehlender Filmbewertungen besser abschneiden als vergleichbare Algorithmen auf dem Stand der Technik.



Coupled block term decomposition for biomedical signal processing. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Einige der Hauptprobleme bei der Tensorzerlegung sind erstens die korrekte Bestimmung des Ranges (oder der Modellordnung) der analysierten Daten und zweitens die genaue Zerlegung dieser analysierten Daten. Diese Arbeit befasst sich mit beiden Problemen. In der Literatur gibt es eine Vielzahl verschiedener Tensorzerlegungen, die in vielen Anwendungen eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird ein "Coupled Block Term Decomposition" (C-BTD) Algorithmus vorgestellt, der auf der Grundlage der "Coupled Canonical Polyadic Decomposition" (C-CPD) auf Basis des "Coupled SECSI Framework" berechnet wird. Die Leistung des vorgeschlagenen C-BTD-Algorithmus wird mit dem Tensorlab-Algorithmus für verschiedene Arten von Daten verglichen. Außerdem wird der gekoppelte Algorithmus zur Schätzung der Modellordnung vorgestellt. Er basiert auf dem "Coupled LaRGE" (C-LaRGE) Algorithmus, aber der Algorithmus ist angepasst, um die Parameter von BT-konstruierten Daten zu bestimmen. Es wurden Simulationen durchgeführt, um den Schwellenwert des angepassten C-LaRGE-Algorithmus für die BT-konstituierten Daten zu bestimmen. Die beschriebene gekoppelte BT-Zerlegung und der gekoppelte Algorithmus zur Schätzung der Modellordnung werden miteinander kombiniert, um einen Gesamtalgorithmus zu erhalten, der beide Probleme der Tensorzerlegung lösen kann. In dieser Arbeit wenden wir den vorgeschlagenen Algorithmus für die gemeinsame Analyse biomedizinischer Signale an.



Kirchner, Maximilian;
Cost-efficient modular platform for distributed and synchronized measurements. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

In bestimmten Messsystemen können Sensoren räumlich weit verteilt sein. Die Aufnahme von Messwerten kann zentral erfolgen, durch Verbinden der Sensoren mit dem zentralen Messsystem mittels Kabeln, oder verteilt, mit einzelnen Messmodulen direkt an den Sensoren. Je nach Anwendungsfall kann es hierbei nötig sein, im letzteren Fall die Messmodule miteinander zu synchronisieren. In dieser Masterarbeit werden zwei Methoden zur Synchronisierung des Samplingprozesses von Sampling-Modulen untersucht. In der ersten Methode wird der Samplingprozess durch Software gestartet, welche in periodischen Abständen die Systemzeit abfragt. Die Systemzeit der einzelnen Module wird mittels des Network Time Protocol (NTP) mit einem zentralen Server synchronisiert. In der zweiten Methode wird ein im Ethernet-PHY integrierter Clock-Baustein verwendet um den Samplingprozess zu starten. Dieser Clock-Baustein wird mittels des Precision Time Protocol (PTP) mit einem Master synchronisiert. Für beide Methoden wird die Verzögerung zwischen den Sampling-Modulen unter verschiedenen Bedingungen (Synchronisierung ein/aus, mit CPU-Last, mit Netwerklast) gemessen. Hierfür wurde ein Testaufbau bestehend aus fünf Sampling-Modulen, einem Signalgenerator, einem PC und Netzwerk-Hardware aufgebaut. Die Messungen wurden ausgewertet und die Ergebnisse der Methoden miteinander verglichen. Mit der ersten Methode ließen sich Verzögerungen zwischen den Sampling-Modulen im Bereich zwischen 40 [my]s und 15 ms erreichen. Mit der zweiten Methode verringerte sich die Verzögerung auf Werte zwischen 37 ns und 11 [my]s, eine Reduktion auf ein Tausendstel.



Vijaya Kumar, Abhishek Swaminathan;
Application of deep learning to physical layer link abstraction. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Diese Arbeit stellt den Entwurf und die Analyse eines datengesteuerten Link-to-System (L2S) Modells vor, das in der Lage ist, die Leistung der physikalischen Schicht von zellularen Mobilfunknetzen im Downlink vorherzusagen. Ein datengesteuertes L2S-Modell zielt darauf ab, die physikalische Schicht mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens (ML)/Deep Learning (DL) genau zu abstrahieren. Es wird ein generischer und einfacherer Ansatz zur L2S-Modellierung im Vergleich zu ihren modellgetriebenen Vorgängern geschaffen, die eine Abbildung des gemessenen Signals auf das Interferenz-plus- Rauschverhältnis (SINR) aus den für eine bestimmte Übertragung zugewiesenen Ressourcen der physikalischen Schicht auf einen effektiven SINR-Wert abbilden, der dem SNR in einer auf additivem weißem Gaußschen Rauschen (AWGN) basierenden Übertragung entspricht - Methoden wie die auf gegenseitiger Information basierende Abbildung des effektiven Signal-zu-Interferenz- und Rauschverhältnisses (MIESM) und die auf Exponentialität basierende Abbildung des effektiven Signal-zu-Interferenz- und Rauschverhältnisses (EESM). Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile. Zunächst werden die Grundlagen der 5G NR-Standards vorgestellt. Im zweiten Abschnitt wird der modellgetriebene Ansatz zur L2S-Modellierung vorgestellt, wobei die Trainings- und Testphase der ESM-Algorithmen (Effective SINR Mapping) detailliert beschrieben wird. Im letzten Kapitel wird ein datengesteuerter Ansatz zur Abstraktion von Verbindungen beschrieben. ML-Algorithmen wie Random Forest Regression, Decision Tree Regression und XGBoost Regression werden beschrieben und numerisch mit den modellgetriebenen L2S-Methoden verglichen. Die Anwendung von DL-Techniken, nämlich Künstliche Neuronale Netze (ANN), Convolutional Neural Network (CNN), Long Short-Term Memory (LSTM) und Conditional Tabular Generative Adversarial Network (CTGAN) wird ebenfalls in diesem Kapitel analysiert. Die Leistung der datengesteuerten Algorithmen wurde mit Tapped Delay Line (TDL)-Kanal-modellen des Third Generation Partnership Project (3GPP) für Innenraum- und Stadtszenarien evaluiert, einschließlich Single Input und Single Output (SISO) sowie Multiple Input und Multiple Output (MIMO) Fälle. Darüber hinaus werden die Rechen-, Arbeitsspeicher- und Speicherkomplexität sowohl für die modellgetriebenen als auch für die datengesteuerten Ansätze analysiert, um ein vollständiges Bild der Vor- und Nachteile sowie der damit verbundenen Kompromisse zu erhalten.



Wagner, Christoph; Semper, Sebastian; Kirchhof, Jan
fastmat: efficient linear transforms in Python. - In: SoftwareX, ISSN 2352-7110, Bd. 18 (2022), 101013, S. 1-8

Scientific computing requires handling large linear models, which are often composed of structured matrices. With increasing model size, dense representations quickly become infeasible to compute or store. Matrix-free implementations are suited to mitigate this problem at the expense of additional implementation overhead, which complicates research and development effort by months, when applied to practical research problems. Fastmat is a framework for handling large structured matrices by offering an easy-to-use abstraction model. It allows for the expression of matrix-free linear operators in a mathematically intuitive way, while retaining their benefits in computation performance and memory efficiency. A built-in hierarchical unit-test system boosts debugging productivity and run-time execution path optimization improves the performance of highly-structured operators. The architecture is completed with an interface for abstractly describing algorithms that apply such matrix-free linear operators, while maintaining clear separation of their respective implementation levels. Fastmat achieves establishing a close relationship between implementation code and the actual mathematical notation of a given problem, promoting readable, portable and re-usable scientific code.



https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101013
Samadi, Raheleh; Seitz, Jochen
EEC-GA: energy-efficient clustering approach using genetic algorithm for heterogeneous wireless sensor networks. - In: The 36th International Conference on Information Networking (ICOIN 2022), (2022), S. 280-286

In a wireless sensor network (WSN), sensor nodes are distributed in a predefined environment, collecting environmental data and transferring them to the base station or sink for processing and analysis. In the meantime, much research has been done on heterogeneous wireless sensor networks. Due to the fact that in a heterogeneous wireless sensor network (HWSN) factors such as primary energy, data processing ability, etc. greatly affect the life of the network, the selection of cluster heads (CHs) for coordinating a cluster of sensor nodes has created a wide range for further development of network efficiency capabilities. In this work, an event-driven energy-efficient protocol based on a genetic algorithm is proposed that uses various parameters such as the remaining energy of the node, the minimum distance of a node to the base station, and also the degree of the neighborhood of a node as fitness function values, and evaluates solutions in a heterogeneous wireless sensor network. For evaluating the proposal, network stability, energy consumption, death of the first node, and number of living nodes per round are considered as evaluation criteria.



https://doi.org/10.1109/ICOIN53446.2022.9687275
Mir, Hassan Abbas;
Investigations on non-linear effects in power amplifiers for THz channel sounding applications. - Ilmenau. - 97 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022

Die Entwicklung der drahtlosen Kommunikation hat nicht nur verschiedene Generationen der Mobilkommunikation auf hohe Bandbreiten ausgerichtet, sondern auch auf den Einsatz von Ultrabreitband. THz- und mm-Wellen-Frequenzbereiche wurden als der Modus Operandi für die Kommunikation in den kommenden Generationen der drahtlosen und mobilen Kommunikation skizziert. Die Verfügbarkeit von Frequenzen in diesen Bereichen bietet nicht nur die Möglichkeit höherer Datenraten, sondern auch ein Layout für die futuristische Kommunikation, an der derzeit geforscht wird und die über die fünfte Generation (5G) und die zukünftige sechste Generation (6G) hinausgeht. Da die unteren THz-Subbänder eine angemessene Datenrate bieten sollen, die den Anforderungen der 6G-Generation entspricht, sind die Charakterisierung und Personifizierung der verschiedenen Aspekte der Frequenzen in diesen Spektralbereichen von größter Bedeutung. Die Nutzung solcher Frequenzbänder hat ihre Nachteile, da höhere Frequenzen nur für die Übertragung über kurze Entfernungen geeignet sind und für die Kommunikation über größere Entfernungen eine höhere Sendeleistung erforderlich ist. Eine Erhöhung der Sendeleistung ist nicht immer sinnvoll, weil sie zu Nachbarkanalstörungen bei benachbarten Kommunikationen führt. Um dieses Problem zu überwinden, wird ein Leistungsverstärker verwendet, um das Signal vor der Übertragung zu verstärken. Die Verstärkung führt jedoch auch zu einigen nichtlinearen Effekten, die zu nichtlinearen Verzerrungen führen, die die Kommunikation in Form von Spektralwachstum, In-Band- und Außer-Band-Verzerrungen beeinträchtigen und zu einer niedrigeren Bitfehlerrate führen. Die Schwere der Schwankungen im Mittelwert und in der Spitze des Signals ist einer der Hauptgründe für diese nichtlinearen Auswirkungen. In dieser Arbeit wurden zunächst sowohl die Faktoren als auch die daraus resultierenden nichtlinearen Auswirkungen zuerst untersucht. Anschließend werden die Modellierungsansätze und Reduktionstechniken diskutiert. Um die Nichtlinearitäten zu messen und zu charakterisieren, ist ein geeignetes Anregungssignal erforderlich. Es werden verschiedene Faktoren eines angemessenen Signals diskutiert, und aus dem Vergleich verschiedener Signaltypen wird auf der Grundlage dieser Metriken das Newman-Multisine-Signal ausgewählt. Ein Messsystem, das einen Arbiträrwellengenerator, ein digitales Phosphoroszilloskop und einen Leistungsverstärker umfasst, ist implementiert. Darüber hinaus wird MATLAB zur Bestimmug und Analyse verschiedener nichtlinearer Aspekte verwendet. Die durch nichtlineare Effekte hervorgerufene Außerband-Verzerrung wird als Vielfaches der Größenordnung der Verzerrung und der höchsten Frequenzkomponente des Signals gemessen; darüber hinaus wird auch ein direkter Zusammenhang zwischen der Inband-Verzerrung und der Frequenz und dem Leistungsverstärker gemessen. Um die Signalschwankungen zu reduzieren, wurden mehrere Abschwächungstechniken implementiert, deren Effizienz gemessen und verglichen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verringerung der Signalschwankungen im Breitbandbereich zu einer besseren Systemleistung führt und zur Verbesserung der Stabilität des Gesamtsystems beiträgt, indem der lineare Betrieb des Leistungsverstärkers erhöht wird.



Solomitckii, Dmitrii; Heino, Mikko; Buddappagari, Sreehari; Hein, Matthias; Valkama, Mikko
Radar scheme with raised reflector for NLOS vehicle detection. - In: IEEE transactions on intelligent transportation systems, Bd. 23 (2022), 7, S. 9037-9045

The employment of passive reflectors enables the millimeter-wave automotive radars to detect an approaching vehicle in non-line-of-sight conditions. In this paper, the installation of such reflectors above the sidewalk at an intersection is proposed and studied, avoiding pedestrians' blockage and road dust effect at ground level. Through the analysis of the backscattering power, it is shown that the suggested scheme may detect an approaching vehicle in the blind zone at distances of 30,łdots,50 m to the intersection point. Additionally, the analysis shows that efficient operation is highly dependent on the spatial orientation and size of the reflector. Even a few degrees rotation may change the detecting range by several meters. In turn, the larger area of the reflector may cover longer detecting distances, improving the radar scheme's overall performance. It is also shown that further performance enhancement can be achieved by employing a C-type radar, contributing an extra 5 dB to the backscattering power relative to an A-type radar. However, despite these improvements, the strongest scattering centre of the detectable vehicle is systematically identified to the bumper zone.



https://doi.org/10.1109/TITS.2021.3090313
Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
A comprehensive survey on cooperative intersection management for heterogeneous connected vehicles. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 10 (2022), S. 7937-7972

https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3142450
Almeida, André L. F. de; Antreich, Felix; Haardt, Martin; Cavalcante, Charles C.
Kronecker product-based space-time block codes. - In: IEEE wireless communications letters, ISSN 2162-2345, Bd. 11 (2022), 2, S. 386-390

This letter presents a new approach to construct space-time block codes (STBCs) based on the Kronecker product. The proposed Kronecker-structured STBCs (K-STBCs) are specially designed for constant modulus constellations and include the classical linear dispersion (LD) codes as a special case. Its inherent Kronecker structure offers additional coding gains due to the mutual spreading of multiple space-time codewords. At the receiver, an efficient algorithm is derived by recasting the decoding of the K-STBCs as a rank-one tensor approximation problem. The proposed decoding algorithm provides a good bit error ratio (BER) performance especially, in the low signal-to-noise ratio (SNR) regime. In particular, our numerical results show that K-STBCs outperform the existing quasi-orthogonal STBCs due to the denoising gain offered by the proposed rank-one approximation based detector.



https://doi.org/10.1109/LWC.2021.3129460
Wagner, Christoph; Gläser, Georg; Sasse, Thomas; Kell, Gerald; Del Galdo, Giovanni
Make some noise: energy-efficient 38 Gbit/s wide-range fully-configurable linear feedback shift register. - In: SMACD / PRIME 2021, (2021), S. 384-387

https://ieeexplore.ieee.org/document/9547997
Wagner, Christoph; Gläser, Georg; Kell, Gerald; Del Galdo, Giovanni
Every clock counts - 41 GHz wide-range integer-N clock divider. - In: SMACD / PRIME 2021, (2021), S. 388-391

https://ieeexplore.ieee.org/document/9547998
Alshra'a, Abdullah Soliman; Seitz, Jochen
Towards applying IPSec between edge switches and end users to counter DDoS attacks in SDNs. - In: 2021 IEEE 23rd International Conference on High Performance Computing Communications/7th International Conference on Data Science Systems/19th International Conference on Smart City/7th International Conference on Dependability in Sensor, Cloud Big Data Systems Applications, (2021), S. 1545-1551

Software-Defined Networking (SDN) is a new networking paradigm with many advantages compared to traditional networks, such as reliability, scalability, and flexibility. However, SDN inherits some vulnerabilities from traditional networks and even shows new properties that malicious users might exploit as vulnerable aspects. In this paper, a novel solution is introduced based on the notion of the IP Security protocol (IPSec) and an adaptive threshold algorithm to counter Distributed Denial of Service (DDoS) attacks and freeloading attacks. The simulation results show the ability of the proposed countermeasure to prevent these attacks by distinguishing between benign and malicious users, which shows a notable enhancement compared to previous approaches.



https://doi.org/10.1109/HPCC-DSS-SmartCity-DependSys53884.2021.00229
Harounabadi, Mehdi; Soleymani, Dariush M.; Bhadauria, Shubhangi; Leyh, Martin; Roth-Mandutz, Elke
V2X in 3GPP standardization: NR sidelink in Release-16 and beyond. - In: IEEE communications standards magazine, ISSN 2471-2833, Bd. 5 (2021), 1, S. 12-21

The 5G mobile network brings several new features that can be applied to existing and new applications. High reliability, low latency, and high data rate are some of the features that fulfill the requirements of vehicular networks. Vehicular networks aim to provide safety for road users and several additional advantages such as enhanced traffic efficiency and in-vehicle infotainment services. This article summarizes the most important aspects of NR-V2X, which is standardized by 3GPP, focusing on sidelink communication. The main part of this work belongs to 3GPP Release 16, which is the first 3GPP release for NR-V2X, and the work/study items of the future Release 17.



https://doi.org/10.1109/MCOMSTD.001.2000070
Manina, Alla; Grasis, Mikus; Khamidullina, Liana; Korobkov, Alexey; Haueisen, Jens; Haardt, Martin
Coupled CP decomposition of EEG and MEG magnetometer and gradiometer measurements via the coupled SECSI framework. - In: Conference record of the Fifty-Fifth Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2021), S. 1661-1667

Recent research has shown that the joint processing of simultaneously recorded EEG-MEG signals can be beneficial compared to the separate analysis of data if the corresponding tensors have one of their factor matrices in common. In this study, we perform a joint CP decomposition of simultaneously recorded EEG and MEG magnetometer as well as gradiometer measurements via a new extension of the coupled SEmi-Algebraic framework for the approximate CP decomposition via SImultaneous matrix diagonalization (SECSI) to jointly factorize several tensors with at least one factor matrix in common. In case of the biomedical data, the four measured tensors have the factor matrix in the frequency domain in common. The developed coupled SECSI algorithm allows extracting the signal sources even in ill-conditioned scenarios. In the final processing step, coupled SECSI chooses the best out of a variety of possible factor matrix estimates, i.e., a combination that leads to the smallest value of the reconstruction error. However, for data tensors that do not exhibit significant coupling, the uncoupled solution can also be selected. The results are evaluated on measured as well as on synthetic data and compared with other state-of-the-art approaches.



https://doi.org/10.1109/IEEECONF53345.2021.9723118
Chen, Lin; Jiang, Xue; Zhong, Zhimeng; Liu, Xingzhao; Haardt, Martin
Tensor-based downlink channel reconstruction for FDD massive MIMO. - In: Conference record of the Fifty-Fifth Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2021), S. 1453-1458

The acquisition of downlink channel state information (CSI) at the base station is a prerequisite for various applications in frequency division duplex (FDD) massive multipleinput multiple-output (MIMO) systems. To obtain accurate CSI, conventional approaches employ downlink training and feedback with a considerable overhead. In this paper, we exploit the partial reciprocity between FDD uplink and downlink channels to propose a tensor-based method for downlink channel reconstruction. According to this partial reciprocity, the tensor-based method efficiently estimates angle and delay parameters of the downlink channel from the uplink channel. Then, downlink training and feedback are incorporated by exploiting the sparse scattering property of the channel, so as to estimate the gain parameters of the multipath components with a small amount of overhead. Downlink channel reconstruction is achieved according to the estimated gain, angle and delay parameters. Experimental results on a Ray-tracing dataset demonstrate the effectiveness of the proposed downlink training and feedback scheme, and the superior channel estimation of the proposed tensor-based method compared with several alternative methods.



https://doi.org/10.1109/IEEECONF53345.2021.9723411
Gherekhloo, Sepideh; Ardah, Khaled; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Tensor-based channel estimation and reflection design for RIS-aided millimeter-wave MIMO communication systems. - In: Conference record of the Fifty-Fifth Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2021), S. 1683-1689

In this work, we consider both channel estimation and reflection coefficient design problems in point-to-point reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided millimeter-wave (mmWave) MIMO communication systems. First, we show that by exploiting the low-rank nature of mmWave MIMO channels, the received training signals can be written as a low-rank multi-way tensor admitting a canonical polyadic (CP) decomposition. Utilizing such a structure, a tensor-based RIS channel estimation method (termed TenRICE) is proposed, wherein the tensor factor matrices are estimated using an alternating least squares method. Using TenRICE, the transmitter-to-RIS and the RIS-to-receiver channels are efficiently and separately estimated, up to a trivial scaling factor. After that, we formulate the beamforming and RIS reflection coefficient design as a spectral efficiency maximization task. Due to its non-convexity, we propose a heuristic non-iterative two-step method, where the RIS reflection vector is obtained in a closed form using a Frobenius-norm maximization (FroMax) strategy. Our numerical results show that TenRICE has a superior performance, compared to benchmark methods, approaching the Cramér-Rao lower bound with a low training overhead. Moreover, we show that FroMax achieves a comparable performance to benchmark methods with a lower complexity.



https://doi.org/10.1109/IEEECONF53345.2021.9723362
Mercier, Mathieu; Mioc, Francesca; Rutkowski, Kim; Scannavini, Alessandro; Nowack, Tobias; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Evaluation of integral quantities of over the air automotive antenna measurements. - In: 2021 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting, (2021), S. 1954-1955

This document outlines the Over the Air (OTA) testing methodology which is currently employed for full automotive antennas and provides a pertinent Figure of Merit.



https://doi.org/10.1109/APS/URSI47566.2021.9704228
Khamidullina, Liana; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
ML-GSVD-based MIMO-NOMA networks. - In: WSA 2021, (2021), S. 53-58

Rakhimov, Damir Raisovich; Rakhimov, Adel; Nadeev, Adel; Haardt, Martin
Tensor formulation of the Cramer-Rao lower bound for beamspace channel estimation in mmWave MIMO-OFDM. - In: WSA 2021, (2021), S. 29-34

Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Safety-centric vehicle classification using vehicular networks. - In: The 18th International Conference on Mobile Systems and Pervasive Computing (MobiSPC), the 16th International Conference on Future Networks and Communications (FNC), the 11th International Conference on Sustainable Energy Information Technology, (2021), S. 238-245

This paper investigates the vehicle classification (VC) based on vehicular ad-hoc networks (VANETs). Using VANETs, one can extract the physical and mobility characteristics of the vehicles globally and in a real-time manner. In this paper, we propose an in-depth novel safety-driven VC method for heterogeneous connected vehicles. In this innovative approach, road vehicles are classified into a broad range of classes according to their distinctive behaviors and safety measures. The proposed method can play a vital role in reducing collisions and can be used as a safety standard reference in VANETs-based VC systems. Furthermore, advance driver assistance systems (ADAS) can integrate this method and extend road safety by notifying vehicles of dangerous situations on the road using V2X communication.



https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.07.030
Alshra'a, Abdullah Soliman; Farhat, Ahmad; Seitz, Jochen
Deep learning algorithms for detecting denial of service attacks in Software-Defined Networks. - In: The 18th International Conference on Mobile Systems and Pervasive Computing (MobiSPC), the 16th International Conference on Future Networks and Communications (FNC), the 11th International Conference on Sustainable Energy Information Technology, (2021), S. 254-263

In Software-Defined Networking (SDN) the controller is the only entity that has the complete view on the network, and it acts as the brain, which is responsible for traffic management based on its global knowledge of the network. Therefore, an attacker attempts to direct malicious traffic towards the controller, which could lead to paralyze the entire network. In this work, Deep Learning algorithms are used to protect the controller by applying high-security measures, which is essential for the continuous availability and connectivity in the network. Recurrent Neural Network (RNN), Long Short-Term Memory (LSTM) and Gated Recurrent Unit (GRU) are proposed to recognize and prevent the intrusion attacks. We evaluate our models using a recently released dataset (InSDN dataset). Finally, our experiments manifest that our models achieve very high accuracy for the detection of Denial of Service (DoS) attacks. Thus, a significant improvement in attack detection can be shown compared to one of the benchmarking state of the art approaches.



https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.07.032
Tayyab, Umais; Kumar, Ashish; Li, Yihan; Stephan, Ralf; Hein, Matthias; Singh, Jasmeet
Plastic-embedded patch antenna array for automotive satellite communication in the Ka-band. - In: 2021 1st International Conference on Microwave, Antennas & Circuits (ICMAC), (2021), S. 1-4

https://doi.org/10.1109/ICMAC54080.2021.9678254
Heubach, Michael; Seitz, Jochen; Rink, Wolfram
16. Ilmenauer TK-Manager Workshop : Technische Universität Ilmenau, 16. September 2021 : Tagungsband. - Ilmenau : ilmedia, 2021. - 1 Online-Ressource (25 Seiten)
https://doi.org/10.22032/dbt.50118
Hein, Matthias; Stephan, Ralf; Buddappagari, Sreehari; Asghar, Ehtisham
Systemvalidierung von Fahrzeugradaren mittels drahtloser Techniken - SafeMove : Schlussbericht der TU Ilmenau zum F&E-Verbundvorhaben : Laufzeit des Vorhabens: 01.01.2017-30.09.2020. - [Ilmenau] : [Technische Universität Ilmenau, Thüringer Innovationszentrum Mobilität]. - 1 Online-Ressource (36 Seiten, 5,73 MB)Förderkennzeichen BMBF 16ES0547K

https://doi.org/10.2314/KXP:178728459X
Jalali Lak, Hadi;
Vehicle-to-vehicle communication protocol for autonomous intersection management. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Kreuzungen gelten als wichtiger Bestandteil des städtischen Verkehrs, und Autofahrer neigen dazu, beim Durchfahren von Kreuzungen mehr Fehler zu machen. Ein hoher Prozentsatz aller tödlichen Autounfälle mit Verletzten wird jährlich an Kreuzungen gemeldet. Auf der anderen Seite kommt es an den Kreuzungen zu verkehrsreichen Tageszeiten zu Staus. Das Anhalten der Fahrzeuge in einer Richtung, um die Fahrzeuge in den anderen Richtungen passieren zu lassen, führt zu diesem Phänomen und hat enorme Auswirkungen auf die Verzögerung des Verkehrs, was zu einer großen Verschwendung natürlicher und menschlicher Ressourcen sowie zu einer Wetterverschmutzung in den Großstädten führt. Heutzutage arbeiten viele Unternehmen und Forschungszentren intensiv an der Verbesserung autonomer Fahrzeuge. Obwohl es einige Diskussionen über die Sicherheit und Zuverlässigkeit des autonomen Fahrens gibt, scheint es, dass diese Technologie eine sehr wichtige Rolle in den zukünftigen Verkehrsstrategien spielen wird. Daher könnten alle Verkehrsregeln und -infrastrukturen geändert werden, um mit der neuen Generation von Fahrzeugen besser kompatibel zu sein. Ziel dieses Projekts ist es, Algorithmen für autonome Fahrzeuge zu entwerfen und zu simulieren, die es ihnen ermöglichen, Kreuzungen zuverlässig und effizient zu passieren. Wir haben versucht, die Verzögerung der Fahrzeuge zu verringern und die Sicherheit so weit wie möglich zu erhöhen. Vehicle-to-vehicle (V2V) Kommunikation wird verwendet, um ein Fahrzeugnetzwerk zu entwerfen. Die Fahrzeuge tauschen ihre Informationen basierend auf dem Dedicated Short Range Communications (DSRC) aus.



Zhao, Zhixiang;
Reinforcement-learning based OFDMA resource scheduling in joint mobile communication and radar networks. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Mit der exponentiellen Zunahme verschiedener drahtloser Geräte wird das Spektrum immer knapper, was die Nachfrage nach einer gemeinsamen Nutzung des Spektrums durch Radar und Mobilkommunikation verstärkt. Die Cooperative Passive Coherent Localization (CPCL) bietet eine neue Möglichkeit zur Zusammenführung der beiden Systeme. CPCL nutzt passives Radar zur Lokalisierung des Ziels und verbessert die Zusammenarbeit innerhalb desselben Funknetzes. Ein guter Anwärter für passives Radar ist das weit verbreitete LTE-System. Da LTE im Downlink OFDMA verwendet, bietet es einen flexibleren Zugang, indem es verschiedenen Nutzern unterschiedliche Ressourcenblöcke zuweist, was eine Möglichkeit für die Verschmelzung von Mobilfunk- und Radarnetzen schafft. Aufgrund der funktionalen Unterschiede zwischen Mobilfunk und Radar könnte die OFDMA-Ressourcenzuweisung für beide Zwecke jedoch konkurrierend sein. Einerseits bevorzugt das Kommunikationssystem die Verwendung von Ressourcenblöcken mit geringem Fading für die Datenübertragung. Auf der anderen Seite erwartet das Radarsystem ausreichende Ressourcenblöcke, um die gewünschte Radarauflösung und den SNR zu erreichen. Darüber hinaus hat auch das Muster der Ressourcenblöcke einen Einfluss auf die Radarleistung. Deep Reinforcement Learning (DRL) ist ein geeigneter Ansatz zur Lösung dieses Problems, da es keine gut beschriftete Datenbank benötigt und die versteckten Merkmale hinter den Problemen entdecken kann. In dieser Arbeit wird ein DRL-Modell entwickelt, um das Problem der Ressourcenzuweisung für die gemeinsamen Mobilfunk- und Radarnetzwerke in einem Automobilszenario zu lösen. Der PPO-Algorithmus wird für das Training des DRL-Agenten und für die Analyse der Ergebnisse verwendet. Außerdem haben wir auch den DQN-Algorithmus ausprobiert, der das gleiche Problem wie PPO hat. Der zeitveränderliche Kanal wird durch mehrere Schnappschüsse modelliert und mit dem Tap-Delay-Modell simuliert. Infolgedessen kann der gut ausgebildete DRL-Agent für einen einzigen Schnappschuss Ressourcen zuweisen, die den Radar- und Kommunikationsanforderungen gleichzeitig entsprechen. Probleme gibt es jedoch nach wie vor beim Umgang mit anspruchsvollen zeitvariablen Kanälen. Da es sich um ein neues Thema handelt, werden außerdem die in dieser Arbeit gesammelten Erfahrungen bei der Kombination von RL und der gemeinsamen Ressourcenzuteilung für mobile Kommunikation und Radar vertiefend erläutert.



Grundhöfer, Lars; Rizzi, Filippo Giacomo; Gewies, Stefan; Hoppe, Michael; Bäckstedt, Jesper; Dziewicki, Marek; Del Galdo, Giovanni
Positioning with medium frequency R-Mode. - In: Navigation, ISSN 2161-4296, Bd. 68 (2021), 4, S. 829-841

R-Mode is a terrestrial navigation system under development for the maritime domain that provides backup in case of a GNSS outage. This paper describes the first test results for real-time positioning on board a ship using medium frequency R-Mode signals. The estimation and positioning algorithms used are described in detail and it is shown how they are integrated into the R-Mode receiver developed by the German Aerospace Center. Moreover, during two daytime experiments with lower and higher dynamic movements of a ship in the Baltic Sea, we were able to achieve a 95% horizontal positioning accuracy of better then 12 m in the center of three R-Mode transmitters. This demonstrates the first time that the medium frequency R-Mode has provided positioning at sea.



https://doi.org/10.1002/navi.450
Qureshi, Muhammad Shahbaz;
Very deep convolutional neural network model for detection and mitigation of DDoS attacks in SDN. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Internet-Architektur hat sich seit der Einführung von Software Defined Networking (SDN), das nachweislich die Beschränkungen herkömmlicher Netzwerke überwindet, rasch weiterentwickelt. SDN ist in der Lage, Flexibilität und Programmierbarkeit im Netzwerk durch die Entkopplung von Kontroll- und Datenebene zu bieten, was eine zentrale Steuerung ermöglicht. Dies macht den SDN-Controller anfällig für verschiedene Angriffsvektoren, einschließlich Denial of Service (DoS) und Distributed Denial of Service (DDoS)-Angriffe, die ihn überwältigen und zu einem Single Point of Failure machen können. Dies unterstreicht die Notwendigkeit eines effizienten Intrusion Detection Systems (IDS) oder eines Mechanismus zur genauen Erkennung von DDoS-Angriffen und zu deren Entschärfung. Im Laufe der Jahre wurden mehrere Methoden eingesetzt, die auf statistischen und wissensbasierten Algorithmen beruhen, die sich jedoch bei der Erkennung von Zero-Day-Angriffen als nicht wirksam erwiesen haben. Maschinelles Lernen und neuronale Netze haben ihre Kompetenz bei der Erkennung von Angriffen unter Beweis gestellt, erfordern jedoch einen hohen Rechenaufwand und ein Feature-Engineering vor dem Training auf vordefinierten Datensätzen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass keine Datensätze mit aktualisierten Verkehrsmustern zur Verfügung stehen, die ein realistisches Angriffsverhalten abbilden. Deep Convolutional Neural Network (CNN)-Modelle hingegen erreichen eine höhere Genauigkeit bei der Erkennung komplexer Muster aus Bildern und extrahieren die Merkmale selbst aus Rohdaten. In dieser Arbeit setzen wir ein vortrainiertes CNN-Modell für tiefes Lernen mit dem Namen ResNet-50 ein, das die Technik des Transferlernens nutzt. Dieses Modell soll als Anwendung innerhalb des SDN-Controllers eingesetzt werden und ein effizientes IDS bilden, das in der Lage ist, DDoS-Angriffe präzise zu erkennen und zu entschärfen. Wir verwenden zwei der neuesten Angriffsdatensätze, nämlich CICDDoS2019 und InSDN, um unser Modell auf 10 und 20 Epochen getrennt zu trainieren. Wir führen ein Benchmarking unseres Modells an den beiden Datensätzen mit zuvor vorgeschlagenen Techniken und Methoden durch. Jeder Datenfluss aus den Datensätzen wurde vor dem Training in ein RGB-Bild umgewandelt. Unser Modell erreicht nach 20 Epochen eine Genauigkeit von 98,94 Prozent im CICDDoS2019-Datensatz und 99,94 Prozent im InSDN-Datensatz.



Hofmann, Willi; Schwind, Andreas; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Bi-static reflectivity measurements of microwave absorbers between 2 and 18 GHz. - In: 2021 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), (2021), insges. 6 S.

In anechoic chambers, the level of spurious reflections is determined by the reflectivity of the installed absorbers and is usually estimated using ray-tracing methods. But since the basic assumption of a purely specular reflection in most of these ray-tracing methods can lead to insufficient results, the reflectivity of the absorbers must be analyzed for oblique incidence and over a broad range of observation angles. In this paper, a bi-static measurement setup is proposed, which overcomes angular limits of the NRL-arch method and allows to analyze the scattering behavior of absorbers in an extended angular range. Using this setup, and applying the radar cross-section method, the reflectivity of two types of pyramidal absorbers was analyzed with respect to different illumination and observation angles for parallel and perpendicular polarization between 2 and 18 GHz. While the measurement results for normal incidence agree well with the specifications, additional non-specular reflections of similar strength were detected in the time-domain at different observation angles. Especially for the case of oblique wave incidence, it becomes apparent that the highest reflectivity does not necessarily occur for specular reflection. These findings help to improve the understanding of the scattering behavior of absorbers in general, as more comprehensive analyses become possible with this method.



https://doi.org/10.23919/AMTA52830.2021.9620601
Asghar, Muhammad Ehtisham; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias; Köhler, Thomas; Köcher, Jens; Clauder, Philipp; Stöpel, Uwe
Simulation and measurement of locomotive antennas in the installed state based on a scaled mockup. - In: 2021 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), (2021), insges. 6 S.

Accurate characterization of locomotive antennas is key to safe and robust railway signaling and control communication. With the introduction of new technologies and the foreseeable migration from the GSM-R standard towards FRM CS, new wireless applications and specifications arise, and suitable antenna solutions need to be developed and tested. Moreover, the rooftops of modern locomotives present a dense and harsh environment; therefore, potential antenna mounting spaces should be carefully evaluated to avoid undesirable degradations of the antenna radiation patterns. Due to the electrically large and complex structure of locomotives, full-scale testing is challenging to perform, especially under laboratory conditions. Antenna measurements with geometrically scaled models present a powerful alternative to address this issue. In this paper, we present and discuss antenna measurement results of a scaled locomotive mockup. The mockup incorporates two different cabin geometries, one with a step-like rooftop contour, and one with a smooth slightly tilted geometry. First, the optimum scaling factor was identified and validated through numerical simulations. Afterwards, antenna measurements with a scaled locomotive mockup were carried out in our automotive antenna measurement facility VISTA. The measured results were compared with the numerical simulations, where a good correlation above 80 % was found. Secondly, the impact of the rooftop geometries, and superstructures on the roof has been investigated for a range of operational frequencies between 700 and 2600 MHz. The results reveal that the parasitic impact of the antenna environment becomes more pronounced at higher frequencies.



https://doi.org/10.23919/AMTA52830.2021.9620626
Berlt, Philipp; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Precise phase center localization of automotive LTE antennas in the installed state through phaseless LTE uplink measurements. - In: 2021 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), (2021), insges. 5 S.

With the event of integrated and multi-standard wireless links, phaseless antenna measurements are attracting more and more interest in research. Especially in the context of connected and automated driving, antennas, frontends, and digital signal processing units merge into telematic units and require new methods for performance evaluation in the installed state. The measurement of the phase diagram and the exact absolute positioning of electrically large antennas, i.e., antennas interacting with the car body, present challenges for safety-relevant applications and reliable test methods. This paper describes a way to determine the position of automotive antennas in the installed state with sub-wavelength precision from phaseless measurements. Realistic L TE uplink signals were used as test signals as they would be transmitted by an active device in a real-world scenario. The localization algorithm is based on orthogonal power measurements of the transmitted signal on a cylinder surface and a non-linear optimization. By comparison with a conventional localization based on spherical far-field data, an accuracy of the approach of less than 1 cm was achieved, which is less than N16 at the considered frequency of 1870 MHz.



https://doi.org/10.23919/AMTA52830.2021.9620655
Schwind, Andreas; Hofmann, Willi; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Bi-static RCS variations of pedal and wheel movements on bicycles between 1 and 10 GHz. - In: 2021 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), (2021), insges. 6 S.

One benefit of cooperative automated and connected driving lies in the fusion of multiple mobile wireless sensor and data transmission nodes, covering complementary technologies like radar, cellular and ad-hoc communications, and alike. Current developments indicate enormous potential to increase the environmental awareness through joint communication and radar sensing. In this respect, future channel models require knowledge of bi-static reflectivities of road users over a range of illumination and observation angles, both in the nearfield and in the far-field. To establish reference data and model such angle-dependent RCS variations, this paper deals with realistic pedal and wheel rotations of a bicycle based on electromagnetic simulations. In the simulation setup, idealized far-field conditions with plane-wave illumination and observation were assumed, while the angles covered the entire azimuth with 201 variations of the pedal and wheel positions. The fluctuation of the RCS is analyzed and discussed in terms of its probability density and cumulative distribution functions. Depending on the angular constellation, the range of the fluctuation varied between 1 dB and 14 dB, while the specular reflection and forward-scattering showed almost no fluctuation.



https://doi.org/10.23919/AMTA52830.2021.9620542
Pandey, Rick; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian; Pérez, Eduardo; Römer, Florian
Preprocessing of freehand ultrasound synthetic aperture measurements using DNN. - In: 29th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2021), (2021), S. 1401-1405

Manual ultrasonic inspection is a widely used Nondestructive Testing (NDT) technique due to its simplicity and compatibility with complex structures. However, in contrast to the data acquired using a robotic positioner, manual measurements suffer from perturbations caused by a variable coupling and a varying scanning density. Imaging techniques like the synthetic aperture focusing technique rely on an unperturbed dense measurement from an equidistant measurement grid. Consequently, imaging based on freehand measurements leads to artifacts. This work aims at reducing such artifacts by preprocessing the manual measurements using Deep Neural Networks (DNN). The training of a DNN requires a large set of labeled measurements which is difficult to obtain in NDT. In this work, we present a technique to train the DNN using only synthetic data. We show that the resulting DNN generalizes well on real measurements. We present an improvement in Generalized Contrast to Noise Ratio by a factor of 20 and 3 compared to omitting the preprocessing for synthetic and measurement data, respectively.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO54536.2021.9616155
Khakimov, Aidar;
Decoupling and calibration network for compact patch antenna modules. - Ilmenau. - 48 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Elemente einer Antennengruppe sollten in der Regel in einem Abstand von einer halben Wellenlänge zueinander angeordnet werden, was im Hinblick auf die gegenseitige Kopplung und die Eindeutigkeit des Signals die optimale Wahl darstellt. Für GNSS-Signale entspricht dieser Abstand etwas 20 cm im L1-Band bei 1575 MHz und 26 cm im E5a-Band bei 1176 MHz. Selbst für ein 2x2-Array führt dieser Ansatz zu großen Antennenabmessungen. In Kraftfahrzeuganwendungen sind solche großen Antennen schwer zu integrieren. Daher besteht die Notwendigkeit, kompaktere Antennenarrays mit Elementabständen von weniger als der halben Wellenlänge zu entwickeln. Bei solchen Arrays kommt es zu einer gegenseitigen Kopplung zwischen den Antennenelementen, der durch den Einsatz eines geeigneten Entkopplungs- und Anpassungsnetzwerks entgegengewirkt werden kann. Dieses Netzwerk kann mit Hilfe von 180&ring;-Hybridkopplern realisiert werden. In dieser Arbeit wurde ein Entkopplungsnetzwerk für die GNSS-Frequenzbänder E5a bei 1176 MHz und L1 bei 1575 MHz für eine gegebene 2x1-Elemente Patchantennengruppe mit festen Speisepositionen und Modenausgängen entworfen. Im Rahmen der Arbeit wurden verschiedene Arten von Hybridkopplern untersucht, wie z.B. auf Übertragungsleitungen basierende Schaltungen, Schaltungen mit konzentrierten Elementen und kommerziell erhältliche Koppler. Sie alle wurden in Bezug auf ihre HF-Eigenschaften und Kompaktheit verglichen. Die beste Variante, als die sich der kommerziell erhältlicher Hybridkoppler herausgestellt hat, wurde auf einer Leiterplatte zusammen mit einem Kalibriernetzwerk, bestehend aus Leistungsteiler und Richtkopplern, realisiert. Zur Verifizierung des Entwurfs wurden S-Parameter-Messungen mit einem Vektornetzwerkanalysator durchgeführt.



Ribeiro, Lucas Nogueira; Schwarz, Stefan; Haardt, Martin
Low-complexity zero-forcing precoding for XL-MIMO transmissions. - In: 29th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2021), (2021), S. 1621-1625

Deploying antenna arrays with an asymptotically large aperture will be central to achieving the theoretical gains of massive MIMO in beyond-5G systems. Such extra-large MIMO (XL-MIMO) systems experience propagation conditions which are not typically observed in conventional massive MIMO systems, such as spatial non-stationarities and near-field propagation. Moreover, standard precoding schemes, such as zero-forcing (ZF), may not apply to XL-MIMO transmissions due to the prohibitive complexity associated with such a large-scale scenario. We propose two novel precoding schemes that aim at reducing the complexity without losing much performance. The proposed schemes leverage a plane-wave approximation and user grouping to obtain a low-complexity approximation of the ZF precoder. Our simulation results show that the proposed schemes offer a possibility for a performance and complexity trade-off compared to the benchmark schemes.



https://doi.org/10.23919/EUSIPCO54536.2021.9616090
Münker, Jan Ulrich;
Verfahren zur fußpunktfreien Messung der Richtdiagramme von KFZ-Antennen im Einbauzustand in der virtuellen Straße. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Bei der Analyse von integrierten Antennen, wie sie in Kraftfahrzeugen vorkommen, ist eine fußpunktfreie Betrachtung des Richtdiagramms notwendig. Thema dieser Bachelorarbeit ist die Recherche von fußpunktfreien Messansätzen zur Ermittlung der Richtcharakteristik, sowie die Erprobung von ausgewählten Ansätze mit Hilfe von LTE Signalen in der VISTA (Virtuelle Straße Simulations- und Testanlage). Dafür wurde eine Uplinkleistungs- und eine RSRP-Messung durchgeführt sowie eine Datenratenmessung. Die erprobten Messverfahren der Uplinkleistungs- und der RSRP-Messung haben gute Ergebnisse erbracht, was durch einen Vergleich mit einer passiven Messung gezeigt werden konnte. Mit den durchgeführten Datenratenmessungen konnten keine Rückschlüsse auf das Richtdiagramm gezogen werden.



Makarov, Sergey N.; Golestanirad, Laleh; Wartman, William A.; Nguyen, Bach Thanh; Noetscher, Gregory M.; Ahveninen, Jyrki P.; Fujimoto, Kyoko; Weise, Konstantin; Nummenmaa, Aapo R.
Boundary element fast multipole method for modeling electrical brain stimulation with voltage and current electrodes. - In: Journal of neural engineering, ISSN 1741-2552, Bd. 18 (2021), 4, 0460d4, S. 1-21

Objective. To formulate, validate, and apply an alternative to the finite element method (FEM) high-resolution modeling technique for electrical brain stimulation - the boundary element fast multipole method (BEM-FMM). To include practical electrode models for both surface and embedded electrodes. Approach. Integral equations of the boundary element method in terms of surface charge density are combined with a general-purpose fast multipole method and are expanded for voltage, shunt, current, and floating electrodes. The solution of coupled and properly weighted/preconditioned integral equations is accompanied by enforcing global conservation laws: charge conservation law and Kirchhoff's current law. Main results. A sub-percent accuracy is reported as compared to the analytical solutions and simple validation geometries. Comparison to FEM considering realistic head models resulted in relative differences of the electric field magnitude in the range of 3%-6% or less. Quantities that contain higher order spatial derivatives, such as the activating function, are determined with a higher accuracy and a faster speed as compared to the FEM. The method can be easily combined with existing head modeling pipelines such as headreco or mri2mesh. Significance. The BEM-FMM does not rely on a volumetric mesh and is therefore particularly suitable for modeling some mesoscale problems with submillimeter (and possibly finer) resolution with high accuracy at moderate computational cost. Utilizing Helmholtz reciprocity principle makes it possible to expand the method to a solution of EEG forward problems with a very large number of cortical dipoles.



https://doi.org/10.1088/1741-2552/ac17d7
Kittler, Mario; Krapf, Gunter; Töpfer, Hannes; Fröhlich, Thomas
Quantum-based sensors for detection and discretization of currents in EMFC weighing systems :
Quantenbasierte Sensorik zur Erfassung und Diskretisierung von Strömen für EMK-Wägesysteme. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 88 (2021), 12, S. 764-772

Hochpräzise Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK), wie Massekomparatoren, finden trotz Neudefinition der Einheit Kilogramm weiterhin Anwendung bei der Realisierung sowie Weitergabe einer praktischen Masseskale, indem sie metrologische Massevergleiche anhand des elektrischen Stromes als Zwischengröße ermöglichen. Gleichzeitig haben Quanteninterferometer auf Basis einer supraleitenden Hochgeschwindigkeitselektronik das Potential, kleinste Änderungen des magnetischen Flusses im Femtotesla-Bereich aufzulösen und eröffnen somit einen alternativen Ansatz zum Erfassen kleinster Stromdifferenzen. Die Kombination dieser bislang größtenteils nur für Fundamentalexperimente in der elektrischen Metrologie ausgenutzten quantenelektrischen Effekte mit Systemen der Präzisionskraftmessung ist eine neuartige Ausgangsbasis zur Verbesserung der Messgenauigkeit dieser Referenzsysteme. Insbesondere bietet die Anwendung eines quantenbasierten Analog-zu-Digital-Wandlers ein deutliches Potential zum Erschließen bisher unerreichter Genauigkeiten. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse erster experimenteller Arbeiten zum Nachweis des grundlegenden Funktionsprinzips präsentiert. Darüber hinaus erfolgt eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie des Entwicklungspotentials des vorgestellten quantenbasierten Stromsensors für hochpräzise EMK-Wägesysteme.



https://doi.org/10.1515/teme-2021-0089
Koulagi Jayatheertha, Kavyashree;
Spectrum-aware scheduling in 5G-NR networks. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Eines der Hauptmerkmale von 5G-NR-Netzen ist die Einführung verschiedener Anwendungsfälle, die sowohl Breitband- als auch Schmalbandkommunikation mit unterschiedlichen Durchsatz- und Latenzanforderungen umfassen. Die im 5G-Standard definierte flexible Numerologie ermöglicht es, den Anforderungen solcher heterogenen Anwendungen gerecht zu werden. Dies erfordert die Implementierung effizienter Scheduling-Strategien, die nicht nur die Anforderungen der einzelnen Nutzer erfüllen, sondern auch einen fairen Zugang zu den Netzwerkressourcen gewährleisten können. Für die gemeinsame Nutzung von Ressourcen wurden mehrere Planungsschemata vorgeschlagen, die eine einfache Numerologie und in jüngerer Zeit auch eine Multinumerologie verwenden. Im Allgemeinen setzen diese Verfahren die Verfügbarkeit von zusammenhängenden Frequenzbändern voraus. Wenn sich jedoch mehrere Netze dasselbe Frequenzband teilen, muss der Planer die Verfügbarkeit von Teilen der Frequenzbandbreite zu verschiedenen Zeitpunkten berücksichtigen. In dieser Arbeit werden terrestrische und nicht-terrestrische 5G-Netze als zwei mögliche Systeme betrachtet, die sich dasselbe Frequenzband zeitlich teilen. Im Allgemeinen muss der Scheduler zusätzliche Einschränkungen im Zusammenhang mit der Verfügbarkeit der Systembandbreite berücksichtigen und gleichzeitig den Netzwerkdurchsatz maximieren und Fairness gewährleisten. Die Leistung des Schedulers wird für ein Multinumerologie-Szenario bewertet.



Häfner, Stephan;
Parameter estimation for broadband mm-wave FMCW MIMO radars - a model-based system identification perspective. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (xviii, 244 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Radaranwendungen für das tägliche Leben haben in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen. Radarsensoren werden in verschiedensten Bereichen eingesetzt, z.B. in Autos, in der industriellen Automatisierung, in medizinischen Anwendungen usw. FMCW-Radare sind hierbei populär. Ihre architektonische Einfachheit und die jüngsten Entwicklungen im Bereich integrierter Schaltkreise erleichtern die System-on-Chip-Realisierung von FMCW-Radaren. Darüber hinaus sind MIMO-Radare ein aufkommender Technologietrend zukünftiger Radarsysteme. Solche Radare bieten neben der Entfernungs- oder Dopplerbestimmung eine Vielzahl neuartiger Möglichkeiten. Kombiniert mit der Einfachheit der Hardware von FMCW-Radaren werden somit neue Anwendungsfelder adressierbar. Neben der Radar-Hardware ist die Signalverarbeitung ein elementarer Bestandteil einer jeden Radaranwendung. Ein wesentlicher Teil der Radarsignalverarbeitung ist die Zielerfassung und die Schätzung der zugehörigen Parameter aus den Radarbeobachtungen. Die geschätzten Parameter dienen als Eingangsdaten für alle nachfolgenden Verarbeitungsschritte. Die Radarsignalverarbeitung ist hierbei untrennbar mit der Hardware und dem Anwendungszweck verbunden. Breitbandige Radare, d.h. Radare mit großer Signalbandbreite und räumlicher Apertur, bieten eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung. Klassische Methoden der Schätzung von Zielparametern beruhen auf Annahmen bezüglich der Radararchitektur oder der Bandbreite. Diese Annahmen sind bei breitbandigen Radaren nicht erfüllt. Daher sind neuartige Signalverarbeitungsmethoden notwendig um einerseits die Möglichkeiten des Radarsystems voll auszuschöpfen, sowie Verarbeitungsproblemen, die durch das Radar selbst verursacht werden, zu bewältigen. In dieser Arbeit wird die Signalverarbeitung für ein breitbandiges FMCW-MIMO-Radar dargestellt, welches im mm-Wellen-Frequenzbereich arbeitet. Die Entwicklung geeigneter Signalverarbeitungsmethoden erfordert hierbei einen Paradigmenwechsel in der Betrachtung der Radaranwendung. Im Gegensatz zu der klassischen Betrachtung von Radar, bei der Radar hauptsächlich vor dem Hintergrund der hardwarebedingten Zielerkennung betrachtet wird, soll hier ein anderer Gesichtspunkt herangezogen werden. Radar wird als eine Anwendung der Systemidentifikation im Bereich der drahtlosen Wellenausbreitung betrachtet. Die Parameter eines Modells beschreiben die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Raum-, Frequenz- und Zeitbereich. Diese Parameter können Radarzielen zugeordnet, und deren Auswertung zur Zielortung ausgenutzt werden. Daher wird das Radar in Verbindung mit der Schätzung von Modellparametern als ein Problem der modellbasierten Systemidentifikation betrachtet. Die modellbasierte Systemidentifikation aus verrauschten Messungen ist ein stochastisch inverses Problem. Aus der Literatur ist eine Vielzahl von Verfahren zur Lösung solcher Probleme bekannt, welche hinsichtlich des Modells sehr flexibel sind. Diese Flexibilität ermöglicht die Entwicklung von dedizierten Methoden der Signalverarbeitung, welche auf die Radar-Hardware zugeschnitten, und nicht auf dedizierte Annahmen über z.B. die Signalbandbreite beschränkt sind. Die Betrachtung von Radarsignalverarbeitung als modellbasierte Systemidentifikation ermöglicht es somit, geeignete Signalverarbeitungsmethoden für das betrachtete Radar zu entwickeln.



https://doi.org/10.22032/dbt.50286
Basavaraju, Nandeesh; Alexander, Naveen; Seitz, Jochen
Performance evaluation of Advanced Message Queuing Protocol (AMQP): an empirical analysis of AMQP online message brokers. - In: The 2021 International Symposium on Networks, Computers and Communications (ISNCC 2021), (2021), insges. 8 S.

This paper analytically evaluates the Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) based on two different message brokers called RabbitMQ and ActiveMQ which implement two different versions of AMQP, namely version 0-9-1 and version 1-0 respectively. A system model is created for the consumer and subscriber to find the difference between the two brokers in a live environment which are hosted on Amazon Web Service (AWS). Different parameters like latency, publish-rate, data-rate, and consume-rate are considered for performance evaluation for varying message payloads and queues.



https://doi.org/10.1109/ISNCC52172.2021.9615705
Mercier, Mathieu; Mioc, Francesca; Rutkowski, Kim; Scannavini, Alessandro; Nowack, Tobias; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Evaluation of automotive antenna over the air performance. - In: 2021 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), (2021), insges. 2 S.

This document outlines the measurement methodology currently employed to evaluate wireless technology on vehicles. Near Field Over the Air measurement results are provided and the Figure of Merit developed to assess the performance is reviewed. Simulation results of a more complex measurement scenario are also presented.



https://doi.org/10.23919/ISAP47258.2021.9614413
Varga, Isabella;
Einfluss von Bodenreflexionen auf die Ausbreitung von Radarsignalen. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Die fortschreitende Technik des autonomen Fahrens realisiert neue Möglichkeiten, um den Straßenverkehr für alle Verkehrsteilnehmer sicherer zu gestalten. Durch JCRS (Joint Communication and Radar Sensing) werden Mobilfunk- und Radarsysteme kombiniert. Die Grundlage bildet einerseits die 5G-Technologie, womit Fahrzeuge in Echtzeit Informationen austauschen können und andererseits Radare, die einen weitreichenden Blick auf Straßenkreuzungen ermöglichen. Zukünftig sollen bi-statische Radaranordnungen in Fahrzeugen verbaut werden und Anwendung im Straßenverkehr finden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von Bodenreflexionen im bi-statischen Radar. Die Signalausbreitung kann in zwei Modelle unterteilt werden, dem Zwei-Wege-Modell zwischen Sender und Empfänger und dem Vier-Wege-Modell zwischen Sender, Empfänger und Radarziel. Ein theoretisch ausgearbeitetes Modell untersucht und beschreibt verschiedene Geometrieanordnungen und Messabhängigkeiten. Abschließende Messungen unter Laborbedingungen bestätigen das Modell. Zusätzlich werden Messungen realer Straßenteilnehmer und Messungen auf Asphaltboden durchgeführt, welche im Einklang mit dem Modell stehen.



Kalloch, Benjamin; Numssen, Ole; Knösche, Thomas R.; Hartwigsen, Gesa; Weise, Konstantin
Robotized functional localization with TMS. - In: Brain stimulation, ISSN 1876-4754, Bd. 14 (2021), 6, S. 1652-1653

https://doi.org/10.1016/j.brs.2021.10.207
Tang, Jiayin;
A parametric model for the estimation of time-variant parameters. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Masterarbeit wird, um die Änderungen zeitvariierender Parameter im Funkkanal genauer zu verfolgen, ein neues zeitvariantes parametrisches Modell unter Verwendung der Taylor-Reihenentwicklung erstellt und dann die Verzögerung und die Doppler-Frequenzverschiebung im Kanal geschätzt durch einen Maximum-Likelihood-Ansatz unter Verwendung des Levenberg-Marquart-Algorithmus. Zunächst werden die physikalischen Ursachen der Doppler-Frequenzverschiebung und -verzögerung sowie deren Auswirkungen auf Funkkanäle vorgestellt. Eine vorhandene Zeitinvariante wird dann angezeigt. Der Fokus liegt auf dem Zusammenhang zwischen der Kanalantwort und den Parametern im Modell und dem Prinzip des statischen Modells. Dies ist wichtig, um besser zu verstehen, warum wir motiviert sind, ein neues vorzuschlagen sich nähern. Anschließend wird das neue zeitvariante parametrische Modell im Detail vorgestellt. Im traditionellen statischen Modell beträgt die Änderungsrate von Parametern mit der Zeit wird oft ignoriert, was die Genauigkeit der Parameterschätzung stark beeinflusst. Im neuen zeitvarianten parametrischen Modell, das in diesem Papier vorgeschlagen wird, sammeln wir mehrere Momentaufnahmen in einer einzigen Beobachtung und verwenden die Taylor-Expansion, um das neue zeitvariante parametrische Modell zu verfeinern, um die Auswirkung der Änderungsrate auf die Daten zu erhalten. Dies erfolgt, um die Genauigkeit der nachfolgenden Schätzung zu verbessern und das SNR zu verbessern. Im folgenden Kapitel führt diese Arbeit die Maximum-Likelihood-Schätzung ein. Wenn die Maximum-Likelihood-Schätzung in die kleinste umgewandelt wird Quadratschätzung, Wir präsentieren eine bekannte Methode, um eine geeignete Parameterschätzung mit guter Genauigkeit und relativ geringem Rechenaufwand zu erhalten. Die Grundidee zum Finden des Minimums ist der Gradientenabstieg, einschließlich der Gaußschen Methode, der Gaußschen Newton-Methode und der Levenberg-Marquardt-Methode (LVM). Ich konzentriere mich darauf zu erklären, warum dieses Papier LVM wählt, um das Extrem zu finden Wert der Maximum-Likelihood-Funktion. Dann schlage ich unseren neuen Algorithmus vor: Time-Variant-Maximum-Likelihood (TVML) Algorithmus. Danach stellen wir kurz den hochmodernen Baseline Extended KalmanFilter (EKF)-Algorithmus vor, machen einen mathematischen Vergleich mit unserem neuen TVML-Algorithmus und entdecken, dass der EKF mathematisch eine einstufige Version einer verallgemeinerten LVM-Iteration ist. Darüber hinaus können wir mit numerischen Simulationen eine Verbesserung des SNR und damit der Schätzgenauigkeit bei der Verwendung von TVML im Vergleich zu EKF feststellen.



Struck, Tobias;
Erfassung der Immission von Kleinzellen mittels hybrider Mess- und Auswerteverfahren. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die zunehmende Verbreitung sogenannter Kleinzellen-Basisstationen und deren Platzierung im öffentlichen Raum erfordert eine sicherheitstechnische Neubewertung der elektromagnetischen Immission. Kleinzellen werden mit einer Sendeleistung kleiner 10 W EIRP betrieben und müssen im Rahmen sicherheitstechnischer Untersuchungen auf die Einhaltung elektromagnetischer Grenzwerte hin überprüft werden. Etablierte Verfahren zur Ermittlung von Sicherheitsabständen sehen dabei eine punktuelle Feldstärkemessungen vor, die sich für Kleinzellen als nicht praktikabel herausgestellt hat. Im Rahmen der Arbeit wird ein alternativer Bewertungsansatz - bestehend aus Messung, digitaler Messdatennachverarbeitung und Simulation - hinsichtlich der Ermittlung von Sicherheitsabständen bei Kleinzellen untersucht. Es wird gezeigt, dass mit dem sogenannten Hybridverfahren, Sicherheitsabstände ermittelt werden können, die sich durch Vergleichsmessungen mit etablierten Verfahren verifizieren lassen. Die ermittelte Messungenauigkeit des Hybridverfahrens ist mit 3,2 dB als gleichwertig gegenüber der punktbasierten, elektrischen Feldstärkemessung (Messungenauigkeit: 3 dB) zu beurteilen, die für die Verifikation herangezogen wurde. Weiterhin wird gezeigt, dass mit Hilfe des Hybridverfahrens eine Sicherheitsabstandsbewertung auf Grundlage weiterer Feldkomponenten (hier: magnetische Feldstärke H und Leistungsflussdichte S) möglich ist, womit das Hybridverfahren auch im Nahbereich der Antenne eine Aussage über die Einhaltung relevanter Feldstärke-Grenzwerte liefern kann. Es wird weiterführend gezeigt, dass das Verfahren in der Lage ist, Montageumgebungen der Kleinzellen rein simulativ abzubilden. Dadurch besteht die Möglichkeit Sicherheitsabstände von Kleinzellenantennen unter Laborbedingungen zu erfassen und diverse montagebedingte Reflexionsumgebungen nachträglich zu implementieren und berücksichtigen. Abschließend werden formale Einschränkungen und Herausforderungen des Hybridverfahrens benannt. Dort wird auf die derzeit eingeschränkte Anwendbarkeit des Verfahrens auf bestimmte Antennentypen und eine Limitierung des Winkelbereichs eingegangen. Perspektivisch werden Potentiale aufgezeigt, die eine standardisierte Implementierung des hybriden Mess- und Auswerteverfahrens begünstigen und ermöglichen würden.



Gueussi Kemtchouang, Nelly;
Entwicklung und Optimierung eines hochauflösenden Parameterschätzers für Funkkanalmessdaten eines Mehrkanalempfängers. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Zur Entwicklung Kommunikationssysteme werden Kenntnisse über den Funkkanal benötigt. Dafür kommen meist hochauflösende Parameterschätzer zum Einsatz. Sie erlauben Mehrwegekomponente aus Funkanalmessdaten zu extrahieren und eine Beschreibung der Ausbreitungspfade hinsichtlich Laufzeit, Doppler, Ein-und Ausfallrichtung. Für die Kanalerfassung wird im Rahmen dieser Arbeit einen MIMO-Sounder mit parallelen Messempfängern genutzt. Problem bei dieser Architektur liegt an der Kohärenz der Messempfänger, die auf die Zeit schwer zu halten wird. Diese driften unterschiedlich und diese Drifts sind für die Schätzung besonders schädlich, da sie dort größere Schätzfehler hervorrufen werden. Um es zu vermeiden, wird in dieser Arbeit ein Kalibrierverfahren für die Messempfänger entwickelt. Dafür wird eine neue Applikation probiert und anstatt wie üblich, den Kalibrierungsvorgang auf Kabel zu betreiben, geht es über die Luft. Ein Referenzkanal wird lokal gebaut und überwacht das Messsystem. Daraus werden alle Abweichungen der Messempfänger über die Zeit gewonnen. Aus den gewonnenen Systemfehler wird ein Korrektursignal gebildet und Offline erfolgt die Korrektur auf den MIMO-Messdaten, die weiterhin geschätzt werden. Es wurde Festgestellt, dass die Kalibrierung über den Referenzlink funktioniert hat, allerdings unter bestimmten Bedingungen: der Nutzsignal-Pegel im Referenz- und MIMO-Kanal muss gegenüber das Messrauschen deutlich viel größer sein. Weiterhin wird im Laufe der Arbeit die Faktoren, wovon die Genauigkeit der Korrekturdaten abhängen, untersucht.



Griebel, Alexandra; Henning, Stefan; Griebel, Stefan; Schale, Florian; Fröhlich, Thomas; Töpfer, Hannes; Zentner, Lena
Naučnye issledovanija na osnove modelirovanija s cel&softcy;ju raspoznavanija sily putem monitoringa a deformacionnogo sostojanija gibkogo mechanizma :
Model-based investigations of force detection by monitoring the deformation state of a compliant mechanism. - In: Problems of mechanics, ISSN 1512-0740, (2021), No. 3(84), Seite 51-62

A strong, long-lasting pressure on the human skin whose effect is increased by shear forces can lead to the development of a pressure ulcer (decubitus). In order to minimize the risk of pressure ulcers developing, critical forces acting between the body and a sitting or lying surface should be detected and eliminated in time. One possibility for detecting critical forces is the actuation of tactile switches. In this article, miniature tactile switches are integrated into a compliant mechanism using the example of a MATF1 mattress spring made by Hartmann Kunststofftechnik GmbH & Co. KG. For this purpose, the deformation behavior of the spring is analyzed by means of non-linear analytical and finite elements method (FEM) calculations and the required tactile switches parameters as well as suitable locations for their placement are determined. A functional model is then built and examined.



Pérez, Eduardo; Semper, Sebastian; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian; Römer, Florian
Compressed ultrasound computed tomography in NDT. - In: IEEE IUS 2021, (2021), insges. 4 S.

Ultrasound Computed Tomography (UCT) is challenging due to phenomena such as strong refraction, multiple scattering, and mode conversion. In NDT, large speed of sound contrasts lead to strong artifacts if such phenomena are not modeled correctly; however, enhanced models are computationally expensive. In this work, a two-step framework for Compressed UCT based on the integral approach to the solution of the Helmholtz equation is presented. It comprises a physically motivated forward step and an imaging step that solves a suitable inverse problem. Multiple scattering is accounted for through the use of Neumann series. Convergence problems of Neumann series in high contrast settings are addressed via Padé approximants. Compressed sensing is employed to reduce the computational complexity of the reconstruction procedure by reducing data volumes directly at the measurement step, avoiding redundancy in the data and allowing the ability to steer the admissible computational effort at the expense of reconstruction quality. The proposed method is shown to yield high quality reconstructions under heavy subsampling in the frequency and spatial domains.



https://doi.org/10.1109/IUS52206.2021.9593329
Podkurkov, Ivan; Seidl, Gabriel; Khamidullina, Liana; Nadeev, Adel; Haardt, Martin
Tensor-Based Near-Field Localization using massive antenna arrays. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 69 (2021), S. 5830-5845

In this paper, the Tensor-Based Near-Field Localization (TeNFiLoc) algorithm is proposed for channel estimation and user localization on the uplink of a multi-carrier wireless communication system with a massive antenna array. OFDM is used as the modulation scheme and the user can be located in the near-field of the array. The exact spherical model of the impinging wavefronts allows TeNFiLoc to localize and identify the reflected paths and distinguish them from the Line-of-Sight (LoS) path. Some additional processing generally allows TeNFiLoc to localize user even in non-LoS scenarios, when the LoS path may be blocked or shadowed, provided that the number of reflected paths that reach the receiver is not less than three. It is also shown that perfect knowledge of the transmitted data is not necessarily required to perform channel estimation and user localization. Using a specific design of the transmitted signal, an additional low throughput, highly reliable communication link to the receiver can be established. Simulation results demonstrate the excellent localization accuracy of the TeNFiLoc algorithm and its applicability in practical scenarios.



https://doi.org/10.1109/TSP.2021.3105797
Gadallah, Ahmed; Franzese, Aniello; Eissa, Mohamed Hussein; Drenkhahn, Kevin E.; Kissinger, Dietmar; Malignaggi, Andrea
A 4-channel V-band beamformer featuring a switchless PALNA for scalable phased array systems. - In: 2021 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, (2021), S. 839-841

This paper presents a 4-channel bidirectional V-band beamformer adopting a switchless PALNA in a SiGe:C 130 nm BiCMOS technology, featuring ft/fmax of 250/340 GHz. Using such technique saves the silicon area occupied by the RF switches avoiding their lossy effect on PAs outputs and LNAs inputs. The designed beamformer contains PAs, LNAs, vector modulators with active balun, passive power dividers/combiners and an integrated SPI interface. On-wafer measurements show that the fabricated beamformer covers the band from 57 GHz to 66 GHz with an average small signal gain of 18 dB and 9 dB all over the channels in both Tx and Rx modes respectively. Furthermore, the beamformer achieves an OP1dB of 10.5 dBm in Tx mode and an IP1dB of -27 dBm in Rx mode. The circuit occupies 11 mm2 and consumes 230 mW and 100 mW per channel in Tx and Rx modes respectively.



https://doi.org/10.1109/IMS19712.2021.9574827
Möbius, Maximilian;
Charakterisierung von Verkehrs-Objekten anhand ihres Radarquerschnitts im E-Band. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Monostatische Radarsensoren gehören im Bereich des automatisierten Fahrens zu den wichtigsten Informationsquellen zur korrekten Einschätzung der Umgebung. Die Detektierbarkeit, Erkennung und richtige Klassifizierung von Verkehrsobjekten anhand ihres Radarquerschnitts (RCS) ist bei der Beurteilung solcher Sensoren von höchster Bedeutung. Daher sollten zur Weiterentwicklung immer leistungsfähigerer KFZ-Radarsensoren die Sichtbarkeit und die Streueigenschaften von Verkehrsobjekten untersucht werden. Die Rückstreueigenschaften von Verkehrsteilnehmern wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, Fußgängern und Radfahrern wurden bereits häufig umfänglich untersucht. Diese Arbeit fokussiert sich deshalb auf Verkehrsobjekte der Straßeninfrastruktur. Objekte wie Verkehrsschilder, Leitbaken und insbesondere Leitplanken stellen aufgrund ihres großen Radarquerschnitts und teilweise kontinuierlichen Auftretens eine besondere Herausforderung für Radarsensoren dar. Außerdem können falsch klassifizierte kleine Objekte, die als Lost Cargo bezeichnet werden, zu unnötigen, abrupten Manövern führen, die schwerwiegende Folgen haben können. Die breitbandigen RCS-Messungen wurden unter Laborbedingungen in der Virtuellen Straße Simulations- und Testanlage (VISTA) der TU Ilmenau durchgeführt. In der reflexionsarmen Messhalle wurden mit einem Vektornetzwerkanalysator die Messdaten im Frequenzbereich von 76 bis 81 GHz für sowohl die horizontale als auch die vertikale Co-Polarisation aufgenommen. Mit Hilfe der Hintergrundsubtraktion und der Zeitbereichsfilterung wurden kalibrierte und frequenz-gemittelte RCS-Diagramme erstellt und anschließend ausführlich unter sowohl physikalischen als auch statistischen Gesichtspunkten diskutiert. Die Daten haben gezeigt, dass eine Objekterkennung anhand des Radarquerschnitts möglich ist und insbesondere Objekte des Lost Cargo sich von denen der Straßeninfrastruktur deutlich unterscheiden.



Numssen, Ole; Zier, Anna-Leah; Thielscher, Axel; Hartwigsen, Gesa; Knösche, Thomas R.; Weise, Konstantin
Efficient high-resolution TMS mapping of the human motor cortex by nonlinear regression. - In: NeuroImage, ISSN 1095-9572, Bd. 245 (2021), 118654, insges. 11 S.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a powerful tool to investigate causal structure-function relationships in the human brain. However, a precise delineation of the effectively stimulated neuronal populations is notoriously impeded by the widespread and complex distribution of the induced electric field. Here, we propose a method that allows rapid and feasible cortical localization at the individual subject level. The functional relationship between electric field and behavioral effect is quantified by combining experimental data with numerically modeled fields to identify the cortical origin of the modulated effect. Motor evoked potentials (MEPs) from three finger muscles were recorded for a set of random stimulations around the primary motor area. All induced electric fields were nonlinearly regressed against the elicited MEPs to identify their cortical origin. We could distinguish cortical muscle representation with high spatial resolution and localized them primarily on the crowns and rims of the precentral gyrus. A post-hoc analysis revealed exponential convergence of the method with the number of stimulations, yielding a minimum of about 180 random stimulations to obtain stable results. Establishing a functional link between the modulated effect and the underlying mode of action, the induced electric field, is a fundamental step to fully exploit the potential of TMS. In contrast to previous approaches, the presented protocol is particularly easy to implement, fast to apply, and very robust due to the random coil positioning and therefore is suitable for practical and clinical applications.



https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118654
Kirchhof, Jan; Semper, Sebastian; Wagner, Christoph; Pérez, Eduardo; Römer, Florian; Del Galdo, Giovanni
Frequency subsampling of ultrasound nondestructive measurements: acquisition, reconstruction, and performance. - In: IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, ISSN 1525-8955, Bd. 68 (2021), 10, S. 3174-3191

In ultrasound nondestructive testing (NDT), a widespread approach is to take synthetic aperture measurements from the surface of a specimen to detect and locate defects within it. Based on these measurements, imaging is usually performed using the synthetic aperture focusing technique (SAFT). However, SAFT is suboptimal in terms of resolution and requires oversampling in the time domain to obtain a fine grid for the delay-and-sum (DAS). On the other hand, parametric reconstruction algorithms give better resolution, but their usage for imaging becomes computationally expensive due to the size of the parameter space and a large amount of measurement data in realistic 3-D scenarios when using oversampling. In the literature, the remedies to this are twofold. First, the amount of measurement data can be reduced using state-of-the-art sub-Nyquist sampling approaches to measure Fourier coefficients instead of time-domain samples. Second, parametric reconstruction algorithms mostly rely on matrix-vector operations that can be implemented efficiently by exploiting the underlying structure of the model. In this article, we propose and compare different strategies to choose the Fourier coefficients to be measured. Their asymptotic performance is compared by numerically evaluating the Cramér-Rao bound (CRB) for the localizability of the defect coordinates. These subsampling strategies are then combined with an l1-minimization scheme to compute 3-D reconstructions from the low-rate measurements. Compared to conventional DAS, this allows us to formulate a fully physically motivated forward model matrix. To enable this, the projection operations of the forward model matrix are implemented matrix-free by exploiting the underlying two-level Toeplitz structure. Finally, we show that high-resolution reconstructions from as low as a single Fourier coefficient per A-scan are possible based on simulated data and measurements from a steel specimen.



https://doi.org/10.1109/TUFFC.2021.3085007
Shahabi Ghahfarokhi, Samar;
Investigation of broker overlay systems for publish-subscribe messaging paradigm. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit untersucht die 'information centric networking' (ICN) Architekturen, die für das zukünftige Internet geeignet sind, mit Schwerpunkt auf netzwerkbasierten Broker-Overlay-Architekturen. Die bestehenden ICN-Architekturen auf dem neuesten Stand der Technik werden überprüft und verglichen. Das Publish-Subscribe-basierte Broker-Overlay-System für das Internet der Dinge (IoT), das für das Information Centric Networking geeignet ist, wird mit einem Cluster von Brokern für Lastausgleich und Hochverfügbarkeitsdesigns entworfen. Das neuartige QoS-basierte Lastausgleichsschema wird für MQTT-Broker entworfen und für bestimmte Szenarien unter Verwendung einer virtuellen Mininet-Netzwerkinstanz bewertet. Darüber hinaus werden ein gemeinsames Abonnementmodell und ein Multicast-basierter Ansatz für Broker implementiert und für die gegebenen Szenarien evaluiert. Verschiedene Netzwerkparameter wie Bandbreite, Verzögerung, Nutzlastgrößen werden für das Benchmarking der Broker-Lastverteiler verwendet. Die Arbeit schließt mit der Feststellung, dass sich das Shared-Subscription-Modell und die Multicast-Ansätze in Bezug auf die Evaluierung für die gegebenen Szenarien als sehr effektiv erwiesen haben und auf sehr große Anbieter und Teilnehmer erweitert werden können.



Treichel, Tim;
Evaluation of open source hardware for rapid prototyping of advanced ultrasonic testing methods. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Das Un0rick Projekt ist eine Open Source Hardware für Ultraschallprüfung. Im Vergleich zu gängigen proprietären Geräten bietet es eine kostengünstige Lösung, welche vollen Zugriff auf Rohdaten und vollständige Kontrolle bis hin zur Firmware bietet. Ziel dieser Arbeit ist es die Hardware auf Erweiterungsmöglichkeiten zu testen, um komplexere Ultraschallprüfverfahren zu ermöglichen. Dies geschieht an einer konkreten Beispielimplementierung von codierten Signalen. Außerdem soll diese Arbeit als zusätzliche Dokumentation für das Un0rick Projekt dienen, da die offizielle Dokumentation teilweise inkonsistent ist. Im ersten Teil der Arbeit werden einige Grundlagen der Ultraschallprüfung behandelt. Danach wird die Arbeitsweise des Un0rick Boards erklärt, wobei ein Fokus auf die Signal Generation, Messung und Verarbeitung gelegt wird. Dies enthält einen Einblick in die Arbeitsweise der Standard Firmware. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eigene Software für das Un0rick Board entwickelt. Die entwickelte Software enthält eine Python Bibliothek, welche die Kommunikation mit dem Un0rick Board ermöglicht, sowie einen Web-Server, welcher live aktualisierende Messungen im Web-Browser darstellen kann. Im letzten Teil der Arbeit wurde eine eigene Firmware entwickelt, welche es ermöglicht Messungen mit binär codierten Signalen durchzuführen. Diese Arbeit kommt zu dem Schluss, dass das Un0rick Board eine gut geeignete Plattform für kostengünstige Entwicklungs- und Bildungszwecke ist. Es ist möglich eigene komplexere Prüfverfahren zu implementieren, wenn auch dies mit eigener Arbeit verbunden ist. Dies wird vor allem durch die Tatsache ermöglicht, dass die ganze Dokumentation der Hardware frei zugänglich ist.



Galimullin, Bulat;
Evaluation of cell load of the LTE network based on control information decoding. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Zellenlastbewertung ist eines der Werkzeuge, die für die Entwicklung von Methoden zur Erhöhung der Dienstgüte (QoS) in Mobilfunknetzen verwendet werden. Beispielsweise kann die Analyse der mobilen Datennutzung zur Netzoptimierung und -verwaltung im Hinblick auf Funkressourcen verwendet werden. Bestehende Bewertungsmethoden, wie "Drive-Tests" oder passive Bewertungen basierend auf der Analyse physischer Kanalindikatoren, sind entweder unzuverlässig, ungenau oder unbequem. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Bewertung der Zellenlast vorgestellt, die auf der Dekodierung und Analyse der Steuerkanäle basiert. Das Verfahren kann die Ressourcenzuweisungen und den Durchsatz in einer öffentlichen Mobilfunkzelle zuverlässig überwachen. Ein echtes LTE-Signal, das vom eNodeB mit Software Defined Radio aufgezeichnet wurde, wurde analysiert. Die Hauptindikatoren der Zelle wurden bestimmt, darunter die Effizienz der Nutzung von Ressourcenblöcken, die Anzahl der aktiven Benutzer und der Durchsatz der Zelle. Auch die Genauigkeit des Algorithmus wurde in dieser Arbeit evaluiert.



Soleymani, Dariush M.; Ravichandran, Lavanya; Gholamian, Mohammad Reza; Del Galdo, Giovanni; Harounabadi, Mehdi
Energy-efficient autonomous resource selection for power-saving users in NR V2X. - In: 2021 IEEE 32nd Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), (2021), S. 972-978

Energy efficiency has recently drawn significant attention in diverse applications, such as vehicle-to-everything (V2X) communications. This paper investigates a joint energy efficiency and sum-rate maximization problem in autonomous resource selection in the 5G new radio (NR) vehicular communication while catering for reliability and latency requirements. An autonomous resource allocation problem is formulated as a ratio of sum-rate to energy consumption, where the objective is to maximize the total energy efficiency of power-saving users subject to the reliability and latency requirements. The energy efficiency problem is a mixed-integer programming optimization problem that is computationally complex when the number of users increases. Therefore, a heuristic algorithm, density of traffic-based resource allocation (DeTRA), is proposed to solve the problem. The traffic density per traffic type is considered a metric to split the radio resources and trigger an appropriate resource selection strategy. The simulation results show that the proposed algorithm outperforms the existing schemes in terms of energy efficiency.



https://doi.org/10.1109/PIMRC50174.2021.9569365
Dupleich, Diego; Ebert, Alexander; Müller, Robert; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
Verification of dual-polarized ultra-wideband channel sounder for THz applications. - In: 2021 IEEE 32nd Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), (2021), insges. 5 S.

The lower THz bands are foreseen as candidates to achieve the data-rates demanded in the sixth generation (6G) of wireless communications. Hence, multiple measurements for characterization of propagation at these frequencies in different scenarios are being conducted all around the world. This also impulses activities on standardization of measurement equipment and methodologies to define common practices and make measurements from different actors comparable. Therefore, in the present paper we investigate the accuracy of a dual-polarized ultra-wideband channel sounder in the time, angular, and polarization domains by means of a verification methodology based on interferometry.



https://doi.org/10.1109/PIMRC50174.2021.9569491
Hampel, Jakob;
Zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung zur Zeitbereichscharakterisierung von Hochgeschwindigkeitslichtquellen mittels konfigurierbarer Logikbausteine. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung basiert auf der Tatsache, dass die Impulsantwort einer Lichtquelle der Wahrscheinlichkeitsdichte der Auslösezeitpunkte der einzelnen Photonen entspricht. Werden die Auslösezeitpunkte mit einer sehr genauen Messeinrichtung aufgenommen, kann aus diesen Zeitpunkten ein Histogramm erstellt werden, welches die Impulsantwort der Lichtquelle wiedergibt. Die Idee dieses Verfahrens entstand bereits vor vielen Jahren, war jedoch aufgrund der Notwendigkeit eines ausreichend zuverlässigen und präzisen Einzelphotonendetektors lange Zeit auf relativ sperrige Hardware mit großem Leistungsbedarf beschränkt. Mit dem Aufkommen kommerziell erhältlicher halbleiterbasierter Einzelphotonendetektoren in den letzten Jahren sowie den stets wachsenden Ressourcen moderner konfigurierbarer Logikbausteine kann dieses Verfahren nun äußerst kompakt, kostengünstig und leistungssparend umgesetzt werden. In der vorliegenden Arbeit entstand die Hardwarebeschreibung sowie die Auslesesoftware zur Umsetzung der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung durch einen konfigurierbaren Logikbaustein. Die in dem Projekt parallel zu dieser Arbeit entstandenen, analogen Komponenten vervollständigen ein kostengünstiges Messinstrument, welches Lichtimpulse mit einer Auflösung von 20 ps genau messen kann, dabei jedoch in ein 100 mm x 25 mm großes Rohr passt und weniger als 2,5 W Leistungsversorgung benötigt.



Hoch, Matthias Wolfgang;
Validierung der Hardware zur Ansteuerung eines DC-Motors in einem Getriebeaktuator mit Schwerpunkt der Fehlerdiagnose. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Diese Bachelorarbeit befasst sich mit der hardwareseitigen Validierung der Funktionsweise eines Gangstellermoduls des Technologieunternehmens Valeo. Die Validierung soll anhand des Automotive-SPICE-Modells durchgeführt werden. Weiterhin wird die intelligente Halbbrücke, die Endstufen der Motoransteuerung, charakterisiert und besonders auf die Fehlererkennungsfunktion eingegangen. Die Grundlagen des Gangstellermoduls werden dem Leser präsentiert. Dies umfasst die Vorstellung des Produktes, des zugrundeliegenden Schaltplanes sowie der wichtigsten Bauelemente in der Ansteuerung des verwendeten DC-Motors und den DC-Motor selbst. Danach folgt die Charakterisierung der Halbbrücke. Hierbei werden Eigenschaften sowohl theoretisch als auch experimentell erläutert. Die Validierung ist in einem komplexen System nicht ohne Einbezug der Software möglich. So wird zunächst auf die Testvoraussetzungen und den Messaufbau, bestehend aus Prüfstand und zugehöriger Steuerungs- und Auswertungssoftware, eingegangen. Anschließend wird kurz das Konzept des Automotive-SPICE mit Schwerpunkt auf den Bereichen SWE.6 (Software-Qualifizierungstest) und SYS.4 (Systemintegrations- und Integrationstestprozess) vorgestellt. Ein besonderes Augenmerk liegt hier auf den Tests des Technical-Safety-Concepts (TSaC) unter SYS.4, wo verschiedene Kurzschlusstests abgeprüft werden. Eine ausschließlich hierfür entwickelte externe Hardware am Getriebeaktuator wird aufgebaut und in Betrieb genommen. Schließlich werden zum Schluss ein Ausblick auf die Anwendung und den Nutzen dieser Bachelorarbeit im Betrieb, eine Zusammenfassung der erbrachten Leistungen sowie die Auswertung, ob eine Bestätigung der Validierung der Funktion erzielt wurde, gegeben.



Stängle, Tobias;
Modellierung des durch transkranielle Magnetstimulation erzeugten motorisch evozierten Potentials. - Ilmenau. - 108 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Aufgabe der vorliegenden Arbeit war es, ein Modell des neuromuskulären Systems zu entwickeln und den Optimierungsalgorithmen zu finden, welcher die geringste Differenz zwischen Referenz und Simulationsergebnis liefert. Hierfür wurden ausgewählte Modellparameter mit verschieden Optimierungsalgorithmen optimiert. Aufbauend auf einem neuronalen Massenmodell wurden zusätzliche biologische Eigenschaften des neuromuskulären Systems wie Adaptation und synaptische Verbindungen, sowie neuronale Elemente wie Renshaw-Zelle und Alpha-Motoneuron, berücksichtigt. Eine breite Auswahl an Optimierungsalgorithmen wurde mit den aus dem Modell generierten Werten getestet. Mit dem Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannon (BFGS) Algorithmus und der Partikelschwarmoptimierung konnten eine relative Differenz zwischen Simulationsergebnis und Referenz von weniger als 1 % erreicht werden. Additives Rauschen erhöhte den Zielfunktionswert auf bis zu 24 % für den BFGS Algorithmus und die Partikelschwarmoptimierung. Bei stärkerem Rauschen verschlechterte sich die durchschnittliche Abweichung vom den wahren Werten aller Parameter von 9.8 % auf 12.4 % für dem BFGS Algorithmus und von 4.9 % auf 7.1 % für die Partikelschwarmoptimierung.



Minaev, Sergey;
Entwicklung und Implementierung eines künstlichen neuronalen Netzes mit niedriger Verarbeitungsgenauigkeit zur Zustandserkennung von Gleichstrommotoren. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Für viele Unternehmen sind heute minimale Kosten für die Herstellung und Wartung von Geräten und Produkten das Hauptziel. Hierzu wird frühzeitig eine qualitativ hochwertige Prüfung der Produkte durchgeführt, da ansonsten die Beseitigung des Mangels der Produkte zu schwerwiegenden finanziellen und technischen Problemen führen könnte. Dafür werden spezielle Methoden und Algorithmen entwickelt. Heute ist maschinelles Lernen weit verbreitet und leistet in vielen Bereichen umfangreiche Hilfestellung. Zunehmend wurden künstliche neuronale Netze in die Produktion und Produktionsüberwachung eingeführt, die es ermöglichen, komplexe Berechnungen und Prognosen durchzuführen sowie Geräte zu prüfen. Diese Masterarbeit widmet sich der Zustandsbestimmung von Elektromotoren mit Hilfe eines künstlichen neuronalen Netzes. Um den Zustand der Motoren zu bestimmen, werden Labormessungen mit einem Körperschallsensor durchgeführt. Dieser Sensor ist ein analoges Gerät und gibt analoge Signalergebnisse aus. Um das neuronale Netz jedoch auf digitalen Geräten anwenden zu können, müssen die erhaltenen Messwerte von einem analogen Signal in ein digitales umgewandelt werden. Dabei ist es erforderlich, dass die Messgenauigkeit und die Effizienz des neuronalen Netzes, die in der Genauigkeit der Zustandsbestimmung von Elektromotoren besteht, bei der Signalumwandlung nicht verloren geht. Die ist ein Kernforschungsgegenstand dieser Arbeit. Dabei soll ein neuronales Netz, das Sensordaten mit geringer Verarbeitungsgenauigkeit und deren Ergebnisse verarbeitet, um Rückschlüsse auf die Anwendbarkeit dieses Netzes auf digitalen Geräten zu ziehen, implementiert und mit einer Standardimplementierung eines künstlichen neuronalen Netzes verglichen werden.



Zheng, Hang; Shi, Zhiguo; Zhou, Chengwei; Haardt, Martin; Chen, Jian
Coupled coarray tensor CPD for DOA estimation with coprime L-shaped array. - In: IEEE signal processing letters, ISSN 1558-2361, Bd. 28 (2021), S. 1545-1549

Conventional canonical polyadic decomposition (CPD) approach for tensor-based sparse array direction-of-arrival (DOA) estimation typically partitions the coarray statistics to generate a full-rank coarray tensor for decomposition. However, such an operation ignores the spatial relevance among the partitioned coarray statistics. In this letter, we propose a coupled coarray tensor CPD-based two-dimensional DOA estimation method for a specially designed coprime L-shaped array. In particular, a shifting coarray concatenation approach is developed to factorize the partitioned fourth-order coarray statistics into multiple coupled coarray tensors. To make full use of the inherent spatial relevance among these coarray tensors, a coupled coarray tensor CPD approach is proposed to jointly decompose them for high-accuracy DOA estimation in a closed-form manner. According to the uniqueness condition analysis on the coupled coarray tensor CPD, an increased number of degrees-of-freedom for the proposed method is guaranteed.



https://doi.org/10.1109/LSP.2021.3099074
Spira, Steffen; Blau, Kurt; Thomä, Reiner; Hein, Matthias
Agile multi-beam front-end for 5G mm-wave measurements. - In: International journal of microwave and wireless technologies, ISSN 1759-0795, Bd. 13 (2021), 7, S. 740-750

The 5th generation new radio (5G NR) standards create both enormous challenges and potential to address the spatio-spectral-temporal agility of wireless transmission. In the framework of a research unit at TU Ilmenau, various concepts were studied, including both approaches toward integrated circuits and distributed receiver front-ends (FEs). We report here on the latter approach, aiming at the proof-of-principle of the constituting FEs suitable for later modular extension. A millimeter-wave agile multi-beam FE with an integrated 4 by 1 antenna array for 5G wireless communications was designed, manufactured, and verified by measurements. The polarization is continuously electronically adjustable and the directions of signal reception are steerable by setting digital phase shifters. On purpose, these functions were realized by analog circuits, and digital signal processing was not applied. The agile polarization is created inside the analog, real-time capable FE in a novel manner and any external circuitry is omitted. The microstrip patch antenna array integrated into this module necessitated elaborate measurements within the scope of FE characterization, as the analog circuit and antenna form a single entity and cannot be assessed separately. Link measurements with broadband signals were successfully performed and analyzed in detail to determine the error vector magnitude contributions of the FE.



https://doi.org/10.1017/S1759078721000842
Ley, Sebastian; Sachs, Jürgen; Faenger, Bernd; Hilger, Ingrid; Helbig, Marko
MNP-enhanced microwave medical imaging by means of pseudo-noise sensing. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 21 (2021), 19, 6613, insges. 23 S.

https://doi.org/10.3390/s21196613
Chamaani, Somayyeh; Akbarpour, Alireza; Helbig, Marko; Sachs, Jürgen
Matrix pencil method for vital sign detection from signals acquired by microwave sensors. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 21 (2021), 17, 5735, insges. 24 S.

Microwave sensors have recently been introduced as high-temporal resolution sensors, which could be used in the contactless monitoring of artery pulsation and breathing. However, accurate and efficient signal processing methods are still required. In this paper, the matrix pencil method (MPM), as an efficient method with good frequency resolution, is applied to back-reflected microwave signals to extract vital signs. It is shown that decomposing of the signal to its damping exponentials fulfilled by MPM gives the opportunity to separate signals, e.g., breathing and heartbeat, with high precision. A publicly online dataset (GUARDIAN), obtained by a continuous wave microwave sensor, is applied to evaluate the performance of MPM. Two methods of bandpass filtering (BPF) and variational mode decomposition (VMD) are also implemented. In addition to the GUARDIAN dataset, these methods are also applied to signals acquired by an ultra-wideband (UWB) sensor. It is concluded that when the vital sign is sufficiently strong and pure, all methods, e.g., MPM, VMD, and BPF, are appropriate for vital sign monitoring. However, in noisy cases, MPM has better performance. Therefore, for non-contact microwave vital sign monitoring, which is usually subject to noisy situations, MPM is a powerful method.



https://doi.org/10.3390/s21175735
Bangalore Channabasappa, Manjith;
Investigation of cloud and edge computing for Internet of Things. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit untersucht das Cloud- und Edge-Computing-Paradigma für das Internet der Dinge (IoT) und bewertet die Leistung der Edge- und Cloud-Computing-Funktionen für das IoT. Diese Arbeit trägt zu einer Literaturübersicht über den Stand der Technik des Edge- und Cloud-Computings bei. Das Edge- und Cloud-Computing wird auf den drei Aufbaumodellen Bare Metal, Virtualisierung und Containerisierung durchgeführt, und Microsoft Azure Cloud wird als Cloud-Plattform verwendet. Für die Edge- und Cloud-Computing-Modelle werden drei Anwendungsfälle basierend auf den Datenverarbeitungstechniken als generische Datenverarbeitungs-, Datenfilterungs- und Datenkomprimierungstechniken verwendet. Die Edge-Setups sind mit dem Azure IoT Hub verbunden, und Azure Stream Analytics wird zum Streamen und Überwachen der Daten vom Azure IoT Hub zum Azure Blob Storage verwendet. In dieser Arbeit wird das Cloud-basierte Publisher- und Subscriber-Paradigma verwendet, wobei der Edge-Server der Publisher, Azure IoT Hub als MQTT-Broker und Azure Stream Analytics der Subscriber ist. Die CI und CD (CI/CD) für die Smart-Home-Automatisierung wird als CI am Edge-Server und CD in der Azure-Cloud unter Verwendung von GitHub-Aktionen entworfen und implementiert. Die Leistung aller Edge- und Cloud-Computing-Modelle mit Use Cases wird anhand der Edge-to-Cloud (E-C)-Latenz, der Cloud-Verarbeitungslatenz und der Durchsatzparameter bewertet. Die Use-Case-Szenarien werden auch für die Datenverarbeitung evaluiert und verglichen. Darüber hinaus werden drei Edge-Computing-Modelle anhand des Systemparameters prozentuale CPU-Auslastung bewertet und verglichen. Die Leistungsbewertung zeigte, dass die Containerisierung im Vergleich zu Bare-Metal- und Virtualisierungs-Setups weniger Schwankungen in der Latenz- und Durchsatzverteilung aufweist. Die Auswertung der Anwendungsszenarien zeigt, dass die Datenkomprimierungstechnik besser geeignet ist, um die Cloud-Kosten zu reduzieren, ohne dass Sensordaten verloren gehen, obwohl die Datenfilterung sogar weniger Nachrichtenübertragung erfordert, aber viele Sensordaten gehen bei der Datenverarbeitung verloren. Die Bewertung der E-C-Latenz und des Durchsatzes von zwei Azure-Ressourcengruppen ergab, dass die Ressourcengruppe West USA aufgrund der großen geografischen Entfernung zum Edge-Server eine höhere Latenz und einen geringeren Durchsatz als die Ressourcengruppe West Europa aufweist.



Terekhov, Stepan;
Nachbildung plasmaphysikalischer Vorgänge bei der Wechselwirkung von Lichtbogen mit dielektrischen Flüssigkeiten. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der vorliegenden Arbeit wird die Nachbildung plasmaphysikalischer Vorgänge bei der Wechselwirkung von Lichtbögen mit dielektrischen Flüssigkeiten gemacht. Der Lichtbogen wirkt auf die Flüssigkeit mit einer hohen Temperatur und diese Arbeit widmet sich der experimentellen und numerischen Untersuchung der Erwärmung und der Evaporation von der Flüssigkeit. Das Hauptziel dieser Arbeit ist ein numerisches Modell für die Simulation des Siedens bei atmosphärischen Bedingungen in ANSYS Fluent zu entwickeln und die numerische Ergebnisse mit den experimentellen zu vergleichen. Es wurde zwei Flüssigkeiten experimentell untersucht: destilliertes Wasser und Ester "Midel 7131". Als Heizer wurde ein Wolframstäbchen gewählt. Ein Hochstromimpuls schafft im Stab eine hohe Temperatur. Die zeitliche Temperaturverläufe wurden gemessen und die Hochgeschwindigkeitsvideos aufgenommen. Numerische Ergebnisse wurden nur für das Wasser ermittelt.



Pichugin, Pavel;
Untersuchung der Aufladung von Isolierstoffen durch Coronaentladungen bei hoher Mischspannung. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In der vorliegenden Arbeit wird die Aufladung von festen Isolierstoffen, die mit Mischspannung als Überlagerung einer Gleich- und einer Wechselspannung beansprucht werden, untersucht. Als Isolierstoffprobe wird Polyethylen eingesetzt, das infolge von in Luft auftretenden Koronaentladungen in einer Spitze-Isolierstoff-Platte-Anordnung aufgeladen wird. Ein Versuchsaufbau ermöglicht dabei die Messung des Potentials einer geschirmten Sonde oberhalb der aufgeladenen Isolierstoffprobe. Zur eindeutigen Beschreibung der Aufladung werden die gemessenen Potentiale in Oberflächenladungsdichten umgerechnet. Der Fokus liegt auf den Abhängigkeiten der Oberflächenladungsdichte von elektrischen Parametern der Mischspannung (Frequenz und Amplitude der AC-Spannung, DC-Spannung) und geometrischen Parametern der verwendeten Anordnung (Abstand zwischen der Spitze und der Isolieroberfläche, Dicke der Isolierstoffprobe). Zur Interpretation der Messergebnisse wurden Plasma-Simulationen zur Entstehung von Koronaentladungen und Bildung von Raumladungen in COMSOL Multiphysics durchgeführt.



Gherekhloo, Sepideh; Ardah, Khaled; Haardt, Martin
Fully digital and hybrid beamforming design for millimeter-wave MIMO-OFDM two-way relaying systems. - In: 2021 IEEE Statistical Signal Processing Workshop (SSP), (2021), S. 296-300

https://doi.org/10.1109/SSP49050.2021.9513786
Melo, Diana V. M.; Landau, Lukas T.N.; Ribeiro, Lucas Nogueira; Haardt, Martin
Time-instance zero-crossing precoding with quality-of-service constraints. - In: 2021 IEEE Statistical Signal Processing Workshop (SSP), (2021), S. 121-125

https://doi.org/10.1109/SSP49050.2021.9513848
Kodera, Sayako;
Data driven hybrid algorithms for preprocessing of manually acquired ultrasound NDT data. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Ultraschallprüfung (UP) ist eine Zerstörungsfreie Prüfmethode, die zur Lokalisation von Fehlern in Bauteilen genutzt wird. Obwohl in einigen Fällen automatisiert werden kann, ist händische Arbeit oft eine Notwendigkeit. Um die Zuverlässigkeit der Hand-aufgenommenen UP (HaUP) zu erhöhen, können Assistenzsysteme integriert werden. Ein solches System speichert die Messdaten und die Messposition und nutzt sie, um ein visuelles Feedback zu erzeugen, welches durch Post-processing Methoden verbessert werden kann. Konventionelle Methoden zur Nachbearbeitung, wie zum Beispiel die synthetic aperture focusing technique (SAFT), verbessern häufig die HaUP Daten nicht. Ein möglicher Grund ist, dass die nötige räumliche Abtastung durch das HaUP Verfahren nicht erreicht werden kann. Bei Anwendung des SAFT Algorithmus auf solche HaUP Daten kann es deshalb, bei der Rekonstruktion, zu räumlichen Aliasing kommen. Mit dem Ziel räumliches Aliasing zu verhindern, werden in dieser Arbeit, als Pre-processing Schritt, UP Daten von fehlenden Positionen prognostiziert und interpoliert. Wir schlagen eine an Daten orientierte hybride Vorgehensweise vor, um die räumlich-zeitlich diskreten Daten zu interpolieren. Dabei werden die Frequenzantworten mehrerer Zeitreihen mit einer minimalen mittleren quadratischen Fehlereinschätzung prognostiziert. Dafür wird, im Raum-Frequenz Bereich, das statistische Moment zweiter Ordnung eingeschätzt, welches durch ein deep neural network berechnet wird. Diese Methode kann die Varianz der Vorhersagen berechnen, welche genutzt werden können, um wichtige Messpositionen vorzuschlagen. Theoretisch ist die vorgestellte Methode robust genug, um nicht nur auf UP Daten, sondern auf eine Vielzahl von Datensätzen angewendet werden zu können. Um die Validität der vorgeschlagenen Methode zu überprüfen wurden Simulationen durchgeführt, bei denen die automatisierten UP Daten unregelmäßig abgetastet waren. Insgesamt berechnet die vorgestellte Interpolation eine bessere Vorhersage, als eine andere gängige Methode. Zusätzlich erzeugt der vorgestellte Pre-processing Algorithmus, bei geeigneten Datensätzen (0,61 Sample/ Wellenlänge2) eine verbesserte Rekonstruktions-Auflösung. Weiterhin hat sich gezeigt, dass das Messen, in einem Gebieten mit hoher Varianz, zu einer höheren Rekonstruktions-Auflösung führt, was auf die Nützlichkeit des Messpositionsvorschlags hinweist.



Sewalkar, Parag; Seitz, Jochen
MC-COCO4V2P: multi-channel clustering-based congestion control for Vehicle-to-Pedestrian communication. - In: IEEE Transactions on Intelligent Vehicles, ISSN 2379-8858, Bd. 6 (2021), 3, S. 523-532

Vehicle-to-Pedestrian communication can extend crash prevention capabilities of the current driver assistance systems in vehicles. This requires vehicles and pedestrians to exchange safety messages with each other. However, as the number of pedestrians increases, the numerous safety messages transmitted by pedestrians can quickly congest the network. This can severely affect Vehicle-to-Pedestrian and Vehicle-to-Vehicle communication. Hence, a mechanism for the mitigation of network congestion caused by pedestrian safety messages is required. This article proposes a Multi-channel Clustering-based Congestion Control (MC-COCO4V2P) algorithm, a proactive and infrastructure-independent clustering-based approach to mitigate the network congestion caused by pedestrians. Our approach clusters pedestrians based on their location and direction and uses separate channels for exchanging cluster and safety messages, thereby reducing the control information overhead. It also employs a transmit power control mechanism to make the clustering mechanism energy efficient. Our results show that the clustering of pedestrians can significantly improve network performance and reduce the power consumption of pedestrians devices.



https://doi.org/10.1109/TIV.2020.3046694
Seidl, Gabriel;
Making the Block-Term Decomposition more 'SECSI' : an extension of the SECSI-framework for efficient Block-Term-Decompositions. - Ilmenau. - 66 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

"Block-Term-Decompositions" (BTDs) sind eine Erweiterung der "Canonical Polyadic Decompositions" (CPDs). Bei einer CPD wird ein Tensor in eine Summe von Rang-1-Tensoren zerlegt, während bei einer (L_r, L_r, 1)-Zerlegung (kurz: BTD) eine Summe aus höherrangigen Tensoren ermittelt wird. Tensorzerlegungen finden ihre Anwendung häufig bei der Trennung von Signalen, die an einem Empfänger gleichzeitig empfangen und dabei überlagert werden. Eine derartige Signaltrennung kann beispielsweise im Mobilfunk, bei der Bildverarbeitung, im machine learning oder in medizintechnischen Anwendungen wie der Auswertung von EEGs oder ECGs zur Diagnose und Erforschung von Nervenerkrankungen genutzt werden. (L_r, L_r, 1)-Zerlegungen erlauben die Nutzung von allgemeingültigeren Modellen als CPDs, behalten aber nützliche Eigenschaften von CPDs wie Einzigartigkeit sodass sie für reale Anwendungen nützlich sind. Der state-of-the-art (L_r, L_r, 1)-Zerlegungsalgorithmus der Tensorlab 3.0 Toolbox wird kurz vorgestellt, ebenso wie das SECSI-framework, welches eine näherungsweise CPD für verrauschte Tensoren mithilfe von simultanen Matrixdiagonalisierungen (SMDs) in verschiedenen Modi berechnet und die erhaltenen Ergebnisse mithilfe von Heuristiken vergleicht und auswertet. Eine Erweiterung für SECSI, genannt SECSI BTE, wird vorgestellt, in welcher die Blockstruktur des Tensors ausgenutzt wird. Mithilfe des Gruppierungsalgorithmus "kmeans++" und einer darauffolgenden Verfeinerungsprozedur wird eine echte BTD-Zerlegung aus einer CPD-Näherung ermittelt. Zusätzlich wird eine Abwandlung des LaRGE-Algorithmus vorgestellt, die eine Schätzung der Anzahl der (L_r, L_r, 1)-Summanden ermöglicht, die zur Konstruktion des Tensors benötigt werden. Zusätzlich werden zwei Anwendungsbeispiele näher erläutert, und die Leistungsfähigkeit der SECSI-Erweiterung wird in mehreren Szenarien mit der des breit genutzten Tensorlab 3.0-BTD-Algorithmus verglichen. Es wird gezeigt, dass der vorgestellte neue Ansatz eine deutlich stabilere Performance zeigt, die jedoch mit einer Einbußung an Ausführungsgeschwindigkeit einhergeht.



Özcan, Gökhan;
Emulation of statistical channel models for virtual V2X drive tests. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Vehicle-to-Everything (V2X) ist eine neue Generation von Informations- und Kommunikationstechnologien, die Fahrzeuge mit allem verbinden. Es schafft nicht nur eine komfortablere und sicherere Verkehrsumgebung, sondern hat auch eine große Bedeutung für die Verbesserung der Verkehrseffizienz und die Verringerung der Umweltverschmutzung und der Unfallraten. Derzeit befindet sich die Technologie noch in der Erforschungsphase und die Probleme der Verkehrssicherheit und Effizienz sind noch nicht vollständig ausgewertet. Vor der Umsetzung, muss die Zuverlässigkeit der Technologie sichergestellt und daher ausgiebig getestet und verifiziert werden. Daher ist das Testen ein wichtiger Bestandteil der V2X-Technologie. Tests in der V2X-Kommunikation werden meistens durch Feldbetriebstests durchgeführt, um repräsentative Ergebnisse aus der Praxis zu erhalten. Die Durchführung von Feldbetriebstests erfordert jedoch dedizierte Ressourcen, Personal und Zeit. Darüber hinaus können Tests nur für praktisch verfügbare Umgebungen, Bedingungen und Szenarien durchgeführt werden. Virtual Drive Testing (VDT) ist eine anerkannte Testmethode für V2X. Das Ziel von VDT ist es, eine Annäherung an die realen Kommunikationsbedingungen in einer kontrollierten Laborumgebung zu schaffen. Der Vorteil von VDT ist, dass die Prüfung automatisiert, kontrollierbar und reproduzierbar durchgeführt werden kann, um so eine erhebliche Reduzierung der Prüfzeit und -kosten zu erzielen. Darüber hinaus ist die beste Möglichkeit für das Szenario basierte Testen durch eine virtuelle Fahrsimulationen gegeben, bei dem Tests in verschiedenen Szenarien, Bedingungen und Umgebungen durchgeführt werden können. Um realitätsnahe Testergebnisse durch VDT zu erhalten, spielt der Einsatz von realen repräsentativen Kanalmodellen eine entscheidende Rolle. Der Zweck dieser Forschung besteht darin, ein verbessertes Kanalmodellschema unter Verwendung eines virtuellen Fahrtestansatzes für verschiedene Fahrzeugkanaltypen nachzubilden und zu bewerten. Die Messungen im Rahmen dieser Forschung werden in der Testanlage VISTA (Virtuelle Straßen Simulations- und Testanlage) durchgeführt, die einen hochmodernen Messaufbau und eine hochmoderne Umgebung bietet. Kanalmodelle werden über einen Fading- Kanalemulator (Keysight Propsim F32) für städtische, ländliche und Autobahnszenarien nachgebildet. Die Datenübertragung während der Tests erfolgt kontaktlos über ITS-G5 Hardware On-Board-Units (Cohda Wireless MK5) sowohl auf der Empfängerals auch auf der Senderseite.



Sousa, Marcelo Nogueira de;
Multipath exploitation for emitter localization using ray-tracing fingerprints and machine learning. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (xix, 245 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Die präzise Lokalisierung von Hochfrequenz (HF)-Sendern im Außenbereich ist seit einigen Jahren ein wichtiges Forschungsthema in den verschiedensten Bereichen. Heutzutage basieren die Funktionsweisen vieler elektronischer Geräte auf den Positionsdaten eines HF-Senders unter Einsatz eines drahtlosen Sensornetzwerks (Wireless Sensor Network). Räumlich getrennte Sensoren können das Signal des Senders messen und seinen Standort mit Parametern wie Ankunftszeit (Time Of Arrival), Ankunftszeitdifferenz (Time Difference Of Arrival, TDoA), empfangene Signalstärke (Received Signal Strength) oder Ankunftsrichtung (Direction Of Arrival) abschätzen. Jedoch können bestimmte Hindernisse in der Umgebung Reflexion, Beugung oder Streuung des Signals verursachen. Dieser sogenannte Mehrwegeffekt beeinträchtigt die Messungen für die präzise Lokalisierung des Senders. Frühere Studien haben die Mehrweginformationen verworfen und sie nicht als wertvoll für die Lokalisierung des Senders angesehen. Einige Studien verwendeten Ray-Tracing (RT), um in einem simulierten Szenario Positions-Fingerprints, ohne Bezug zu realen Messungen, zu erstellen. Andere wiederum testeten dieses Konzept mit realen Messdaten, was sich jedoch aufgrund der praktischen Probleme im Außenbereich als umständlicheres Verfahren herausstellte. Diese Doktorarbeit befasst sich mit dem Problem der präzisen Lokalisierung von HF-Sendern in Außenbereichen, welche von Mehrwegeffekten betroffen ist, unter Verwendung der Kanalimpulsantwort (Channel Impulse Response). Die Arbeit zielt darauf ab, die Forschungslücke zu schließen, indem die Mehrweginformationen aus der Simulation mit realen Messungen in einem maschinellen Lernrahmen kombiniert werden. Die Fragestellung war, ob die Lokalisierung durch die Verknüpfung realer Messungen mit Simulationen verbessert werden kann. Wir schlagen eine Methode vor, die die Mehrweg-Fingerprint-Informationen aus der RT-Simulation mit Referenzsendern nutzt, sodass die Standortbestimmung verbessert werden kann. Um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode zu validieren, haben wir ein TDoA Lokalisierungssystem in einem Außenbereich-Szenario implementiert. Im Rahmen dieser Dissertation untersuchten wir vorstädtische und ländliche Gebiete unter Verwendung von wohldefinierten reflektierenden Komponenten zur Charakterisierung des Mehrwegmusters. Die Ergebnisse bestätigen die Möglichkeit, Mehrwegeffekte mit realen Messdaten zu nutzen, um die Lokalisierung im Außenbereich zu verbessern. Statt die Mehrweginformationen zu verwerfen, können wir sie konkret nutzen.



https://doi.org/10.22032/dbt.49241
Ankasandra Chandrashekar, Pavan;
Investigation of the publish/subscribe paradigm for the Industrial Internet of Things. - Ilmenau. - 111 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit untersucht das Publish-Subscribe-basierte Message Oriented Middleware (MoM)-Paradigma für das Industrial Internet of Things (IIoT), das auf Industrie4.0- Praktiken fokussiert und dafür relevant ist. Das Publish-Subscribe-Nachrichten-Paradigma für moderne Industrie 4.0-Praktiken, die in vielen IIoT-Anwendungsszenarien verwendet werden, wird implementiert und einer Leistungsbewertung unterzogen. Das IIoT-Anwendungsszenario für die industrielle Automatisierung wird unter Verwendung von OPC-UA Publish-Subscribe- und MQTT-Protokollen implementiert, indem beide mit dem Node-RED Flow-basierten Tool integriert werden, um die Vorteile beider Protokolle zunutze zu machen und die Kosten und Komplexität der Implementierung zu reduzieren. Die analytischen Ergebnisse des MQTT-Protokolls werden für verschiedene Netzwerkparameter wie Bandbreite, QoS, RTT, Durchsatz, variierende Nutzlast und Benchmark-Ergebnisse für gegebene Publish-Subscribe-Szenarien vorgestellt, wobei das Netzwerk mit Mininet simuliert wird. Darüber hinaus wird ein Broker-Overlay-System unter Berücksichtigung von Lastausgleichs- und Hochverfügbarkeitsmechanismen implementiert, um die Leistung des MQTT-Brokers zu testen, und die Ergebnisse werden ausgewertet. Das IIoT-Anwendungsszenario für die industrielle Automatisierung wird mit der Beckhoff PLC TwinCAT 3 Software erstellt, um die Informationsquelle von Sensorknoten zu generieren, die an den OPC-UA Server/Broker weitergeleitet wird. Auf diese Server/Broker-Daten wird über das OPC-UA Client-Tool, d.h. UA-Expert, zugegriffen. Das Node-RED-Flow-Tool wird verwendet, um sowohl OPC-UA als auch MQTT zu verbinden, um das Automatisierungspyramidenmodell zu realisieren, das mit einer grafischen Benutzeroberfläche für ein eigenständiges System emuliert und demonstriert wird.



Biswas, Pragya;
Multi-frequency channel modelling for Future Railways Mobile Communication System (FRMCS). - Ilmenau. - 91 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Future Railway Mobile Communication System (FRMCS) ist als Nachfolger der bald auslaufenden Technologie GSM-R geplant. Die Migration von GSM-R zu FRMCS wird einen gewissen Zeitraum für einen Parallelbetrieb verschiedener Funkstandards erfordern und somit die Kompatibilität des Systems mit 5G sowie zukünftigen Entwicklungen ermöglichen, die noch kommen werden. Um interoperable Funktechnologien zu haben und die verfügbaren ungenutzten Frequenzbänder für verschiedene Funktionalitäten zu nutzen, ist es zwingend notwendig, realistische Funkkanalbedingungen zu berücksichtigen und komplexere Experimente durchzuführen, um die aktuellen Kanalmodellierungsmethoden zu erforschen und zu erweitern. Vor dem Einsatz neuer Funkkanalmodelle ist ein ausreichendes Verständnis des Verhaltens der Funkkanalparameter in verschiedenen Szenarien und unterschiedlichen Ausbreitungsumgebungen unerlässlich. Das Hauptaugenmerk dieser Forschungsarbeit liegt auf der Erweiterung der Modellierungstechniken von einer Frequenz auf mehrere Frequenzen. In dieser Arbeit überprüfen wir die bestehenden Kanalmodellierungsmechanismen, die bei einzelnen und mehreren Frequenzen funktionieren. Wir versuchen, ein grundlegendes Verständnis des Modellierungsansatzes und der damit verbundenen Large-Scale Parameters (LSPs) aufzubauen. Wir führen umfangreiche Studien zu den aktuell verfügbaren mehrfrequenzbasierten Kanalmodellelen durch. Es werden schrittweise Methodenvergleiche durchgeführt, um die Notwendigkeit und den Effekt der einzelnen Schritte zu analysieren. Wir überprüfen die verfügbaren, auf Messungen basierenden veröffentlichten Arbeiten und analysieren kritisch die experimentellen Ergebnisse und untersuchen das Verhalten der kleinräumigen Parameter und LSPs, wenn sie bei mehreren Frequenzen funktionieren. Inspiriert von diesen Forschungsarbeiten versuchen wir, einen modifizierten und weiterentwickelten Ansatz zur Mehrfrequenz-basierten Kanalmodellierung zu implementieren. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Einführung von Änderungen und Anpassungen einer der überprüften Mehrfrequenz-Modellierungen und der Untersuchung der LSPs, insbesondere der Delay Spread und der Winkel Spread. Das Verhalten der kleinräumigen Parameter und LSPs wird mit der verfügbaren veröffentlichten Literatur abgeglichen und verglichen. Die so gewonnenen Ergebnisse können weiter ausgebaut werden, um verschiedene LSPs in unterschiedlichen dynamischen Ausbreitungsumgebungen zu untersuchen.



Izadi, Adel; Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Modeling and evaluation of the impact of motorcycles mobility on vehicular traffic. - In: Journal of Transportation Technologies, ISSN 2160-0481, Bd. 11 (2021), 3, S. 426-435

Traffic simulation can help to evaluate the impact of different mobility behaviors on the traffic flow from safety, efficiency, and environmental views. The objective of this paper is to extend the SUMO (Simulation of Urban Mobility) road traffic simulator to model and evaluate the impact of motorcycles mobility on vehicular traffic. First, we go through diverse mobility aspects and models for motorcycles in SUMO. Later, we opt for the most suitable mobility models of motorcycles. Finally, the impact of motorcycle mobility on different kinds of vehicles is investigated in terms of environment, fuel consumption, velocity and travel time. The result of modeling and evaluation shows that based on the mobility model of the motorcycle, vehicular traffic flow can be enhanced or deteriorated.



https://doi.org/10.4236/jtts.2021.113028
Balabozov, Iosko; Yatchev, Ivan; Karastoyanov, Dimitar; Stoimenov, Nikolay; Brauer, Hartmut
Open source electronic system for controlling of hybrid electromagnetic systems with magnetic flux modulation. - In: 2021 17th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), (2021), insges. 4 S.

The use of open-source software and hardware systems in engineering applications is constantly growing. In this paper, an open-source system for controlling hybrid electromagnetic system with magnetic modulation is developed and tested. Some results when powering the tested device with pulses of different frequency are shown.



https://doi.org/10.1109/ELMA52514.2021.9503075
Warda, Ahmad;
Sensor configuration for source localization by means of linear inverse methods. - Ilmenau, 2021. - xxiv, 96 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Sensornetzwerk-Systementwurf muss den Informationsgehalt der Messungen maximieren und gleichzeitig das Experiment mit einem minimalen Messaufwand durchführen zu ermöglichen. Deshalb ist die optimale Sensorkonfiguration für den Entwurf eines Sensorsystems unverzichtbar. Dies führt zu einer Reduzierung der Kosten, der Komplexität mit einer Gewährleistung der hohen Leistung des Sensorsystems. Eine allgemeine Methode dafür ist noch nicht bekannt. In dieser Dissertation ist eine neue Methode entwickelt worden, um eine hinreichende informative Anzahl der Sensoren zu bestimmen. Diese Methode basiert auf dem Informationsgehalt in der Systemmatrix eines linearen inversen Problems. Die linearen inversen Probleme tauchen in verschiedenen Anwendungen der Wissenschaft und Technik auf. Die entwickelte Methode lässt sich bei einer Vielzahl linearer inverser Probleme anwenden. Die entwickelte Methode wurde an zwei unterschiedlichen Anwendungen erprobt. Die erste Anwendung ist die drahtlose Innenraum-Lokalisierung. Sie wurde als Beispiel für ein unterbestimmtes lineares inverses Problem betrachtet. Die notwendige Anzahl der Sensoren ist auf der Basis des Informationsgehaltes in der Systemmatrix zu bestimmen. Diese Anzahl der Sensoren gewährleistet die korrekte und präzise Lösung des inversen Problems. Die zweite Anwendung ist die Rekonstruktion von magnetischer Nanopartikelverteilung mittels Magnetorelaxometrie, die als Beispiel für ein überbestimmtes lineares inverses Problem betrachtet wurde. Eine hinreichende Anzahl der Anregungsspulen wurde auch auf der Basis des Informationsgehaltes in der Systemmatrix bestimmt. Die entwickelte Methode bietet auch eine interessante Möglichkeit, um die Regularisierungsparameter der abgeschnittenen Singulärwertzerlegung zu ermitteln. Für die Aufgabe der drahtlosen Innenraum-Lokalisierung wurden zwei Methoden für die Lokalisierung einer Quelle eingeführt. Die Scanmethode verwendet drei Sensoren wie die Trilateration, um die Quelle in 2D zu lokalisieren. Diese Methode überwindet die Nachteile der Fingerprint-Methode abgebildet durch den Aufbau und Aktualisierung der Datenbanken. Die zweite Methode, benannt als die analytische Lösung, kann die Quelle mit nur zwei Sensoren lokalisieren. Diese Methode löst das Undeutigkeitsproblem der Lokalisierung bei der Verwendung von zwei Sensoren, indem sie die Sensoranordnung berücksichtigt.



Cheng, Yao; Riesmeyer, Michael; Haueisen, Jens; Haardt, Martin
Using the multi-linear rank-(Lr, Lr, 1) decomposition for the detection of the 200 Hz band activity in somatosensory evoked magnetic fields and somatosensory evoked electrical potentials. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 9 (2021), S. 106232-106244
Im Titel ist "r" tiefgestellt

https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3100759
Müller, Fabian;
Calibration concept for a multinode MIMO channel sounding system. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Gegenstand der Arbeit ist ein Kalibrierkonzept für ein Multiple Input Multiple Output (MIMO) Messsystem zur Erfassung der Ausbreitungsbedingungen elektromagnetischer Wellen in mobilen Szenarien (Channel Sounder), welches z.B. für Kanalmessungen in Mobilfunkbändern eingesetzt wird. Messgröße ist die zeitvariante Kanalimpulsantwort bzw. der zeitvariante Kanalfrequenzgang. Dafür muss der Frequenzgang des Messsystems zuvor erfasst werden (Kalibrierung). Besondere Herausforderung bei dieser Arbeit ist, ein Kalibrierkonzept für einen Channel Sounder zu erarbeiten, der aus mehreren räumlich verteilten Stationen (Transceiver + Antennenarrays) besteht und das System über einen großen Dynamikbereich (die Empfänger sind mit einer automatic gain control, AGC, ausgestattet) zu vermessen. Beiträge zur Umsetzung eines solchen Konzepts finden sich in Form einer Kalibrier-Box, über welche bis zu vier Stationen verbunden werden können (back-to-back), aufwandsreduzierter Erfassung über den gesamten Dynamikbereich, Überlegungen zur Überwachung und Nachführung der Kalibrierung während der Messung sowie einer eigenständig im Antennenmessraum durchgeführten Antennenarraykalibrierung.



Muhammad, Mamdouh;
DDoS attacks detection and mitigation in SDN using deep learning approaches. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

SDN ist ein vielversprechender Ansatz zur Entwicklung traditioneller Netzwerke durch die Trennung der Steuerungsebene von der Datenebene. Aufgrund seiner neuen, einzigartigen Konzepte und Funktionen, bei denen ein zentraler Punkt, d.h. der SDN-Controller, für die Erstellung, Verwaltung und Fehlerbehebung der Netzwerke zuständig ist, erfordert SDN mehr Analysen, um seine Durchführbarkeit aus Sicherheitsgesichtspunkten zu gewährleisten. Das Konzept einer zentralisierten Ansicht ist ein Segen, der sich in einen Fluch verwandeln kann. Die Verfügbarkeit des SDN-Controllers durch das Starten von DDoS-Angriffen ins Visier zu nehmen, ist eine der wichtigsten und kritischsten Herausforderungen, die in SDN existieren. DDoS-Angriffe sind bekannte Cyber-Attacken, die sich auf die Erschöpfung von Ressourcen konzentrieren und die Nichtverfügbarkeit von Netzwerkdiensten verursachen. Das Ziel dieser Studie ist es, die DDoS-Angriffe auf das SDN-Netzwerk zu simulieren und die Effektivität der Verwendung von Deep-Learning-Modellen zur Erkennung und Entschärfung solcher Angriffe in einer SDN-Umgebung mit mehreren Controllern zu testen. Um die DDoS-Angriffe genau zu behandeln und zu analysieren und die tatsächlichen physischen Netzwerkumgebungen zu emulieren, wird der CICDDoS2019-Datensatz gewählt. Die experimentellen Ergebnisse erklärten, dass der DDoS-Angriff erkannt und abgeschwächt werden konnte, um die Nichtverfügbarkeit des SDN-Controllers zu verhindern. Darüber hinaus übertrifft die vorgeschlagene Methode die traditionellen Methoden des maschinellen Lernens.



Sivaramakrishnan, Venkateswaran;
Discrete dual-band RF frontend module for GNSS receiver. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In den letzten Jahrzehnten erlebt die Welt eine rasante Entwicklung der globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS). Einige von ihnen, wie das Global Positioning System (GPS), das Global Navigation Satellite System (GLONASS), das BeiDou Navigation Satellite System (BDS), sind derzeit voll funktionsfähig. Andere befinden sich derzeit noch in der Entwicklung oder in einer teilweisen Betriebsphase. Das europäische Globale Navigationssatellitensystem (Galileo) hat seinen Betrieb aufgenommen und wird eine breite Palette von Diensten anbieten. GNSS ist ein wesentlicher Bestandteil vieler kommerzieller und sicherheitskritischer Anwendungen, z.B. beim autonomen Fahren, wo die genaue Position bekannt sein muss. Ein entscheidender Aspekt dieser Anwendungen ist die Robustheit der Systeme gegen Jamming- und Spoofing-Angriffe. Vor diesem Hintergrund ist es von entscheidender Bedeutung, GNSS-Empfänger zu entwickeln, die unempfindlich gegenüber solchen Angriffen sind. Dies gilt sowohl für das Design des analogen HF-Frontends als auch für die Implementierung digitaler Algorithmen, die Störsignale erkennen und von der Positionsbestimmung ausschließen können. Die hier vorgestellte Arbeit konzentriert sich auf die Definition, das Design und die Messung einer GNSS-Empfängerkette, die aus kritischen Komponenten wie einem Hochfrequenz-Low-Noise-Verstärker (RF-LNA), einem SAW-Filter (Surface Acoustic Wave), einem Mischer, einem ZF-Verstärker und einem externen ZF-Filter besteht und auf diskreten, handelsüblichen Komponenten (COTS) basiert. Da der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis (ASIC) so ausgelegt ist, dass er auf zwei GNSS-Frequenzbändern gleichzeitig arbeitet, d.h. auf dem GPS/Galileo L1/E1- und dem L5/E5a-Band, besteht der Empfänger aus zwei Einzelfrequenzketten. Daher konzentriert sich diese Arbeit in erster Linie auf die lineare Budgetsimulation von HF-Parametern wie Verstärkung und Rauschzahl und die Messung wichtiger HF-Parameter wie Verstärkung, Empfängerbandbreite, Rauschzahl, Unterdrückung von Out-of-Band-Signalen und 1-Dezibel(dB)-Kompressionspunkt unter Verwendung von Datenblatt-Werten aller konstituierenden Elemente der Empfängerkette, so dass sich mit dem ASIC vergleichbare Spezifikationen ergeben. Die Software Advanced Design System (ADS) wurde zur Simulation und zum Entwurf des Leiterplattenlayouts verwendet. Die Leiterplatte wurde mit einem flammhemmenden FR-4-Epoxid-Substrat hergestellt. Der Formfaktor der Platine beträgt 107 x 52 x 15 Kubikmillimeter (mm3), der Formfaktor der externen ZF-Filterplatine 62 x 32 x 10 mm3. Für das GPS/Galileo L1/E1-Band, einschließlich des externen ZF-Filters, wurden die Verstärkung und die Rauschzahl mit 77,5 Dezibel (dB) und 1,2 dB gemessen. Die maximalen 1-dB-Kompressionspunkte am Ausgang und der minimale Wert der Verstärkung wurden mit 12,5 - Dezibel Milliwatt (dBm) bzw. -10,7 dBm gemessen. Die Bandbreite des Empfängers wurde mit etwa 11,2 MHz (Megahertz) gemessen. Für Out-of-Band-Signale bei 1590 MHz und 1560 MHz können Signale bis zu -57 dBm unterdrückt werden. Ebenso wurden für das GPS/Galileo L5/E5a-Band einschließlich des externen ZF-Filters eine Verstärkung und ein Rauschmaß von 78 dB bzw. 1,1 dB gemessen. Die 1-dB-Kompressionspunkte am Ausgang beim maximalen und minimalen Wert der Verstärkung wurden mit 13,8 dBm bzw. -9,2 dBm gemessen. Die Bandbreite des Empfängers wurde mit 19 MHz gemessen. Für ein Out-of-Band-Signal bei 1161 MHz und 1191 MHz können Signale bis zu -60 dBm unterdrückt werden.



Gholamhosseinian, Ashkan; Seitz, Jochen
Vehicle classification in intelligent transport systems: an overview, methods and software perspective. - In: IEEE open journal of intelligent transportation systems, ISSN 2687-7813, Bd. 2 (2021), S. 173-194

https://doi.org/10.1109/OJITS.2021.3096756
Vilas Boas, Brenda; Zirwas, Wolfgang; Haardt, Martin
Two-step machine learning approach for channel estimation with mixed resolution RF chains. - In: 2021 IEEE International Conference on Communications workshops (ICC workshops), (2021), insges. 6 S.

Massive MIMO is one of the main features of 5G mobile radio systems. However, it often leads to high cost, size and power consumption. To overcome these issues, the use of constrained radio frequency (RF) frontends has been proposed, as well as novel precoders, e.g., a multi-antenna, greedy, iterative and quantized precoding algorithm (MAGIQ). Nevertheless, the best performance of MAGIQ assumes accurate channel knowledge per antenna element, for example, from uplink sounding reference signals. In this context, we propose an efficient uplink channel estimator by applying machine learning (ML) algorithms. In a first step a conditional generative adversarial network (cGAN) predicts the radio channels from a limited set of full resolution RF chains to the rest of the low resolution RF chain antenna elements. A long-short term memory (LSTM) neural network extracts further phase information from the low resolution RF chain antenna elements. Our results indicate that our proposed ML approach is competitive with traditional Unitary Tensor-ESPRIT in scenarios with various closely spaced multipath components (MPCs).



https://doi.org/10.1109/ICCWorkshops50388.2021.9473491
Cui, Xucheng;
Evaluation of publish/subscribe over LoRaWAN. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Masterarbeit zielt darauf ab, das Publish/Subscribe-Messaging über LoRa/LoRaWAN anzuwenden und zu bewerten. Die theoretischen Grundlagen von LoRa/LoRaWAN und MQTT werden beschrieben. Um MQTT über LoRaWAN zu evaluieren, wird ein mögliches Modell simuliert und die Leistungsfähigkeit auf Basis der Parameter Spreizungsfaktor, Anzahl der Endgeräte, Länge der Nutzdaten, QoS-Level und Anzahl der Publish/Subscribe-Clients evaluiert. Darüber hinaus werden Experimente von MQTT über LoRaWAN mit kommerzieller Hardware (The Things Gateway, RAK7258) mit den gleichen Parametern durchgeführt und gemessen. Das Things Gateway verwendet einen öffentlichen Server (TTN), um Nachrichten an den Benutzer zu veröffentlichen. RAK7258 integriert einen privaten Server, so dass der Benutzer die Parameter (z.B. die QoS-Stufe) konfigurieren kann. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass die Länge der Nutzdaten, der QoS-Level und die Anzahl der Publish/Subscribe-Clients die Schlüsselfaktoren hinsichtlich der MQTT-Latenz sind und dass der Spreizungsfaktor die Umlaufzeit (Round Trip Time, RTT) signifikant beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die RTT- und MQTT-Latenz bei RAK7258 niedriger ist als die bei The Things Gateway. Der Einsatz eines Gateways mit einem integrierten privaten Server und Broker (d.h. RAK7258) schneidet somit im quantitativen Vergleich besser ab als der Einsatz eines Gateways mit einem öffentlichen Server (d.h. The Things Gateway).



Alexander, Naveen;
Investigation of real-time ethernet over Time Sensitive Network (TSN) for industrial communication network. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit wurde mit Hilfe der Firma Indu-Sol GmbH in Schmölln mit modernster Ausstattung durchgeführt. Sie befasst sich mit der Untersuchung der industriellen Ethernet-Kommunikation und dem damit verbundenen Ethernet-Switching für die Echtzeit-Datenübertragung. Sie konzentriert sich vor allem auf die Switch-Schaltlatenz von Echtzeitframes und die Analyse von negativen Auswirkungen von Best-Effort-Frames auf die Schaltlatenz von Profinet-IO Frames. Dabei wurden die Switche Promesh P10 und Promesh P20 der Firma Indu-Sol, sowie der Marvell Link Street hinsichtlich ihrer Switching-Latenz näher untersucht. Die Promesh P10 und P20 Switche wurden verwendet, um die PNIO-Daten zu modellieren und die Switching-Effekte von Best-Effort-Frames auf PNIO-Frames näher zu beleuchten. Außerdem kamen die Time Sensitive Network-Protokolle 802.1 Qav (Egress Policy) und 802.1 Qbv (Time Aware Shaping) im Marvel Link Street zum Einsatz, um zu untersuchen, inwieweit sich durch ihren Einsatz die Auswirkungen von Best-Effort-Frames auf Echtzeit-Frames überwinden lassen um somit niedrigere und zuverlässige Latenzzeiten im industriellen Ethernet zu erreichen. Der Marvell-Switch wurde so programmiert, dass er zwischen Echtzeit- und Best-Effort-Frames unterscheidet, den Ausfall von Echtzeit-Frames vermeidet und gleichzeitig eine zuverlässige Latenzzeit bietet.



Xu, Jiakang;
Evaluierung und Implementierung eines TSN Stacks auf einer FPGA Plattform. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Echtzeitleistung und Determinismus sind entscheidend für den erfolgreichen Einsatz von paketvermittelten Netzwerken in der industriellen Steuerung. Mit dem Aufkommen des Industrial Internet of Things (IIoT) und der damit verbundenen Datenflut werden Fragen der Verkehrspriorisierung und der Bandbreite immer wichtiger. Kommunikationsnetzwerke für Steuerungsanwendungen haben immer ein gewisses Maß an Echtzeitanforderungen. Daher wird das Time-Sensitive Networking (TSN) eingeführt. TSN basiert auf Standard-Ethernet mit dem Zusatz von Zeitsynchronisation, Bandbreitenreservierung, zeitbewusstem Scheduling und nahtloser Redundanz, um eine Echtzeit- und zuverlässige Netzwerkdatenübertragung zu erreichen. Ein FPGA dient als flexibles Hardwaremodul, das verschiedene Schnittstellen und Algorithmen individuell implementieren kann. Daher kann die Verwendung eines FPGA zur Implementierung von TSN leichter auf aktuelle industrielle Netzwerke angewendet werden. Xilinx Vivado stellt einen TSN IP-Core zur Verfügung. In der vorliegenden Arbeit wurde ein FPGA-Design erstellt und in diesem ein TSN IP-Core integiert. Anschließend wurde ein Embedded Linux Image generiert, welches die Verwendung der vom FPGA bereit gestellten TSN-Funktionalität erlaubt. Zum Beispiel Synchronisationsleistung und Traffic-Shaping-Funktionen. Ein FPGA mit integrierter TSN-Funktionalität wurde dann getestet und mit der in Linux Traffic Control implementierten TAS-Funktionalität verglichen. Die Synchronisationsleistung, der Durchsatz und die Scheduling-Funktionen von PC und FPGA wurden mit verschiedenen Verbindungsmethoden getestet. Die Testergebnisse zeigen, dass einige der im TSN enthaltenen Protokolle durch die Verwendung des Xilinx TSN IP-Core implementiert werden können. Die im FPGA implementierten Zeitsynchronisations- und Scheduling-Funktionen können Übertragungsverzögerungen und Jitter des geplanten Datenverkehrs effektiv reduzieren. Aufgrund der Begrenzung der CPU-Leistung im SoC in diesem Experiment kann die Durchsatzmessung kein Gigabit erreichen, aber der niedrige Stromverbrauch und die Flexibilität des FPGA sind durch den PC nicht zu ersetzen.



Khamidullina, Liana; Podkurkov, Ivan; Haardt, Martin
Conditional and unconditional Cramér-Rao bounds for near-field localization in bistatic MIMO radar systems. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 69 (2021), S. 3220-3234

The location estimation problem has been attracting a lot of research interest in recent years due to its significance for different areas of signal processing. This paper deals with a bistatic MIMO radar system where the targets are located in the near-field region. In this work, we derive the Cramér-Rao bound (CRB) for bistatic MIMO radar systems using the exact spherical wavefront model to evaluate the performance of target parameter estimation algorithms. The conditional and unconditional CRBs are derived for a system with one and multiple targets. For the one target system, we provide an analytical inversion of the Fisher Information Matrix (FIM) and obtain closed-form analytical non-matrix expressions of the CRB corresponding to the Cartesian and spherical coordinates of the targets. We compare the derived conditional and unconditional CRB with the performance of state-of-the-art localization algorithms and analyse the dependence of the CRB on various system parameters.



https://doi.org/10.1109/TSP.2021.3082469
Stanko, Daniel; Sommerkorn, Gerd; Ihlow, Alexander; Del Galdo, Giovanni
Enable software-defined radios for real-time MIMO channel sounding. - In: To measure is to know, (2021), insges. 5 S.

This paper describes a field-programmable gate array (FPGA)-based implementation of a switched multiple input multiple output (MIMO) channel sounder realization by use of software-defined radio (SDR) hardware (NI USRP-2954, X310 series with UBX 160 daughterboard). Essential basic functionalities are the synchronous switching of the antenna elements at both link ends and an integrated automatic gain control (AGC) at the receiver. To meet the high timing requirements in the switched MIMO setup, an FPGA-based AGC is introduced. The detector of the AGC is based on a sample-by-sample calculation of the average and maximum of the I/Q samples within a sliding window. The used SDR hardware allows a minimum AGC update interval of approx. 14 [my]s and a timing accuracy of the antenna switching of 5 ns. Our setup demonstrates the applicability of state-of-the-art SDRs as a sounding system for continuous acquisition of the time-variant, directional mobile radio channel.



https://doi.org/10.1109/I2MTC50364.2021.9460077
Brandel, Oliver;
Methode zur Ansteuerung einer Multiplexausleseschaltung für kryogene Sensorarrays mittels supraleitender Digitalelektronik. - Ilmenau : Verlag ISLE, 2021. - xviii, 130, III Seiten. - (Forschungsberichte aus dem Institut für Informationstechnik ; Band 16)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

ISBN 978-3-948595-04-3

Für spektroskopische und bildgebende Anwendungen im Sub-Millimeter-Wellenlängenbereich sind supraleitende Strahlungssensoren aufgrund ihrer außergewöhnlichen Empfindlichkeit von besonderem Interesse. Dabei steigt die Anzahl der in einem Array integrierten Sensoren stetig. Dies erfordert Multiplexverfahren, um die Anzahl der Leitungen, die in die Kryostufe führen, zu reduzieren und damit den Wärmeeintrag zu verringern. Eine Implementierung des Codemultiplexverfahrens verwendet Stromsteuerungsschalter (CSS) als Polaritätsschalter, die auf supraleitenden Quanteninterferometern (SQUIDs) basieren. Die vorliegende Arbeit stellt ein Konzept vor, das eine supraleitende Digitalelektronik (RSFQ) zur Steuerung dieser Schalter verwendet. Die SQUIDs des CSS werden dafür jeweils induktiv mit der Speicherschleife eines RSFQ-Delay-Flip-Flops (DFF) gekoppelt. Eine Zustandsänderung in den DFFs erfolgt durch Speicherung eines magnetischen Flussquants, die wiederum eine Änderung des magnetischen Flusses in den gekoppelten SQUIDs bewirkt. Damit lässt sich der Signalweg durch den CSS beeinflussen und die Polarität des Schalters steuern. Über eine Kaskadierung mehrerer dieser RSFQ-gekoppelten Schalter in Reihe lassen sich CSS-basierte Multiplexerschaltungen aufbauen. Der Zustand des Multiplexers kann dadurch mittels digitaler RSFQ-Signale gesteuert werden. Die notwendigen Schritte zur Umsetzung des Konzepts sind ausführlich in der Arbeit beschrieben. Die Ausgangskomponenten sowie die neu entwickelten Schaltelemente wurden mit Hilfe von Simulationsrechnungen analysiert beziehungsweise entworfen und anschließend experimentell validiert. Dazu wird auch deren Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Die Schritte für eine Implementierung der neuen Bauelemente zu Multiplexerschaltungen werden vorgestellt. Darüber hinaus wurden Maßnahmen aufgezeigt und diskutiert, welche für einen Einsatz des Systems im sensornahen Betrieb erforderlich sind. Erste Umsetzungen wurden im Rahmen der Arbeit bereits realisiert.



Wittmann, Julian;
Self-coherent detection for short-range single mode fiber optical transmission systems. - Ilmenau. - 43 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Optische Datenübertragung auf der Basis von Glasfasern ermöglicht hohe Datenraten über weite Distanzen. Für Langstrecken-Core-Netzwerke, bei denen Hardwarekosten für Sender und Empfänger in Relation zu den Gesamtkosten des Systems gering sind, ist kohärente Übertragung die bevorzugte Lösung, da sie die höchste spektrale Effizienz aufweist und elektrische Kompensation von chromatischer Dispersion ermöglicht. Für Verbindungen zwischen Datenzentren, mit einer typischen Übertragungsdistanz von 80-100 km, ist die günstige Intensitätsmodulation in Verbindung mit Direktempfang (IM-DD) vorherrschend. Mit steigendem Bedarf von Bitraten von bis zu 100 Gbps pro Wellenlänge, kommt dieser Ansatz jedoch an seine Grenzen, insbesondere wenn man die Anfälligkeit von IM-DD für chromatische Dispersion berücksichtigt. In dieser Arbeit untersuchen wir die Eignung der selbstkohärenten Übertragung als Alternative zu IM-DD für Systeme mit Übertragungsdistanzen von bis zu 100 km. Gegenüber IM-DD ist es dabei, wie bei kohärentem Empfang, möglich CD komplett elektrisch zu entzerren. Als Empfänger kann dabei weiterhin ein Direktempfänger verwendet werden da der für kohärente Detektion benötigte Pilotträger am Sender erzeugt wird.



Ahmad, Bilal;
Coupled CP tensor decomposition : model order estimation and efficient algorithms. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In vielen Bereichen der Signalverarbeitung, wie z.B. biomedizinische Signalverarbeitung, drahtlose Kommunikation, maschinelles Lernen, Bild- und Videoverarbeitung, sind die erfassten Signale von Natur aus mehrdimensional. Einer der nützlichsten und praktischsten Aspekte der Tensor-basierten Verarbeitung der Daten ist, dass sie die angeborene Darstellung und das mehrdimensionale Format der Daten beibehalten kann. Die Zehnfach-Zerlegung, die ein sehr praktisches Werkzeug ist, um einen Tensor in seine Bestandteile zu zerlegen, wurde in erschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt. Daher ist es notwendig, vor der Anwendung der Tensor-Zerlegung die tatsächliche Anzahl der Bestandteile zu ermitteln, d.h. die Modellordnung zu schätzen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger und robuster Algorithmus zur Berechnung der Modellordnung bzw. des Rangs vorgestellt, der davon ausgeht, dass die ignaleigenwerte und die Rauscheigenwerte aus einer verrauschten Messung unterschiedliche Profile aufweisen. Wir stellen auch eine Erweiterung für die gemeinsame Rangschätzung für ehrere Tensoren vor, die für die gekoppelte Zerlegung verwendet werden kann. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Fälle diskutiert, um dem gemeinsamen Effekt auf die angschätzung von mehreren Tensoren Rechnung zu tragen. CPD (Canonical Polyadic Decomposition) ist die häufigste Art der Zerlegung unter anderen. Die zuvor erwähnte Rangschätzungsmethode ist ein sehr wichtiger Schritt vor der Anwendung der CPD, da eine falsche Schätzung die Genauigkeit der Ergebnisse stark beeinflussen kann. Das SECSI-Verfahren (Semi-Algebraic framework for approximate CP decomposition via Simultaneaous matrix diagonalization) ist ein sehr effizientes Verfahren zur Berechnung der CPD mit niedrigem Rang. In dieser Arbeit stellen wir eine Erweiterung des SECSI-Frameworks vor, die gekoppelte CPD von zwei Tensoren sowie für drei Tensoren berechnet, bei denen zwei Faktormatrizen in den Tensoren gemeinsam sind. Außerdem wenden wir den erweiterten Algorithmus zur Schätzung der Modellordnung auf reale biomedizinische Daten an, die aus einem Experiment stammen, bei dem EEG-(Elektroenzephalographie) und MEG-Signale (Magnetoenzephalographie) für die Gehirnaktivität von 19 Probanden gleichzeitig aufgezeichnet wurden. Wir nutzen die opplungscharakteristik dieser EEG- und MEG-Daten aus, nachdem wir sie in ein mehrdimensionales Format (Frequenz x Zeit x Kanal) konvertiert haben. Zunächst wird der gemeinsame Rang für vier von jedem Probanden erhaltene Intensoren geschätzt und dann gemeinsam zerlegt, um die latenten Informationen in Frequenz-, Zeit- und Kanalsignaturen zu finden.



Amin, Muhammad Bilal;
Design and deployment options for sub-6 GHz FDD massive MIMO systems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (xviii, 146 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Um den schnell wachsenden Kapazitätsbedarf drahtloser Geräte zu befriedigen, zielen die kommenden Mobilfunksysteme der fünften Generation (5G) auf unterschiedliche und teilweise extrem anspruchsvolle Konzepte, Techniken und Szenarien in Bezug auf die Anzahl der versorgten Nutzer, Datenraten und Latenzzeiten ab. Von massive MIMO werden erhebliche Leistungsvorteile erwartet, insbesondere in Kombination mit einer engen Zusammenarbeit zwischen den Zellen, einschließlich Joint Transmission Coordinated MultiPoint (JT-CoMP), Interferenzunterdrückung auf der Seite des Endgeräts (UE) und einem extrem dichten Einsatz von kleinen Zellen. Die Millimeterwellenbänder für 5G werden 2019 zugewiesen, daher müssen vorerst alle Leistungsziele von 5G von den Funkfrequenzbändern unter 6 GHz unterstützt werden. Das bedeutet, dass für gepaartes und ungepaartes Spektrum sowohl Frequency Division Duplex (FDD) als auch Time Division Duplex (TDD) unterstützt werden müssen. Massive MIMO, typischerweise als starke Überprovisionierung von Antennen gegenüber den bedienten Nutzern konzipiert, verspricht, verschiedene herausfordernde Probleme wie Interzell-Interferenzen, Multi-User-MIMO (MU-MIMO) Scheduling, Abdeckungslücken und Kapazitätsgrenzen zu lösen. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass es nur für TDD-Systeme funktioniert, da eine massive MIMO-Downlink-Übertragung für FDD-Systeme aufgrund von zwei Anforderungen eine besondere Herausforderung darstellt. Erstens muss die Kanalzustandsinformation (CSI) von einer großen Anzahl von Antennen erhalten werden, ohne dass ein unangemessener Overhead durch die Übertragung orthogonaler Downlink-Referenzsignale von diesen Antennen entsteht. Zweitens müssen die relevanten Kanalschätzungen auf der Netzwerkseite ohne einen unrealistischen Overhead für die Uplink-Steuersignalisierung zur Verfügung gestellt werden. Ein explodierender Overhead für orthogonale Referenzsignale oder eine begrenzte CSI-Genauigkeit führt zu einer Pilotverschmutzung, die in der Literatur als leistungsbegrenzend beschrieben wurde und insbesondere für empfindliche Interferenzunterdrückungssysteme nachteilig ist. Um die Anzahl der Transceiver in einem FDD-Massive-MIMO-System zu reduzieren, haben wir daher ein Framework entwickelt, das auf dem Grid of Beams (GoB)-Konzept basiert. Es wandelt die große Anzahl von Antennen in effektive Antennenports um, die dann sogar die vorhandenen Empfangssignale von Long Term Evolution - Advanced (LTE-A) nutzen können. Um Ungenauigkeiten in der CSI, die zur Basisstation zurückgeführt wird, effektiv zu bekämpfen, benötigen wir außerdem Algorithmen zur Kanalvorhersage, die eine zuverlässige Vorhersage über einen möglichst großen Zeithorizont liefern. Zu diesem Zweck haben wir einen verbesserten hybriden Algorithmus entwickelt, der auf zwei modernen Kanalvorhersagealgorithmen basiert. Er liefert eine zuverlässige Vorhersage auch für Kanalkomponenten, die mit niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen empfangen werden. Darüber hinaus konzentrieren sich die wesentlichen Massive-MIMO-Schemata auf die Basisstationsseite mit dem Ziel, eine hohe spektrale Effizienz durch MU-MIMO oder eine große Abdeckung durch starke Beamforming-Gewinne zu erreichen. Die UE-seitige Betrachtung ist typischerweise auf vier oder meist acht Antennenelemente pro UE beschränkt, was durch die entsprechende UE-Komplexität und den begrenzten Platz zur Platzierung weiterer Antennenelemente für den Fall unter 6 GHz gerechtfertigt werden kann. UE-seitiges Beamforming würde jedoch viele Vorteile bieten, die von einer verbesserten Kanalschätzung und Vorhersagegenauigkeit über eine effektive Störungsunterdrückung bis hin zu einer besseren Abdeckung und spektralen Effizienz auf Systemebene reichen. Aus diesem Grund haben wir das neuartige Konzept des "Virtual Beamforming" vorgeschlagen, das es uns ermöglicht, virtuelle Massive-MIMO-Arrays am UE zu bilden, auch wenn es nur ein einziges physisches Antennenelement hat. Es wird angenommen, dass sich das UE mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt und die Empfangssignale für die benachbarten Zeitschlitze gespeichert werden. Diese Messungen werden dann zur Bildung von Strahlformern verwendet, als ob sie von separaten Antennenelementen empfangen würden. Wir erfassen nur einen kleinen räumlichen Teilbereich des Kanals und verlieren daher Energie, aber dieser Verlust wird teilweise durch den Gewinn der Strahlformung kompensiert. Virtuelles Beamforming führt zu einer Reduzierung der Anzahl relevanter Mehrwegekomponenten pro Kanalkomponente sowie der Anzahl der Kanalkomponenten selbst und ergibt einen Gewinn an Vorhersagegenauigkeit von ca. 10 dB geringerem normalisierten mittleren quadratischen Fehler im Vergleich zum Fall eines UE mit einer einzelnen Antenne. Auf der anderen Seite kann virtuelles Beamforming, das direkt auf die Nutzdaten angewendet wird, sehr ineffizient sein, da es die erneute Übertragung von Datensymbolen erfordert. Um diese Herausforderung zu überwinden, haben wir ein paralleles Übertragungsschema über einen Satz kodierter virtueller Strahlen entwickelt. Dadurch können wir den Effekt der inhärenten Wiederübertragungsstrafe des virtuellen Beamforming reduzieren und wir haben gezeigt, dass eine zuverlässige Kommunikation möglich ist. Darüber hinaus haben wir ein Framework entwickelt, um eine unterschiedliche Anzahl von virtuellen und physischen Antennenelementen zu einem virtuellen Massive-MIMO-Array zu kombinieren.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2021000064
Engelhardt, Maximilian;
Low-latency analog-to-analog signal processing with software-defined radios. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Arbeit wird die Nutzung von Software-defined Radios des Typs Universal Software Radio Peripheral (USRP) X310 für die Kanalemulation untersucht. Besondere Anforderung ist dabei das Erreichen einer möglichst niedrigen Analog-zu-analog-Latenz bei einer gleichzeitig hohen Samplingrate. Nach einer Einführung der Grundlagen der Kanalemulation wird eine Übersicht über die gängigen Algorithmen gegeben. Dabei stellt sich die als uniformly partitioned overlap-save (UPOLS) bezeichnete Implementation der schnellen Faltung als besonders geeignet heraus, da sie die effiziente Echtzeitemulation langer, zeitvarianter Kanäle ermöglicht und gleichzeitig mit geringem Aufwand zu implementieren ist. Anschließend wird das Kommunikationsprotokoll der USRPs analysiert, da der vom Hersteller bereitgestellte Treiber nicht den Latenzanforderungen dieser Arbeit genügt. Darauf aufbauend wird ein erster Prototyp entwickelt, der demonstriert, dass das Streaming von Samples unabhängig vom Originaltreiber möglich ist. Im nächsten Schritt wird die Analog-zu-analog-Latenz optimiert: Mit dem Framework Data Plane Development Kit (DPDK) wird die gesamte Netzwerkkommunikation durch einen polling-basierten Treiber im Userspace erledigt, wodurch die Verzögerungen durch Interruptverarbeitung und Kontextwechsel entfallen. Zusätzlich werden verschiedene Techniken vorgestellt, mit denen die Echtzeitanwendung von Störungen durch das Betriebssystem abgeschirmt werden kann. Der so geschaffene Prototyp enthält noch keine eigentliche Signalverarbeitung, demonstriert aber, dass dieser Aufbau sehr geringe Latenzen ermöglicht: So wurde bei einer Samplingrate von 200 MSa/s eine Analog-zu-analog-Latenz von 38 s erreicht. Mit den bis dahin gesammelten Erkenntnissen wird dann ein 2x2 MIMO Kanalemulator realisiert. Dazu wird zunächst eine Softwarearchitektur entwickelt, welche die Verteilung der Rechenlast auf mehrere CPU-Kerne ermöglicht. Bei der Implementierung wird ein besonderer Fokus auf Performance gelegt, zusätzlich zu den schon genannten Maßnahmen werden beispielsweise Kopien von Nutzdaten und Systemaufrufe vollständig vermieden und mittels eines Benchmarks eine besonders effiziente FFT-Implementierung ausgewählt. Eine abschließende Auswertung zeigt, dass die Kanalemulation funktional korrekt umgesetzt ist und eine Latenz von 100 s erreicht wird.



Singh, Jasmeet; Altinel, Berk; Bornkessel, Christian; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
V2V communication performance of conformal plastic-embedded side-mount antennas investigated with field-operational tests. - In: 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), (2021), insges. 5 S.

Car-to-car communication has wide-ranging applications in the fields of traffic safety and optimization as well as minimization of emissions. For a seamless and reliable communication between the cars and their road environment, as may be evaluated through packet delivery ratio and received power measurements, an appropriate antenna placement is necessary. Accordingly, the field test discussed in this paper compares the performance of three different antenna placements on a test vehicle: 1. Roof-mounted monopole antenna pair contained in a shark fin housing, 2. Patch antenna pair embedded in the front-left B-column, and 3. Combination of two patch antennas with one in the front-left and the other in the front-right B-column. The concurrent use of three V2V modules allowed us to evaluate the performance of the three antenna set-ups simultaneously in a single run through a mixed terrain, allowing for straightforward performance comparisons. The power received by the roof-top monopole antennas was, on average, 8 dBm higher than the front-left/right B-column patch antenna combination and 13 dBm higher than the front-left B-column patch antenna pair. The reasons for these and other differences are appropriately addressed in the paper. While the roof-top monopole antenna combination performed overall better, we argue that using an appropriate amplifier could raise the performance of the B-column antennas to the same or even higher levels.



https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448811
Schneider, Christian; Breuer, Jasmin; Beyer, Jürgen; Sommerkorn, Gerd; Käske, Martin; Thomä, Reiner; Del Galdo, Giovanni
Characterization of urban radio channels and base station antenna correlation in the 3.75 GHz band. - In: 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), (2021), insges. 5 S.

Single side mMIMO channel measurements over 100 MHz bandwidth at 3.75 GHz were performed in two German cities. In dense urban as well as urban/suburban environments, a total track length of about 20 km has been measured. Multipath parameters by means of the high-resolution parameter estimator RIMAX are estimated and subsequently used to derive the statistics of large scale parameters and to allow a comparison to the statistics from standard channel model (3GPP, WINNER). While most of the parameters match quite well, for the angular spread at the base station (BS) partly larger deviations are observed. The correlation properties between the 32 dual polarized antenna patches of the BS antenna are investigated with respect to the antenna patch separation as well as to the distance between the BS and user equipment (UE).



https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448718
Myint, Saw James; Schieler, Steffen; Schneider, Christian; Kotterman, Wim; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
Statistics of vehicular detectability for cooperative passive coherent location at urban crossroad. - In: Radar on the move, (2021), insges. 6 S.

The statistical study of target detectability is crucial in radar system design. In this regard, signal-to-noise ratio (SNR) of the received signal at the radars receiver is a key parameter and therefore every influence on SNR should be taken into account. One of the main influences is the fluctuation of the target scattering/reflectivity to the incident electromagnetic wave. Consequently, the target fluctuation models and their accuracy become important. For monostatic radar system, various models can be found in the literature. In contrast, this paper studies a case of vehicular sensing scenario with multistatic configuration for an urban crossroad and proposes a modelling method of the target fluctuation by taking into account the target information, such as size, shape and composed materials, and the wave information, such as polarizations and aspect angles. Furthermore, the derived target fluctuation models are then applied directly to the formulation of the probability of detection for multistatic radar system. These probabilities of detection are also compared to that of monostatic radar system.



https://doi.org/10.1109/RadarConf2147009.2021.9454971
Schwarz, Benjamin;
Validierung eines elektronischen Dendrometers im Labor- und Referenzbetrieb. - Ilmenau. - 56 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Die zunehmenden Klimaveränderungen bedeuten gleichsam veränderte Lebensbedingungen für existierende Baumbestände. Die kostengünstige Breitenanalyse dieser Umwelteinflüsse auf das biologische System verschiedener Bäume stellt die Forstwirtschaft und -forschung vor große Herausforderungen, weshalb künftig entsprechende Messmittel zunehmend von Bedeutung sein werden. Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit wurde ein Messsystem basierend auf einem elektronischen Dendrometer, einem Messgerät zur kontinuierlichen Erfassung von Stammumfangszuwächsen, erstellt. Unter Laborbedingungen wurde die Anwendbarkeit des Systems an verschieden realistischen Probestücken untersucht, um Rückschlüsse auf Messverhalten und Einflussfaktoren auf das Messgerät zu identifizieren. Als Resultat entstand ein System zur Bestimmung von Baumradiusänderungen im Mikrometerbereich.



Karandikar, Vinayak;
Analysis of signal processing algorithms for MIMO-OFDM based communication systems in presence of hardware imperfections. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Drahtlose Kommunikationssysteme verwenden heute die weithin erfolgreiche MIMO-Technik (Multiple Input Multiple Output) - OFDM-Technik (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Die Hardware in solchen Systemen ist mit Unvollkommenheiten verbunden, und daher müssen diese beim Entwurf und der Implementierung der zugrunde liegenden Algorithmen berücksichtigt werden. Während in dieser Masterarbeit die Signalverarbeitungsfunktionalität solcher Systeme in MATLAB-Software implementiert wurde, wurde die Kommunikationsfunktionalität unter Verwendung eines kommerziellen Software Defined Radio (SDR) implementiert, nämlich LimeSDR. Die MATLAB-Software wurde über eine C++-basierte Schnittstelle mit LimeSDR verbunden. Ferner wurde die Leistung eines 2 x 2 MIMO-OFDM-basierten Kommunikationssystems hinsichtlich des Kanalschätzungsfehlers (CEE) und der Symbolfehlerrate (SER) bewertet. Es wurden zwei separate Kanalmodelle und zugehörige Systemmodelle definiert und entsprechende Kanal-schätzungsmethoden abgeleitet. Es wurde festgestellt, dass die Kanal-schätzungsalgorithmen zu einer optimalen Leistung führen, wie durch die Simulationsergebnisse beobachtet. Darüber hinaus wurde die Leistung der Algorithmen zur Kanalschätzung und -verfolgung durch Simulationen und Hardwareexperimente verglichen. Bei Hardwareexperimenten wurde eine Kombination von Szenarien mit unterschiedlichen Kompensationsalgorithmen für Trägerfrequenzversatz (CFO), Abtastfrequenzversatz (SFO) und Phasenfehler (PE) berücksichtigt. Zusätzlich wurde die Wirkung von künstlich eingeführtem CFO am Sender auf CEE und SER sowohl durch Simulationen als auch durch Hardware-Experimente untersucht. Es ist ersichtlich, dass dieser künstliche CFO die Leistung sowohl in Bezug auf CEE als auch in Bezug auf SER verschlechtert. Schließlich wurde die Leistung des Kanalschätzungsalgorithmus und des Kanalverfolgungsalgorithmus sowohl bei MIMO-OFDM- als auch bei Alamouti-Codierung verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Alamouti-Codierung eine bessere Leistung als MIMO-OFDM aufweist, wie sowohl durch Simulationen als auch durch Hardwareexperimente beobachtet wurde.



Thaller, Christopher;
Entwicklung eines Integrators in 0.13 [my]m SiGe Technologie für ein Compressed Sensing Millimeterwellen Front-End. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Design und die Simulationsergebnisse einer analogen, breitbandigen, hochdynamischen, schnell rücksetzbaren Integrator-Schaltung wurden vorgestellt. Diese soll in einem Hochfrequenz Compressed Sensing Empfänger verwendet werden. Die Entwicklung eines geeigneten Integrators ist für für den integrierten Aufbau eines Random Demodulator Empfängers wichtig. Der Integrator ist differentiell aufgebaut und beinhaltet zusätzlich zwei Schaltungsteile für das Halten und Zurücksetzen der integrierten Ausgangswerte. Eine spezielle negative Widerstandsgeneratorschaltung, realisiert durch ein kreuzgekoppeltes Transistorpaar, um die geforderte Integrationszeit von 4 ns bis 40 ns ohne nennenswerte Sättigungseffekte zu erreichen. Die Schaltung wurde in 130 nm SiGe BiCMOS Technologie von IHP in Cadence Virtuoso auf Schaltplanlevel aufgebaut. Durch Simulationen wurde die Funktionalität der Schaltung unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen geprüft.



Degli-Esposti, Vittorio; Fuschini, Franco; Bertoni, Henry L.; Thomä, Reiner; Kürner, Thomas; Yin, Xuefeng; Guan, Ke
IEEE access special section editorial: millimeter-wave and terahertz propagation, channel modeling, and applications. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 9 (2021), S. 67660-67666

The demand for ever-increasing wireless data transmission rates and throughput area-densities, especially with regard to microcellular networks, internet access, back-hauling, inter-device transmission, and sensing applications, has spurred the exploration of new spectra in the millimeter-wave (30-300 GHz) and terahertz bands (0.1-10 THz), and the study of techniques for multi-Gigabit transmission based on very high-gain antennas [items 1) and 2) in the Appendix].



https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3076326
Krieg, Fabian; Kirchhof, Jan; Pérez, Eduardo; Schwender, Thomas; Römer, Florian; Osman, Ahmad
Locally optimal subsampling strategies for full matrix capture measurements in pipe inspection. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 11 (2021), 9, 4291, S. 1-14

In ultrasonic non-destructive testing, array and matrix transducers are being employed for applications that require in-field steerability or which benefit from a higher number of insonification angles. Having many transmit channels, on the other hand, increases the measurement time and renders the use of array transducers unfeasible for many applications. In the literature, methods for reducing the number of required channels compared to the full matrix capture scheme have been proposed. Conventionally, these are based on choosing the aperture that is as wide as possible. In this publication, we investigate a scenario from the field of pipe inspection, where cracks have to be detected in specific areas near the weld. Consequently, the width of the aperture has to be chosen according to the region of interest at hand. On the basis of ray-tracing simulations which incorporate a model of the transducer directivity and beam spread at the interface, we derive application specific measures of the energy distribution over the array configuration for given regions of interest. These are used to determine feasible subsampling schemes. For the given scenario, the validity/quality of the derived subsampling schemes are compared on the basis of reconstructions using the conventional total focusing method as well as sparsity driven-reconstructions using the Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm. The results can be used to effectively improve the measurement time for the given application without notable loss in defect detectability.



https://doi.org/10.3390/app11094291
Sousa, Marcelo Nogueira de; Sant'Ana, Ricardo; Fernandes, Rigel P.; Duarte, Julio Cesar; Apolinário, José A.; Thomä, Reiner
Improving the performance of a radio-frequency localization system in adverse outdoor applications. - In: EURASIP journal on wireless communications and networking, ISSN 1687-1499, (2021), 123, S. 1-26

In outdoor RF localization systems, particularly where line of sight can not be guaranteed or where multipath effects are severe, information about the terrain may improve the position estimate's performance. Given the difficulties in obtaining real data, a ray-tracing fingerprint is a viable option. Nevertheless, although presenting good simulation results, the performance of systems trained with simulated features only suffer degradation when employed to process real-life data. This work intends to improve the localization accuracy when using ray-tracing fingerprints and a few field data obtained from an adverse environment where a large number of measurements is not an option. We employ a machine learning (ML) algorithm to explore the multipath information. We selected algorithms random forest and gradient boosting; both considered efficient tools in the literature. In a strict simulation scenario (simulated data for training, validating, and testing), we obtained the same good results found in the literature (error around 2 m). In a real-world system (simulated data for training, real data for validating and testing), both ML algorithms resulted in a mean positioning error around 100 ,m. We have also obtained experimental results for noisy (artificially added Gaussian noise) and mismatched (with a null subset of) features. From the simulations carried out in this work, our study revealed that enhancing the ML model with a few real-world data improves localization’s overall performance. From the machine ML algorithms employed herein, we also observed that, under noisy conditions, the random forest algorithm achieved a slightly better result than the gradient boosting algorithm. However, they achieved similar results in a mismatch experiment. This work’s practical implication is that multipath information, once rejected in old localization techniques, now represents a significant source of information whenever we have prior knowledge to train the ML algorithm.



https://doi.org/10.1186/s13638-021-02001-6
Xu, Meng;
Hochintegrierte signalverarbeitende Strukturen mit Memristoren. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Als hauptsächliche Forschungsmethode der Memristor-Anwendung kann Crossbar-Array-Struktur in der Datenspeicherung, neuronalen Netzwerktraining und Mustererkennung eingesetzt werden. Der Dot-product-Engine von Crossbar-Array kann den Systemraum effektiv sparen und die Systemgröße stark reduzieren.Es handelt sich um Hochintegrierte signalverarbeitende Strukturen. Dieser Beitrag untersucht das mathematische Grundmodell von Memristor, analysiert die grundlegenden Eigenschaften von Memristor, führt die Struktur und das Arbeitsprinzip von Memristor Crossbar-Array ein und diskutiert den Arbeitsgang von Datenspeicherung und -nutzung. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Erforschung von Dot-product-Engine basierend auf Memristor und Crossbar-Array-Struktur. Modellierung und Simulation von Memristor Crossbar-Array und Dot-product-Engine. Der Speicher des Memristor-Zustands im Crossbar-Array-System wird untersucht.Um das Problem zu lösen, dass der interne Zustand des Memristors durch das Eingangssignal während der Verwendung des Dot-product-Engine verändert werden kann, wird die Methode der Zugabe von umgekehrter Spannung zur Änderung des magnetischen Flussstroms Null gewählt, um den Fehler zu verringern und die entsprechende Pulsbreite herauszufinden, um die Genauigkeit der Berechnung des Dot-product-engine zu verbessern.



Grundhöfer, Lars; Gewies, Stefan; Del Galdo, Giovanni
Estimation bounds of beat signal in the R-mode localization system. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 9 (2021), S. 69278-69286

The R-Mode system is a terrestrial navigation system currently under development, which exploits existing means of medium frequency radio transmission. The positioning and timing performance depends on the estimation of the signals' phase offset, from which the ranging information is derived. For an analogous problem such as the single-tone phase estimation, the Cramér-Rao bound (CRB) describes the minimal achievable performance in the mean squared error sense. For R-Mode, the problem involves the estimation of the phase offset for a beat signal, which can be described as the difference of phase estimation for the two aiding carriers next to the signal. This estimates are not statistically independent for finite observation, as we show in this paper. The effect becomes stronger for short observation times, which are important for a near real time application. In this contribution, we are interested in phase offset estimation for the signal models relevant to R-Mode: a beat signal and a beat signal combined with an MSK signal. A closed-form lower CRB is proposed for the aforementioned signal models phase estimation, as well as a generalization of the bound for the phase-difference estimation. Based on this derivation, optimized bit sequences are shown to improve performance of the estimates. The validity of the proposal is verified based on a simulation setup. Measurements acquired during a measurement campaign serve to further justify the usefulness of the bound. Some possible applications of such a bound are R-Mode coverage prediction and the associated phase estimators' performance.



https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3076845
Foliadis, Anastasios; Garcia, Mario H. Castañeda; Stirling-Gallacher, Richard A.; Thomä, Reiner
CSI-based localization with CNNs exploiting phase information. - In: 2021 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), (2021), insges. 6 S.

In this paper we study the use of the Channel State Information (CSI) as fingerprint inputs of a Convolutional Neural Network (CNN) for localization. We examine whether the CSI can be used as a distinct fingerprint corresponding to a single position by considering the inconsistencies with its raw phase that cause the CSI to be unreliable. We propose two methods to produce reliable fingerprints including the phase information. Furthermore, we examine the structure of the CNN and more specifically the impact of pooling on the positioning performance, and show that pooling over the subcarriers can be more beneficial than over the antennas.



https://doi.org/10.1109/WCNC49053.2021.9417561
Sokal, Bruno; Gomes, Paulo R. B.; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Joint channel, data, and phase-noise estimation in MIMO-OFDM systems using a tensor modeling approach. - In: 2021 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2021), S. 4460-4464

In this work, we propose a two-stage tensor-based receiver for joint channel, phase-noise (PN), and data estimation in MIMO-OFDM systems. First, we cast the received signal at the pilot subcarriers as a third-order PARAFAC model. Based on this model, we propose a closed-form algorithm based on the LS-KRF (Least Squares - Khatri-Rao Factorization) that estimates the channel gains and the phase-noise terms through multiple rank-one factorizations. From the estimated channel, the second stage of the receiver consists of data estimation based on a ZF (Zero-Forcing) receiver that capitalizes on the tensor structure of the received signal at the data subcarriers via a Selective Kronecker Product (SKP) approach. Our numerical simulations show that the proposed receiver achieves an improved performance compared to the state-of-art receivers.



https://doi.org/10.1109/ICASSP39728.2021.9414541
Changalarayappa, Niranjan;
Analysis of link adaptation in multi-transmit-receive point communication. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Es wird angenommen, dass sich der Bedarf an Kapazität in zukünftigen Mobilfunknetzen vervielfacht, welches anspruchsvolle Anforderungen an das System-Layout sowie die Planung des Systems stellt. Die Kommunikation mittels Multi-Transmit-Receive Points (MTRPs) ist eine der am vielversprechenden Lösungen im Bereich 5G. Motiviert durch die laufenden Diskussionen im Standardisierungsgremium des Partnerschaftsprojekts der 3. Generation (3GPP) werden in dieser Masterarbeit Verfahren zum Senden und Empfangen über mehrere getrennte Basisstationen mit dynamischer Koordination untersucht mit dem Ziel der Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit an den Zellrändern. In dieser Arbeit werden zunächst Ansätze für den Downlink eines MTRP-Systems vorgestellt mit der Annahme eines "zero-delay" Backhauls zwischen den TRPs. Zunächst beschäftigt sich die Arbeit mit verschiedenen Multi-TRP-Übertragungskonzepten - Joint Processing (JP), Dynamic Point Selection (DPS) und Dynamic TRP Association (DTA). Anschließend wird eine Übersicht zu dem aktuellen Stand der Standardisierungsaktivitäten für diese Verfahren gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell für eine vollständige 5G-NR-Abwärtsverbindung für MTRP-Systeme erstellt. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Leistungssteigerungen bei den Zelldurchsätzen für JT und DPS gegenüber einem 3GPP Release 15 5G New Radio (NR) Systems mit unterschiedlichen Rückkopplungsschemata. Es zeigt auch, dass die MTRP-Kommunikation ein verbessertes Mobilitätsmanagement in realen Netzwerken ermöglichen kann.



Sewalkar, Parag;
A framework for quality of service in Vehicle-to-Pedestrian safety communication. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (xvii, 141 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

Die Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern (V2X) hat sich zu einem wichtigen Mechanismus zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz des Straßenverkehrs entwickelt. Obwohl die V2X-Kommunikation prinzipiell die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V), zwischen Fahrzeug und Infrastruktur (V2I) sowie zwischen Fahrzeug und Fußgänger (V2P) umfasst, sind Ansätze zur V2P-Kommunikation weiterhin in einem sehr frühen Stadium und lassen einen umfassenden Ansatz für die Entwicklung von V2P-Systemen vermissen. V2P umfasst im Detail die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und einer Vielzahl von gefährdeten Verkehrsteilnehmern (VRUs), wie beispielsweise Fußgänger, Radfahrer oder Mopeds. V2X-Systeme wurden ursprünglich nur für V2V- und V2I-Kommunikation entwickelt, wobei ausschließlich die Fahrzeugeigenschaften im Fokus standen. Ein effektives V2P-Systemdesign muss jedoch auch die Eigenschaften von VRUs berücksichtigen, die bei der Berücksichtigung der V2P-Kommunikation in einem V2X-System viele Fragen aufwerfen. Diese Dissertation befasst sich mit drei Aspekten im Zusammenhang mit der Entwicklung eines V2P-Systems. Der erste Aspekt betrifft die systematische Konzeption eines V2P-Systems nach einem ganzheitlichen Ansatz. Diese Dissertation schlägt einen V2P-Entwurfsrahmen vor, der auf verschiedenen Eingangsgrößen basiert, die für die Entwicklung eines effektiven V2P-Systems erforderlich sind. Dieser Entwurfsrahmen verbessert das Verständnis der V2P-Systemanforderungen und trägt dazu bei, den Entwurfsprozess systematischer zu gestalten. Der zweite Aspekt betrifft die Leistung des V2X-Netzes, wenn eine große Anzahl von VRUs präsent ist. Diese Dissertation schlägt hierfür MC-COCO4V2P vor, einen energieeffizienten Clustering-Mechanismus für Fußgänger zur Eindämmung der Netzüberlastung. MC-COCO4V2P verbessert die Netzleistung, indem die Anzahl der von Fußgängern generierten Sicherheitsmeldungen reduziert wird. Damit wird zudem die Batterielebensdauer der von den Fußgängern genutzten Geräte verbessert. Der dritte Aspekt betrifft die Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einem Fußgänger, die kurz vor einem Zusammenstoß stehen. Diese Dissertation stuft eine so wichtige Kommunikation als diejenige ein, die selbst beim Austausch anderer kritischer Sicherheitsnachrichten die höchste Priorität bekommt. Es wird ein Mechanismus vorgeschlagen, der es den umgebenden Verkehrsteilnehmern ermöglicht, ihre Kommunikationspriorität vorübergehend zu verringern. Dies führt zu einem bevorzugten Medienzugriff für die durch eine Kollision gefährdeten Verkehrsteilnehmer, was zu einer höheren Dienstgüte (QoS) für deren Kommunikation führt.



https://doi.org/10.22032/dbt.47972
Sokal, Bruno; Gomes, Paulo R. B.; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Tensor-based receiver for joint channel, data, and phase-noise estimation in MIMO-OFDM systems. - In: IEEE journal of selected topics in signal processing, ISSN 1941-0484, Bd. 15 (2021), 3, S. 803-815

Phase-noise is a system impairment caused by the mismatch between the oscillators at the transmitter and the receiver. In OFDM systems, this induces inter-carrier-interference (ICI) by rotating the transmitted symbols. Thus it can cause severe system performance degradation. To reduce its effects, the phase-noise must be estimated or compensated. In this work, we propose a two-stage tensor-based receiver for a joint channel, phase-noise (PN), and data estimation in MIMO-OFDM systems. In the first stage, we show that the received signal at the pilot subcarriers can be modeled as a third-order PARAFAC tensor. Based on this model, we propose two algorithms for channel and phase-noise estimation at the pilot subcarriers. The first algorithm, based on the BALS (Bilinear Alternating Least Squares), is an iterative algorithm that estimates the channel gains and the phase-noise impairments. The second is a closed-form algorithm based on the LS-KRF (Least Squares - Khatri-Rao Factorization) that estimates the channel gains and the phase-noise terms through multiple rank-one factorizations. Both algorithms achieve similar performance, but in terms of computational complexity, we show that the LS-KRF becomes more attractive than the BALS as the number of receive antennas is increased. The second stage consists of data estimation, for which we propose a ZF (Zero-Forcing) receiver that capitalizes on the PARATuck tensor structure of the received signal at the data subcarriers using the Selective Kronecker Product (SKP) operator. Our numerical simulations show that the proposed receiver achieves an improved performance compared to the state-of-art receivers in terms of symbol error rate (SER) and normalized mean square error (NMSE) of the estimated channel and phase-noise matrices.



https://doi.org/10.1109/JSTSP.2021.3061917
Feldhoff, Frank; Töpfer, Hannes
Niobium neuron: RSFQ based bio-inspired circuit. - In: IEEE transactions on applied superconductivity, ISSN 1558-2515, Bd. 31 (2021), 5, 1800505, insges. 5 S.

Neuromorphic and bio-inspired circuits have reached considerable attention since Moore's Law is coming to its limitations. Information processing in mammalian brains takes place in a far more energy-efficient manner and significantly faster than in the best computing architecture nowadays. We propose an approach to bring those benefits to a superconducting information processing circuit. Since the computation in a neuronal network is considered as analogue and the computation as digital, the design is grown around a Josephson comparator with its inherent non-linearity in the transfer function as the central information processing unit. Furthermore, a modified version of the Josephson Transmission Line is used to realize an adaptable coupling between neuron cells. This circuit design benefits of the noise in a 4.2 K environment and is therefore more resilient to noise and switching errors than conventional digital circuits. The proposed circuit behavior in a 2-neuron configuration and the integration in a network topology will be investigated.



https://doi.org/10.1109/TASC.2021.3063212
Zhang, Jianshu; Rakhimov, Damir; Haardt, Martin
Gridless channel estimation for hybrid mmWave MIMO systems via Tensor-ESPRIT algorithms in DFT beamspace. - In: IEEE journal of selected topics in signal processing, ISSN 1941-0484, Bd. 15 (2021), 3, S. 816-831

In this paper, we present a gridless channel estimation algorithm for a hybrid millimeter wave (mmWave) MIMO-OFDM system assuming a frequency-selective channel. The proposed algorithm is based on the Tensor-ESPRIT in DFT beamspace algorithm framework. First, we derive the R-dimensional (R-D) Standard/Unitary Tensor-ESPRIT in DFT beamspace framework and its analytic performance. We show that ESPRIT-type algorithms in a reduced-dimensional DFT beamspace can provide a significant performance gain over ESPRIT-type algorithms in full DFT beamspace and in element space under mild conditions. Afterwards, we develop a gridless channel estimation algorithm that is based on 3-D Tensor-ESPRIT in DFT beamspace algorithms. Numerical simulation results show that the proposed channel estimation algorithm can provide accurate channel estimates using only a few training resources.



https://doi.org/10.1109/JSTSP.2021.3063908
Bornkessel, Christian; Kopacz, Thomas; Schiffarth, Anna-Malin; Heberling, Dirk; Hein, Matthias
Determination of instantaneous and maximal human exposure to 5G massive-MIMO base stations. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

The roll-out of the 5G standard with novel functionalities brings with it the urgent need to evaluate the human exposure to massive-MIMO base stations. This paper discusses concepts for the measurement of instantaneous and maximal exposure in the sub-6 GHz frequency range (FR1). The concepts have been implemented with the NARDA SRM-3006 selective radiation meter. For instantaneous exposure, the Safety Evaluation mode with an averaging over multiple frequency sweeps has been identified appropriate. First results with provoked data traffic revealed exposures below 0.25 % of the ICNIRP 1998 power density reference levels. For maximal possible exposures, the exposure to the synchronization signal and physical broadcast channel block (SSB) should be measured in the Level Recorder mode and extrapolated to the signal bandwidth considering a measurement point-specific gain difference between traffic and broadcast beams. As another outcome of our studies, we argue that code-selective devices for SSB measurements are urgently needed.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411089
Beuster, Niklas; Blau, Kurt; Trabert, Johannes; Ihlow, Alexander; Bauer, Julia; Andrich, Carsten; Del Galdo, Giovanni
UHF RFID tag performance measurements for SLCs applications using DIY-positioners. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

With this paper, we present cost-effective techniques to characterize UHF RFID performance with regards to small load carriers (SLC). A self-developed turntable-positioner is used to measure the antenna pattern of tags attached to empty SLCs, as well as SLCs filled with scrap metal. With the tag-positioner we presented in a recent publication, read range degradation of various tags near dissipative and conductive electro static discharge (ESD) protective material was investigated. We also measured the sensitivity of around 80 different tags in front of an SLC made of ESD protective material and compared their performance to operation in free-space propagation. To conduct the measurements themselves, we use commercial off-the-shelf readers like the R420 from Impinj, which we control via low level reader protocol (LLRP) commands, implemented in Python.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411100
Dupleich, Diego; Abbas Mir, Hassan; Schneider, Christian; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
On the modelling of the NLOS first multi-path component in stochastic spatial channel models. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

Positioning and localization is one of the key features in the 5G and beyond wireless networks. Since accuracy strongly depends on the channel conditions, channel models are of special importance for the testing and development of such applications. While several localization methods are based on the time of arrival (ToA) and time-difference of arrival (TDoA), stochastic spatial channel models (SCMs) as the 3GPP don't consider absolute values on the delays of the non-line of sight (NLOS) multi-path components (MPCs), making these models not appropriate for these applications. Therefore, we investigate the time and angular characteristics of the first multi-path component (FMPC) using multi-band ray tracing (RT) simulations in order to extend stochastic SCMs to support localization applications in NLOS.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411142
Hassan, Nina; Dupleich, Diego; Schneider, Christian; Thomä, Reiner; Del Galdo, Giovanni
MIMO-TDL model parameter estimation from V2I channel sounding. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

This contribution proposes modeling methods for MIMO-TDL channel models under new evaluation method, which is non-WSSUS. V2X channels cannot be assumed to follow the WSSUS assumption due to high inherent mobility. It can be extended to non-WSSUS by employing an ON/OFF process (persistence process). An algorithm to select taps and estimate their parameters from measured data is illustrated. Meanwhile, the slow and fast fading is separated from received signal to assess the fading distribution of taps. The analysis investigates correlation coefficient among taps persistence process, as well as, among taps amplitude. Additionally, an approach is discussed to develop a time varying MIMO-TDL model, whose parameters are varying over time.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411322
Wegner, Tim Erich; Del Galdo, Giovanni; Gebhardt, Stefan
Accuracy of fill level measurement by an M-sequence UWB guided wave radar. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 4 S.

Due to increasingly complex and automated manufacturing processes of producing companies, the demands on the control parameters of these processes are also increasing. An important parameter is the fill quantity, whose precise determination is becoming of growing importance. It is of additional interest to be able to automatically determine what filling material is currently being used to ensure that the correct material is in the container. This paper shows with which accuracy an M-sequence UWB guided wave radar can determine levels in metallic and non-metallic containers and which possibilities exist to determine the filling material. First, the principle of level measurement using guided wave radar is explained and the measurement setup is described. Afterward, the measurement results are shown and discussed. The measurements show that the level can be measured with an accuracy of less than 0.5 mm. In addition, level fluctuations can be detected with an accuracy of 3 µm.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411205
Dupleich, Diego; Müller, Robert; Thomä, Reiner
Practical aspects on the noise floor estimation and cut-off margin in channel sounding applications. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

The characterization of propagation at mm-waves and THz is obtaining relevance since they are expected to be the frequency bands of the future wireless generations. Hence, measurements conducted all around the world with different equipments need to be comparable by establishing common methodologies and best-practice guidelines. As an example, all measurements are affected by noise, but its estimation and removal are not standardized. Therefore, in the present paper we define a methodology on the estimation of the noise floor and the cut-off margin for its subsequent removal. We firstly analyse the influence of the channel sounder noise floor on the estimation of different propagation parameters directly from the measured channel impulse responses (CIRs), showing the need of its removal before any processing of the measurements. Later, we introduce an algorithm to estimate the noise floor in the presence of signal, and the cut-off margin. Finally, we evaluate its performance empirically with measurements.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411409
Hasnain, Syed N.; Stephan, Ralf; Brachvogel, Marius; Meurer, Michael; Hein, Matthias
Performance testing of a distributed automotive satellite navigation array with jammer in virtual environment. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

State-of-the-art antenna arrays require a significant installation area when envisaged for compact passenger cars, whose footprint area can be reduced by splitting the full array into two smaller, spatially distributed sub-arrays. The challenge of grating lobes develops while arranging the sub-arrays several wavelengths apart mounted on distant parts of a car. As a consequence, spatial sampling of the incident waves leads to ambiguous direction-of-arrival estimation. An inhomogeneous L-shaped orthogonal arrangement can, however, mitigate such drawbacks to some extent while allowing easier installation. The performance of such an array needs to be tested in a virtual electromagnetic environment in the course of the development process, even long before homologation. An example of such distributed array mounted on a conventional passenger car for satellite navigation is shown in this paper, and the array performance is tested in terms of positioning accuracy in presence of a jammer in our automotive antenna test facility.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411456
Czaniera, Daniel; Herath, Vimukthi; Schneider, Christian; Käske, Martin; Sommerkorn, Gerd; Thomä, Reiner; Del Galdo, Giovanni
Modeling of transitions in received power for an urban V2I scenario. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

In this contribution, we investigate how changes in received power for a vehicle to infrastructure (V2I) communication scenario in an urban environment can be modeled. Significant changes are not only observed for line of sight (LoS) to none line of sight (NLoS) transitions but also when the mobile station travels from a narrow street onto a crossroad and other maneuvers, even with no LoS being present. To model these transitions, in terms of received power, we propose a variant of an arctangent function. We fit the model to different exemplary transitions, which were found in channel sounding data collected in a V2I measurement campaign. We discuss the results in terms of quality of fit and the estimated parameters.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411370
Gutierrez, Sergio; Pantoja, John J.; Ruiz, Eder Fabian; González, Nicolás; Vega, Felix; Baer, Christoph; Sachs, Jürgen; Kasmi, Chaouki
Advances on the detection of landmines and IEDs in Colombia using UWB GPR and machine learning techniques. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 4 S.

In this paper we present the latest results of a research program on the use of ground penetrating radar and machine learning-based algorithms for humanitarian demining in Colombia. We describe the experimental setup developed, which includes a polarimetric GPR-UWB unit, a radar positioning system, and a control unit. We describe as well a soil characterization campaign and an IED classification technique based on Support Vector Machine.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411214
Beuster, Niklas; Blau, Kurt; Trabert, Johannes; Ihlow, Alexander; Bauer, Julia; Andrich, Carsten; Del Galdo, Giovanni
Cost-effective measurement methods to investigate RF leakages in UHF RFID e-Kanban racks. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 4 S.

In this paper, we present cost-effective techniques to assess shielding performance of RFID Kanban racks equipped with UHF RFID readers. This includes a self-developed positioner, made from roof battens and stepper motors, which positions a tag in a vertical area around each side of the rack to sense the radio frequency (RF) distribution emitted from the reader. For the measurements on the shelves, we sticked 30 tags on a foam board in a 20 cm grid to detect leakages on the horizontal planes. The overall material cost is less than 50 € and we made the documentation and control software publicly available.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411416
Altinel, Berk; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Wave-physical factors determining the link quality in ITS-G5 studied with field-operational tests. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

Even though vehicular communication systems have been rolled out in road, they remain a prominent field of research and development. The functional and operational safety of vehicle-to-X system demands reliable and efficient methods for verification and validation, based on their functional principles and underlying wave-physical phenomena. To test such systems in virtual environment, we have undertaken empirical studies of the communication channel, to analyze parameters like distance and sight conditions in a rich multipath environment. This paper describes the results and conclusions derived from a set of field-operational tests along a track, with modules operating with ITS-G5. While the results confirm the expectation that field-operational tests aren't reproducible on a quantitative level, we have gained insight into fundamental constraints on the channel parameters and approaches towards emulation in virtual environment. Employing omni-directional roof-mounted antennas, we have observed reliable communication links for ranges up to 250 meters, independent of sight conditions.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411275
Hassan, Nina; Schneider, Christian; Thomä, Reiner; Del Galdo, Giovanni
Characterization of slow and fast fading in V2I channels for smart cities. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

A vehicle to X (V2X) propagation channel corresponds to a wideband channel that means a receiver (Rx) able to resolve multipath components. In contrast to a narrow band channel, multipath components are indistinguishable at the receiver and seen as a single composite signal, thus fading approximation has been assumed as the Rayleigh fading. It is interesting to see how the fading is characterized in V2X applications because the channel corresponds to the wideband and it can not be assumed to follow wide sense stationary uncorrelated scattering (WSSUS) assumption due to inherent mobility. The aim of this paper is to characterize and study slow fading and fast fading variations of each tap, which is selected from measurement data. This investigation pertains to three various scenarios, which are omnidirectional antenna, two antennas faced directly to each other and two antennas faced away from each other. In each scenario, LOS and two different NLOS categories are studied.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411001
Kotterman, Wim; Landmann, Markus; Thomä, Reiner
Projection-OTA, over-the-air testing by reconfigurable reflecting structures. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

The bottleneck in OTA testing electrically large equipment is the large number of sources required for sufficient angular density. That is, if the sources are active. In that case, high-bandwidth, high-frequency equipment with excellent stability, processing power, and configurability is needed per antenna element. The costs of scaling up the current MIMO OTA configuration to higher frequencies and/or large equipment is prohibitive. In case passive radiators are used, the maximum control speed is determined by the maximum expected Doppler frequency. Such performance is order of magnitudes cheaper, even for large numbers of elements. In this contribution, we will present a new OTA concept that uses passively radiating reconfigurable structures and is inherently bi-directional. The concept that we call Projection-OTA, accommodates test objects in FR1 that are electrically large to very large and shows good prospects for emulating beam dynamics for testing 5G NR in FR2. Whether such passive structures will be made up by reflect arrays, meta-surfaces, or even intelligent surfaces is to be determined. We will discuss the prospects and limitations of this concept.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411326
Thomä, Reiner; Dallmann, Thomas; Jovanoska, Snezhana; Knott, Peter; Schmeink, Anke
Joint communication and radar sensing: an overview. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

This paper provides an overview of recent developments in Joint Communication and Radar Sensing (JCRS) systems and networks. Our discussion will focus on radio system and network architectures that can be used for JCRS and on approaches to select, generate and process waveforms suitable for both communication and sensing. In addition, advantages and challenges of assembling a network out of several JCRS nodes are addressed. Finally, we give an outlook to possible applications of JCRS networks, which we see in autonomous driving and low altitude air traffic control.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411178
Vintimilla, Renato Zea; Lorenz, Mario; Kotterman, Wim; Schwind, Ramona; Landmann, Markus; Del Galdo, Giovanni
Realistic emulation of GNSS testing scenarios using 3D wave field synthesis in an OTA testbed. - In: Focus on linking antennas and propagation with the automotive and 5G industries, (2021), insges. 5 S.

While traditional testing methods as conducted and open field tests have their limitations in terms of realism and repeatability of the scenario's conditions, Over-the-Air (OTA) testing enhances the way that GNSS and mobile communications systems with integrated antennas are tested, since it provides the freedom to accurately emulate an impinging wave with arbitrary polarization and direction radiated from any source/reflection such as GNSS satellites and terrestrial base stations. Therefore, real world scenarios can be precisely reproduced with total control of the environment's conditions. In this context, this paper describes the process to implement full polarimetric 3D Wave Field Synthesis (WFS) in an OTA testbed, from the principle to characterize the electromagnetic (EM) field in three dimensions to the system calibration and correspondent verification measurements inside the anechoic chamber, which will provide a deeper insight on the quality and reliability of the EM field for testing purposes.



https://doi.org/10.23919/EuCAP51087.2021.9411259
Ardah, Khaled; Gherekhloo, Sepideh; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
TRICE: a channel estimation framework for RIS-aided millimeter-wave MIMO systems. - In: IEEE signal processing letters, ISSN 1558-2361, Bd. 28 (2021), S. 513-517

We consider the channel estimation problem in point-to-point reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided millimeter-wave (mmWave) MIMO systems. By exploiting the low-rank nature of mmWave channels in the angular domains, we propose a non-iterative Two-stage RIS-aided Channel Estimation (TRICE) framework, where every stage is formulated as a multidimensional direction-of-arrival (DOA) estimation problem. As a result, our TRICE framework is very general in the sense that any efficient multidimensional DOA estimation solution can be readily used in every stage to estimate the associated channel parameters. Numerical results show that the TRICE framework has a lower training overhead and a lower computational complexity, as compared to benchmark solutions.



https://doi.org/10.1109/LSP.2021.3059363
Wermes, Mahdieu;
Erklärbarkeit und Transparenz maschineller Entscheidungsprozesse zur Performancesteigerung bildbasierter Inspektionsprozesse im automatisierten Faserverbundleichtbau. - Ilmenau. - 136 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Der Einsatz von automatisierten Faserlegeprozessen in der Luft- und Raumfahrtindustrie hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Prominente Anwendungsbeispiele für die automatisierte Fertigung von großflächigen Bauteilen aus Kohlefaserverbundswerkstoffen sind der A380 oder die B787. Dabei wird in der Qualitätssicherung zunehmend auch maschinelles Lernen in bildbasierten Inspektionsprozessen eingesetzt, um Herstellungskosten und Fertigungsdauer zu verringern. Ein solches Qualitätssicherungssystem (QSS) ist in der Großbauteile in Fiber Placement Technologie-Forschungsplattform des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt realisiert, an der der automatisierte Faserverbundleichtbau und bildbasierte Inspektionsprozess in großem Maßstab erforscht wird. Transparenz des Inspektionsprozesses und Vertrauen in das QSS sind grundlegende Voraussetzungen für dessen Verwendung. Um das Verhalten des maschinellen Lernens in der Anwendung nachvollziehbar zu gestalten, ist auf dem Gebiet der Explainable Artificial Intelligence eine Vielzahl neuer Verfahren hervorgebracht worden. In dieser Bachelorarbeit sind solche Erklärbarkeitsverfahren für eine Support Vector Machine und ein Convolutional Neural Network am Beispiel von Höhenprofilscans von typischen Faserlegefehlern aus dem Faserlegeprozess betrachtet worden. Dahingehend ist eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt worden. Anhand von Kriterien aus der Literatur ist eine Auswahl für den Anwendungsfall geeigneter dekompositorische und pädagogische Erklärbarkeitsverfahren herausgearbeitet worden. Zur Untersuchung der Erklärbarkeit einer SVM ist zuerst ein für die vorliegenden Bilddaten geeigneter Merkmalsraum ermittelt worden. Anschließend ist die Eignung der Erklärbarkeitsverfahren empirisch validiert worden. Zudem sind die Erklärbarkeitsverfahren vor dem Hintergrund der Performancesteigerung und der Steigerung der Transparenz des QSS untersucht worden. Es konnte eine algorithmische Transparenz der SVM für vier der sechs Klassen mit dem pädagogischen Verfahren TREPAN hergestellt werden, während das dekompositorische Verfahren RulExSVM durch ungenügende Treue gegenüber der SVM als ungeeignet bewertet wurde. Die Erklärungen der Verfahren smooth Integrated Gradients, Guided Grad-CAM und DeepSHAP beinhalten Information über zur Klassifikation wichtige Bildpunkte. Sie erlauben damit Schlussfolgerungen über das Verhalten des CNNs. Es wurden zudem in Versuchen potenzielle systematische Unzulänglichkeiten des untersuchten CNNs identifiziert.



Bonilla Vergara, Miguel Angel;
Direction finding on Bluetooth Low Energy 5.1. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Lokalisierungsdienste können in Proximity-Lösungen und Positionierungssysteme unterteilt werden. Proximity-Lösungen werden verwendet, um zu bestimmen, wie nah zwei Geräte aneinander. Positionierungssysteme hingegen werden verwendet, um den physischen Standort von Geräten zu bestimmen. Zu den allgemeinen Anwendungsfällen für Positionierungssysteme gehören Real Time Location Systems (RTLS) Applications. RTLS in Anwendungen wie Personen- oder Asset-Tracking eingesetzt. Für das vorliegende Projekt ist die gewählte Anwendung die Verfolgung von Assets in einem Lagerhaus. In diesem Zusammenhang könnte BLE 5.1 eine effiziente Lokalisierungsmethode für Innenräume bieten, die auf zwei verschiedenen Richtungsfindungs-Techniken Angle of Arrival (AoA) oder Angle of Departure (AoD) basiert. Für die aktuelle Arbeit wurde die Technik AoA ausgewählt, da sie für die gewählte Anwendung Assets Tracking in einem Lagerhaus besser geeignet ist, da die Tags einfach gehalten sein sollten und die Locators die schwere DoA-Verarbeitung durchführen sollten. Zusätzlich werden MUSIC und 2D-Unitary ESPRIT als DoA-Algorithmen für die entsprechende Implementierung und den Vergleich ausgewählt. Der größte Teil der derzeitigen Forschung zur Richtungsfindung bei BLE 5.1 konzentriert sich auf Uniform Linear Arrays (ULA), bei denen nur die Schätzung der Azimutwinkel möglich ist. Daher besteht der Beitrag des vorliegenden Projekts in der Evaluierung und Implementierung eines BLE 5.1-Peilsystems, das mit realen Referenzmessungen und einem anderen Peilsystem verglichen werden soll, wie es von der AoA-Lösung von Silicon Labs für Uniform Rectangular Array (URA) implementiert wurde, bei dem die Schätzung der Azimut- und Elevationswinkel möglich ist. Um diese Aufgabe zu erfüllen, werden in der vorliegenden Arbeit zunächst die Grundlagen von BLE 5.1 und DoA vorgestellt. Dann wird eine Implementierung des Direction Finding Systems vorgeschlagen, wobei alle Schritte vor der Winkelschätzung beschrieben werden. Als nächstes wird die Entwicklung eines Testbeds für die entsprechende Evaluierung des vorgeschlagenen Systems mit realen Referenzmessungen und der AoALösung von Silicon Labs vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden die experimentellen Ergebnisse des Testbeds vorgestellt. Abschließend werden die Schlussfolgerungen über ein neuartiges Direction Finding System für BLE 5.1 basierend auf den experimentellen Ergebnissen gezogen.



Shen, Shikai;
Investigation and evaluation of different channel models for wireless communication. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Bei der Untersuchung von drahtlosen Kanalmodellen oder anderen Kommunikationsprotokollen können die benötigten Leistungsparameter schnell durch Simulation ermittelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Leistung verschiedener drahtloser Kanalmodelle in der Simulation zu untersuchen und die Differenz zwischen Simulation und tatsächlichen Messungen zu vergleichen. Es werden vier Szenarien entworfen, um die Signalübertragung unter Verwendung dieser drahtlosen Kanalmodelle in den entsprechenden Szenarien zu simulieren. Die Variation der empfangenen Signalleistung über die Entfernung wird dann beobachtet und die Leistungsunterschiede zwischen diesen Modellen werden verglichen. Schließlich wird der Received Signal Strength Indicator (RSSI) der Geräte, die das WiFi-Netzwerk nutzen, in einem realen Szenario zum Vergleich mit den simulierten Daten gemessen, um die Leistung weiter zu bewerten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass das gewählte Funkkanalmodell den Zustand des Funkkanals gut wiedergibt, obwohl es einige kleine Abweichungen von der praktischen Situation gibt.



Jahanbakhshi, Sajjad;
Preventing denial of service attacks on Internet of Things devices. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) bietet Bürgern, Organisationen und Unternehmen erhebliche Vorteile, und im Allgemeinen wird die Lebensqualität erheblich verbessert. Diese positiven Auswirkungen sind jedoch durch schwerwiegende Cybersicherheitsprobleme bedroht. Aufgrund der eingeschränkten Ressourcen auf IoT-Geräten können sie in den meisten Fällen nicht die Vorteile einer starken Sicherheit nutzen, die dazu führt, dass gefährdete Geräte als Angriffsquellen oder als Angriffsziele ausgewählt werden. Einige Beispiele für diese Angriffe sind Mirai, BrickBot und BASHLITE, die in IoT-Netzwerken weit verbreitet sind. In der IoT-Umgebung sind Publish/Subscribebasierte Protokolle von Interesse, und unter diesen Protokollen ist MQTT aufgrund seiner zahlreichen positiven Aspekte eines der beliebtesten. In dieser Arbeit wird das Protokoll MQTT in einem SDN-Netzwerk verwendet. DoS-Angriffe in Netzwerk-, Transportund Anwendungsebenen werden im IoT-MQTT-Netzwerk angewendet. In der Netzwerkund Transportschicht werden bekannte Flooding-Angriffe implementiert und für die Anwendungsschicht werden MQTT-basierte DoS-Angriffe entworfen und bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein entropiebasiertes Erkennungsframework vorgeschlagen, um die Angriffsquelle zu erkennen. Plaintext- und TLS -Authentifizierungsmethoden werden verwendet, um die Clientauthentifizierung zu sichern. Angriffstypen werden für beide Authentifizierungen ausgeführt, und das vorgeschlagene Erkennungsframework wird auch gegen diese Angriffe bewertet. Der Angriffseffekt wird für beide Authentifizierungsszenarien berücksichtigt. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass unser Erkennungsmodul die Angriffspräsenz unmittelbar nach dem Start erkennen kann.



Olimzoda, Abdumumin;
Olfactory data analysis based on coupled CP decomposition of EEG-MEG signals. - Ilmenau. - 139 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In dieser Arbeit untersuchen wir die Reaktion des Gehirns auf eine olfaktorische Stimulation in zeitlichen, räumlichen und Frequenzbereichen. Alle Teilnehmer haben einen normalen Geruchssinn und die Signale des Gehirns wurden gleichzeitig mittels Elektroenzephalogramm (EEG) und Magnetoenzephalogramm (MEG) aufgezeichnet. Die Zeit-Frequenz-Charakteristiken jeder Elektrode wurden mittels Morlet-Wavelet berechnet und mit Hilfe der Tensor-Zerlegungsmethode wurden starke Komponenten, d.h. physiologisch bedeutsame Oszillationen, aus den mehrdimensionalen Daten extrahiert. In der Studie wurden die Daten von 19 gesunden Probanden (männlich und weiblich) im Altersbereich zwischen 50-70 Jahren verwendet. Die bioelektrischen Signale wurden zusammen mit 60 Kanälen EEG und 306 Kanälen Ganzkopf-MEG-System von Elektra Neuromag gemessen. Als stimulierender Geruch wurde Phenylethylalkohol (PEA) verwendet. In der Vorverarbeitung wurden die Signale von externem Rauschen und elektrischen Störungen gefiltert, über alle Einzelstimulationen gemittelt und von schlechten Kanälen (d.h. Artefakten) entfernt. Für die Zeit-Frequenz-Analyse (TFA) der Kanäle verwendeten wir das Morlet-Wavelet. Um die internen Beziehungen und die Struktur der Signale zu identifizieren sowie die Dimensionalität der Daten für die anschließende Analyse zu reduzieren, haben wir die Tensor-basierte Signalverarbeitung angewendet. Um die Ordnung des Modells zu bestimmen, wurde eine neuartige Methode getestet, die auf der Analyse der globalen Eigenwerte basiert. Als Tensor-Dekompositionen untersuchen wir die Kanonische Polyadische Dekomposition (CPD) unter Verwendung des SECSI (Semi-Algebraic framework for approximate CP decomposition via SImultaneous matrix diagonalization) Frameworks. Außerdem analysieren wir gemeinsam Signale mit der gekoppelten CPD unter Verwendung einer Erweiterung des SECSI-Frameworks.



Gawand, Atul;
Iterative reconstruction for ultrasound tomography in non-destructive testing. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit Ultraschall von Prüfobjekten mit komplexer Geometrie. Die Untersuchung derartiger Prüfobjekte ist eine Herausforderung. Eine mögliche Herangehensweise für die Bildgebung ist die Handprüfung mit flexiblen Ultraschallarrays, die jedoch häufig zu Fehlern durch bspw. Lufteinschlüsse führen. Eine Alternative ist die Nutzung von Ultraschalltomographie (UT), welche in der medizinischen Bildgebung für die Abbildung weicher Gewebe genutzt wird. Die Anwendung dieser Technologie für ZfP ist jedoch aufgrund der deutlich größeren Schallgeschwindigkeitsvariation nicht ohne Weiteres möglich. In Folge dessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der Untersuchung der Umsetzbarkeit einer solchen Messmethode für ZfP, welche es erlauben würde, komplexe Prüfkörper ohne Vorwissen automatisiert zu prüfen. Hierfür soll das Prüfobjekt in einer kreisförmigen Apertur platziert werden. Die Rekonstruktion wird in zwei Schritten mit der Total Focusing Method (TFM) durchgeführt. Im ersten Schritt wird die Außenkontur des Prüfkörpers ermittelt, im zweiten wird eine Abbildung des Innenlebens erreicht. Für den zweiten Schritt ist eine Schätzung der Kontur und Lage des Prüfkörpers notwendig, die über einen Autofocusing-Algorithmus erreicht wird. Diese Vorgehensweise wird für verschiedene Materialien und Einstellungen evaluiert. Es wird beobachtet, dass die Schallgeschwindigkeitsunterschiede zwischen Koppelmittel und Objekt eine entscheidende Rolle spielen. Weiterhin wird gezeigt, dass kleine Schätzfehler der Kontur zu großen Abbildungsfehlern führen. Eine Lösung für das Erreichen einer guten Abbildungsqualität wird diskutiert. Die Arbeit liefert erste Untersuchungen und Grundlagen für die weitere Entwicklung von UT für die ZfP.



Al Kurdi, Abdul Rahman;
An efficient off-grid compressed sensing method for DoA estimation. - Ilmenau. - 37 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

In den letzten Jahren wurden mehrere auf komprimierter Erfassung "Compressed Sensing (CS)" basierende Methoden zur Schätzung der Empfangsrichtung "direction-of-arrival (DoA)" vorgeschlagen. Die meisten davon leiden jedoch unter der Gitterfehlanpassung "grid mismatch" aufgrund der Diskretisierung (Abtastung) des kontinuierlichen Winkelbereichs. Obwohl einige existierende CS-basierte Methoden ein solches Problem vermeiden können, indem sie die DoA-Parameter direkt aus dem kontinuierlichen Winkelbereich schätzen, leiden sie unter einer hohen Rechenkomplexität und haben daher nur begrenzte Anwendungen in der Praxis. In dieser Arbeit schlagen wir eine neue CS-basierte Methode vor, die als Gradient Orthogonal Matching Pursuit (GOMP) bezeichnet wird. Konkret approximieren wir zunächst die Lenkvektoren unter Verwendung der Taylorreihe erster Ordnung. Auf diese Weise wird jeder Lenkvektor zu einer Funktion eines approximierten Winkels (On-Grid) und eines Phasenfehlers, der den Abtastfehler zwischen dem wahren und dem approximierten Winkel erfasst. Zu diesem Zweck wird das Off-Grid-DoA-Schätzungsproblem für jedes Quellsignal in zwei Teilprobleme aufgeteilt: Eines zur Schätzung des besten On-Grid-Winkels und ein weiteres zur Schätzung des Phasenfehlers. Um das erste Problem zu lösen, verwenden wir die bekannte On-Grid-Schätzungsmethode "Orthogonal Matching Pursuit (OMP)". Auf der anderen Seite schlagen wir zur Lösung des zweiten Problems eine neuartige iterative Methode vor, die auf dem Gradientenverfahren basiert, das eine monotone und schnelle Konvergenzrate hat. Es werden numerische Beispiele durchgeführt, um die Effektivität der vorgeschlagenen GOMP-Methode zu beweisen. Insbesondere wird gezeigt, dass GOMP eine hohe Schätzgenauigkeit auch in schwierigen Szenarien hat, z.B. bei niedrigem Signal- Rausch-Verhältnis und kleiner Anzahl von Momentaufnahmen. Darüber hinaus wird nachgewiesen, dass GOMP eine höhere Stabilität gegenüber verschiedenen Systemparametern aufweist als die State-of-the-Art-Methoden.



Spira, Steffen; Blau, Kurt; Thomä, Reiner; Hein, Matthias
5G mm-wave over-the-air measurements of an agile multi-beam front-end. - In: 2020 50th European Microwave Conference, (2021), S. 153-156

A millimeter wave agile multi-beam front-end with an integrated 4 by 1 antenna array for 5th generation wireless communications is analyzed by antenna and digital communication measurements. The front-end core comprises a compact low-temperature co-fired ceramic multilayer module with a foot-print area of 74 mm × 74 mm. An over-the-air gain of 50.4 dB and a noise figure of 4.9 dB were measured. Link measurements with broadband single-carrier QAM and OFDM signals result in a data rate of 3.2 Gb/s for 400 MHz bandwidth SC-256QAM modulation with 1.2% error vector magnitude of the front-end determined by a detailed analysis.



https://doi.org/10.23919/EuMC48046.2021.9338199
You, Luhua;
A hardware-efficient hybrid analog-digital beamforming structure for millimeter wave systems. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

In Millimeterwellen (mmWave)-Systemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) wurden hybride analog-digitale (HAD) Strahlformungsarchitekturen als wirtschaftliche und effiziente Lösung eingeführt, da sie den Stromverbrauch senken können, indem die erforderliche Anzahl von Hochfrequenzketten (RF) reduziert wird. Im Vergleich zu den vollständig verbundenen (FC) HAD Strahlformungsarchitekturen reduzieren die unterverbundenen (SC) Architekturen die Anzahl der erforderlichen Phasenschieber erheblich, indem jede RF-Kette mit einer Teilmenge von Antennenelementen verbunden wird. Daher sind SC Architekturen praktischer als FC Architekturen. Währenddessen kann die auf Subarrays (SA) basierende Verarbeitungsstrategie, bei der jeder Datenstrom unter Verwendung einer einzelnen RF-Kette verarbeitet wird, die Komplexität der Basisbandverarbeitung weiter reduzieren und erfordert einen geringeren Stromverbrauch im Vergleich zur auf Vollarrays (FA) basierenden Verarbeitung. Daher wird in dieser Arbeit eine hardwareeffiziente SC-Struktur mit SA-basierter Verarbeitungsstrategie für mmWave-MIMO-Systeme betrachtet. In dieser Arbeit werden zwei Algorithmen vorgeschlagen, nämlich ein HAD-Vorcodierungsdesign basierend auf der Ratenmaximierung für FA-FC- und FA-SC-Strukturen und ein HAD-Zero-Forcing-Vorcodierungsdesign für SA-SC-Strukturen. Beide vorgeschlagenen Schemata sind für Einzelbenutzer (SU)- und Mehrbenutzer (MU)-MIMO-Systeme anwendbar. Die Leistung der vorgeschlagenen HAD-Strahlformungsstrukturen wird im Hinblick auf die spektrale Effizienz (SE) und die Energieeffizienz (EE) mit anderen HAD-Strahlformungslösungen verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen dass im SU-Fällen die SA-SC-Struktur eine zufriedenstellende SE erzielen kann, jedoch eine höhere EE als die FC- und FD-Strukturen aufweist. Im MU-Fällen, es erreicht jedoch nicht nur eine niedrigere SE, sondern auch eine niedrigere EE aufgrund begrenzter Array-Gewinne und Verlust von Freiheitsgraden. Im Gegensatz dazu kann gemäß dem angewandten Stromverbrauchsmodell in einigen Szenarien die FD-Struktur die HAD-Strukturen in Bezug auf SE und EE übertreffen.



Vasan, Sneha;
Location based resource allocation for V2X communication . - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation spielt eine sehr wichtige Rolle für die Zukunft der autonomen Kommunikation, die die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Infrastruktur, Netzwerk und Fußgänger ermöglicht. Sidelink-Übertragungen im autonomen Modus ermöglichen dem Fahrzeug eine direkte Kommunikation ohne Basisstation für Anwendungsfälle der öffentlichen Sicherheit. Generation (5G) ist die Weiterentwicklung von Long Term Evolution (LTE), die fortschrittliche Anwendungsfälle und verschiedene Dienste mit strengen Anforderungen an Latenz, Zuverlässigkeit und Unterstützung hoher Datenraten unterstützt. Um diese strengen Anforderungen für autonomes Fahren zu unterstützen, ist ein effizientes Ressourcenzuweisungsschema erforderlich. New Radio (NR) verwendet eine auf LTE basierende Ressourcenzuweisung, bei der die Benutzergeräte (UE) den Kanal kontinuierlich abtasten, um die freien Ressourcen für die Übertragung zu erkennen. Obwohl die Erkennung eine bessere Zuverlässigkeit als die zufällige Zuweisung bietet, benötigen wir einen zuverlässigen Mechanismus, um der hochmobilen Umgebung auf der Autobahn gerecht zu werden. Die standortbasierte Ressourcenzuweisung wurde in LTE-V2X als optionale Funktion zur Unterstützung der Ressourcenzuweisung eingeführt. Jetzt, mit NR-V2X, das verschiedene Cast-Typen unterstützt, d.h. Broadcast, Groupcast und Unicast, kann untersucht werden, ob die standortbasierte Ressourcenzuweisung eine praktikable Option ist oder nicht. Daher verwenden wir in dieser Arbeit die standortbasierte Ressourcenzuweisung mit Sensing für Broadcast und Groupcast, um die Auswirkungen der standortbasierten Aufteilung des Ressourcenpools zu analysieren. Zusätzlich werden die Auswirkungen verschiedener Parameter wie unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten, Zonengröße und Quality of Service (QoS) untersucht.



Buddappagari, Sreehari; Asghar, Muhammad Ehtisham; Baumgärtner, Florian; Graf, Sven; Kreutz, Felix; Löffler, Andreas; Nagel, Johannes; Reichmann, T.; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Over-the-air vehicle-in-the-loop test system for installed-performance evaluation of automotive radar systems in a virtual environment. - In: 2020 17th European Radar Conference, (2021), S. 278-281

Automotive millimeter-wave radar systems are key to automated and connected driving technologies. It is necessary to validate their functional performance in the installed state thoroughly, reliably, and efficiently under realistic conditions before deploying them in real-world traffic. Field-operational tests are the ultimate phase of verification and validation of radar sensors. This approach offers the highest degree of realism yet consuming enormous resources and associated risks. Additionally, these drive tests are neither sufficiently reproducible nor controllable. On the other hand, computer simulation-based closed-loop test approaches overcome these limitations, but lack physically realistic environments. Therefore, over-the-air testing approaches have gained great relevance in this context. In earlier work, we proposed an advanced system concept using an over-the-air vehicle-in-the-loop (OTA/ViL) approach for evaluating the installed performance of fully operational automotive radar systems. In this paper, we present the complete test system in a closed loop in a virtual electromagnetic environment with realistic radar target echoes. An exemplary traffic scenario is considered to validate the performance of the implemented test system. Initial measurements provide promising results.



https://doi.org/10.1109/EuRAD48048.2021.00078
Asghar, Muhammad Ehtisham; Buddappagari, Sreehari; Baumgärtner, Florian; Graf, Sven; Kreutz, Felix; Löffler, Andreas; Nagel, Johannes; Reichmann, T.; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Radar target simulator and antenna positioner for real-time over-the-air stimulation of automotive radar systems. - In: 2020 17th European Radar Conference, (2021), S. 95-98

Automotive radar systems in automobiles are key for automated and connected driving. Conventionally, functional tests and safety validation of automotive radar systems are carried out in field-operational tests, but are very resource-expensive and they offer neither reproducibility nor reliability. To improve efficiency and reliability, though at the expense of a partial loss of realism, a controlled test environment is required in which repeatability is guaranteed. We proposed previously a system concept for over-the-air testing of radar systems with a vehicle-in-the-loop approach in a virtual environment. For the test in a controlled environment, a realistic simulation of the radar scenario-under-test is necessary. Technological achievements in hardware, software, and computational power have made powerful radar target simulators and real-time capable control computers available. However, for the spatial degrees-of-freedom, which are key to emulate relevant test cases with dynamic evolution in the virtual environment, the illumination antennas of the radar target simulator must be positioned with high speed, accuracy, and over sufficient angular ranges. This paper describes our hybrid electronic-mechanical antenna positioner, offering three motional degrees-of-freedom. Initial trials with a modern commercially available automotive radar installed in a passenger car are presented and they indicate very promising results.



https://doi.org/10.1109/EuRAD48048.2021.00035
Chavez, Jhohan; Ziolkowski, Marek; Schorr, Philipp; Spieß, Lothar; Böhm, Valter; Zimmermann, Klaus
A method to approach constant isotropic permeabilities and demagnetization factors of magneto-rheological elastomers. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 527 (2021), 167742

The use of non-conventional materials is nowadays of much interest in scientific community. Magneto-rheological elastomers are hybrid materials, which in presence of magnetic fields state a change in their mechanical properties. They are composed by an elastomeric matrix with embedded magnetic particles. One of the most attractive features of these materials is that as soon as the magnetic field is removed from the material, the original mechanical properties are completely recovered, with negligible differences in comparison to the original state. This paper focuses on the study of magnetic characteristics of these smart materials, such as relative permeability and demagnetizing factors, for samples with different volume concentration of ferromagnetic particles.



https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.167742
Deram, Sai Pavan;
Compressed sensing methods for high-resolution multi-dimensional parameter estimation. - Ilmenau. - 103 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Schätzung der Ankunftsrichtung (DOA) aus einer Mischung verrauschter Sinuskurven ist ein wichtiges Problem in der Array-Signalverarbeitung und findet in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft Anwendung. In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Methoden zur DOA-Schätzung vorgeschlagen. Die meisten der bekannten Methoden beinhalten entweder eine umfangreiche Spektrumsuche oder eine Unterraumschätzung. Aufgrund ihrer Einfachheit und der Fähigkeit, hochauflösende Schätzungen zu erzeugen, haben sich Unterraumverfahren wie ESPRIT, Unitary ESPRIT und ihre Varianten für die Parameterschätzung durchgesetzt. Andererseits wurde bewiesen, dass dünn besetzte Rekonstruktionsverfahren, z.B. Compressed Sensing (CS), die Unterraummethoden in anspruchsvollen Szenarien, wie z.B. bei niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis, einer geringen Anzahl von Messungen und stark korrelierten Signalen, übertreffen können. Die meisten der bestehenden CS-basierten Methoden leiden jedoch unter Quantisierungsfehlern, da sie in der Rekonstruktionsphase ein Wörterbuch mit endlicher Auflösung verwenden, das den kontinuierlichen Bereich in mehrere bekannte Rasterpunkte abtastet. Obwohl einige existierende CS-basierte Methoden ein solches Problem vermeiden können, indem sie die DOA-Parameter direkt aus dem kontinuierlichen Bereich schätzen, sind sie unpraktisch, da sie unter einer hohen Rechenkomplexität leiden. In dieser Arbeit identifizieren wir zunächst drei Forschungsprobleme und schlagen neuartige Methoden vor, um sie zu lösen. Zunächst schlagen wir eine CS-basierte DOA-Schätzmethode für zweidimensionale (2-D) Systeme vor, die eine hochauflösende Schätzung und eine geringe Rechenkomplexität aufweist. Die vorgeschlagene Methode enthält zwei Stufen: eine spärliche Approximationsstufe und eine Verfeinerungsstufe. In der ersten Stufe verwenden wir eine spärliche Kodierungsmethode mit einem Wörterbuch mit endlicher Auflösung, um eine Annäherung der System-DOA-Parameter zu erhalten. In der zweiten Phase verfeinern wir die approximierten DOA-Parameter aus der ersten Phase mit einer vorgeschlagenen 2-D-Newton-basierten Methode, nachdem wir die erforderlichen analytischen Ausdrücke hergeleitet haben. Zweitens betrachten wir das 2-D DOA-Schätzproblem unter teilweise kalibrierten rechteckigen Arrays, das die Schwierigkeit der Kalibrierung eines massiven Arrays überwindet, indem es in mehrere kleinere Subarrays unterteilt wird, die einfacher zu kalibrieren sind. Dazu betrachten wir zunächst die Unterraum-ESPRIT-basierten Methoden und leiten die zugrundeliegenden Verschiebungs-Varianz-Gleichungen ab. Danach schlagen wir eine rasterlose 2-D CS-basierte Methode zur Schätzung der DOA-Parameter vor. Darüber hinaus erweitern wir die vorgeschlagenen Methoden auf Szenarien, in denen die Quellensignale strikte Nicht-Zirkularität aufweisen, was dazu genutzt werden kann, die Array-Größe praktisch zu verdoppeln, um die Schätzleistung zu verbessern und die Anzahl der auflösbaren Quellen zu erhöhen. Schließlich betrachten wir das Problem der Kanalschätzung in Millimeterwellen- (mmWave) Massive-MIMO-Systemen. Unter Ausnutzung der Low-Rank-Natur der mmWave-Kanäle transformieren wir das Problem in ein DOA-Schätzproblem und schlagen eine zweistufige hochauflösende Methode vor, die die Vorteile der CS-basierten und der Subraum-DFT-Strahlraum-ESPRIT-basierten Methoden kombiniert. Die erste Stufe ist ähnlich wie im ersten Beitrag, wo wir eine Sparse-Coding-Methode mit einem endlich auflösenden Wörterbuch verwenden, um eine Approximation der DOA-Parameter zu erhalten, die dann zur Identifizierung der Sektoren von Interesse und zur Auswahl der Trainingsstrahlen aus einer normalisierten DFT-Matrix verwendet werden. In der zweiten Stufe, nach dem Training des Kanals mit den ausgewählten Strahlen, wird die bekannte DFT-Strahlraum-ESPRIT-Methode verwendet, um eine hochauflösende DOA-Schätzung zu erhalten. Detaillierte Simulationsergebnisse werden bereitgestellt, um die Effektivität der vorgeschlagenen Methoden im Vergleich zu Benchmark-Methoden zu zeigen.



Djuitcheu Deumeni, Hubert Gael;
Leistungsbewertung und Vergleich der Stabilität von drahtlosen Sensornetzen mit unterschiedlichen Betriebssystemen. - Ilmenau. - 98 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Wahl eines Betriebssystems für das Internet of things (IoT) oder ein drahtloses Sensornetzwerk ist keine leichte Aufgabe, da nicht alle auf dem Markt erhältlichen Betriebssysteme für den Einsatz im industriellen Umfeld geeignet sind. Die vorliegende Arbeit untersucht und bewertet daher die Leistungsparameter des kommerziellen Betriebssystems MiraOS sowie des Open-Source Betriebssystems RIOT OS. Die Arbeit definiert die grundlegenden Konzepte und industriellen Anwendungen und deren Anforderungen und legt anschließend Methoden zum Aufbau einer industrienahen Testumgebung fest, um verschiedene Leistungsparameter, wie z.B. die Übertragungsweite, der Energieverbrauch und Signalqualität, der beiden Betriebssysteme zu testen. Der Einfluss von in MiraOS unterstützten Rates auf den Energieverbrauch wurde ebenfalls untersucht. Die erzielten Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass eine unzureichende Hardwareunterstützung zu einer schlechten Leistungsbewertung des jeweiligen Betriebssystems führen kann. Der nrf52840dongle wird z.B. schlecht in RIOT OS unterstützt, zeigt aber kein Problem in MiraOS. Außerdem implementieren beide Betriebssysteme bei Kollisionen oder Netzwerkstörungen unterschiedliche Paketwiederholungsmechanismen. All dies erlaubt keinen logischen Vergleich beider Betriebssysteme, aber die Ergebnisse dieser Arbeit geben Hinweise zur Optimierung der Leistungsparameter in beiden Betriebssystemen.



Ravichandran, Lavanya;
Radio resource selection for aperiodic traffic applications in 5G NR V2X communications. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Mit der V2X-Kommunikation (Vehicle-to-Everything) können Fahrzeuge, Fußgänger und Infrastruktureinrichtungen miteinander kommunizieren. Die autonome Kommunikation zwischen zwei Benutzergeräten (UEs) erfolgt ohne ein direktes Signal von der Basisstation über ein 3GPP-Nebenverbindungsübertragungen die hauptsächlich für die öffentliche Sicherheit und für V2X-Dienste (Vehicle-to-Everything) verwendet wurden. Die Entwicklung von Nebenverbindungsübertragungen von LTE-A (Long-Term-Evolution) wird in 3GPP New Radio (NR) fortgesetzt, das darauf abzielt, niedrige Latenz, hohe Zuverlässigkeit und hohe V2X-Dienste für fortgeschrittene Fahranwendungsfälle anzubieten. Sicherheitsbezogene Kommunikation können periodische und aperiodische Nachrichten sein. Die erfordern eine hohe Zuverlässigkeit und einen Service mit geringer Latenz. Um solche Dienste direkt innerhalb Benutzern bereitzustellen, d.h. ein geeigneter Mechanismus zur gemeinsamen Nutzung von Ressourcen musste in einer autonomen Situation ohne die Hilfe von einer zellularen Infrastruktur eingebaut werden. Das 5G NR verwendet einen auf LTE basierenden sensorgestützten Mechanismus, der den Kanal nach freien Ressourcen erkennt, die zukünftigen Ressourcen anhand der vorherigen Daten vorhersagt und dann die Nachrichten sendet, ähnlich zum Listen-Vorgespräch (LBT). Allerdings verschlechtert dieser Mechanismus den Stromverbrauch der Geräte des Benutzers, da ein Großteil der Leistung des Geräts zur Erfassung des Kanals verwendet wird. Daher ist es nicht hilfreich für Leistungsverbrauch abhängige Geräte (z.B. Fußgänger). Daher wird ein neuartiger Mechanismus zur gemeinsamen Nutzung von Ressourcen eingeführt, der mit dem vorhandenen Modell verglichen wird. Außerdem bieten die vorliegenden 3GPP-Standards keine separate QoS (Quality-of-Service) basiert auf den Datentypen, insbesondere basiert auf periodischen und aperiodischen Nachrichten. Hier wird aperiodischen Nachrichten eine größere Bedeutung beigemessen als periodischen Nachrichten, da sie hauptsächlich für Nachrichten zur öffentlichen Sicherheit verwendet werden. Und das Problem anzugehen, um eine hohe Zuverlässigkeit und geringe Latenz zu gewährleisten, hauptsächlich für aperiodische Nachrichten.



Strama, Kay;
Untersuchung der Einsetzbarkeit von WLAN-Kommunikation unter Wasser. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Da elektromagnetische Wellen unter Wasser bereits nach sehr kurzer Entfernung absorbiert werden, kann zum Beispiel eine Wireless Local Area Network (WLAN) Verbindung nicht für die Kommunikation von Unterwasserfahrzeugen über große Entfernungen, sondern allenfalls für kurze Distanzen verwendet werden. Ein möglicher Einsatzzweck für diese Kommunikationsform ist eine Dockingstation, die zur Übermittlung von Daten eines Unterwasserfahrzeugs benutzt wird. Dadurch kann auf ein zeit- und energieaufwändiges Auf- und Abtauchen verzichtet werden. In dieser Bachelorarbeit werden zuerst, anhand der theoretischen Eigenschaften von elektromagnetischen Wellen in Wasser, die Möglichkeiten einer kabellosen Kommunikation unter Wasser abgeschätzt. Anschließend wird in praktischen Versuchen untersucht, inwieweit eine WLAN-Kommunikation unter Wasser bezüglich Reichweite, Datenrate und Stabilität möglich ist. Weiterhin wird untersucht, ob der Sendebereich eventuell durch WLAN-Repeater vergrößert werden kann. Diese Ergebnisse werden schließlich unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus der Theorie bewertet.



Ndremaninazafy, Refana Houssen Alfredo;
A framework for UAV-to-UAV communication for master-slave UAV model. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) haben in den letzten Jahren sowohl im öffentlichen als auch im zivilen Bereich eine bedeutende Popularität erlangt. UAVs sind besonders nützlich in Anwendungen, in denen Menschenleben sonst gefährdet wären, z. B. beim Sammeln von Daten in abgelegenen und unzugänglichen Gebieten. UAVs mit verschiedenen Sensoren können verwendet werden, um dieses Ziel zu erreichen. Solche Sensoren können verschiedene Kameratypen, chemische Sensoren, Temperatursensoren umfassen. UAVs weisen jedoch aufgrund ihrer Größe Einschränkungen auf. Daher ist die Ausstattung eines UAV mit allen Sensoren möglicherweise nicht effizient. Mit verschiedenen Sensoren ausgestattete Multi-UAV-Systeme können verwendet werden, um Missionen gemeinsam effizienter und wirtschaftlicher abzuschließen als einzelne UAV-Systeme. Dies ist die sogenannte kooperative Kontrolle von UAV-Gruppen oder Schwärmen von UAVs. Die bestehende UAV-zu-UAV-Kommunikation konzentriert sich mehr auf die Erweiterung des MAVLink-Protokolls (Micro Aerial Vehicle Link) für die Kommunikation zwischen GCS und UAVs. Angesichts der kontinuierlichen Verbesserung der UAV-Autonomie und des UAV sowie der Komplexität der Missionen ist eine zentralisierte UAV-Organisation allein in vielen Anwendungsfällen nicht die beste Wahl. Um dieses Problem anzugehen, wird ein Framework für die UAV-zu-UAV-Kommunikation basierend auf MAVLink vorgeschlagen. Es reduziert die erforderlichen Arbeitsstunden, um jedes UAV-Mitglied einer Schwarmmission zu verwalten und die Problemabdeckung von GCS zu lösen. In dieser Forschungsarbeit wird ein UAV-Cluster mit dem Master-Slave-Modus unter Verwendung der Pymavlink-Python-Implementierung des MAVLink-Protokolls entworfen und implementiert. Im Fall eines Master-Slave-Modells fliegen UAVs im Rahmen einer einzelnen Mission in einem Cluster zusammen. Die Mission umfasst ein Master-UAV, das vom Piloten über die QGroundControl Station (QGC) betrieben wird, und mehrere Slave-UAVs, die vom Master-UAV gesteuert werden. Die Implementierung und Simulation des Frameworks erfolgt mit PX4, QGC und dem Robotersimulator Gazebo. Schließlich wird das Framework bewertet, indem die Round-Trip-Zeit (RTT) zwischen Clusterknoten berechnet wird. Es wird eine Zeit angegeben, die für die Ausführung eines Befehls durch UAVs benötigt wird.



Schilling, Martin;
Skalierbares System zur Übertragung von Daten gemäß Sicherheitsintegritätslevel 4 (SIL-4) über unsichere Verbindungen. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Konzept einer "Sicheren Daten übertragungseinrichtung" (SDÜE) über unsichere, öffentlich zugängliche Verbindungen im bahntechnischen Umfeld. Die Signale, welche dabei übertragen werden, stammen von höchst sicherheitsrelevanten Systemen. Um diese Signale auf einem Feldbus zu übertragen, werden im Rahmen dieser Arbeit "SIL Net Gates" (SNG) entworfen und prototypisch realisiert. Durch eine Anordnung aus 2 SNGs wird eine logische Verbindung hergestellt. Ein Signal, welches an einem Eingang eines SNGs anliegt, wird auf einem korrespondierenden SNG als Ausgang wieder ausgegeben. Die prototypische Anwendung inklusive Software wird unter Berücksichtigung grundlegender Anforderungen der entsprechenden Normenreihe CENELEC EN 5012X entworfen und implementiert. Die Implementierung eines sicheren Kommunikationsprotokolls und der Entwurf entsprechender zusätzlicher Sicherungsfunktionen werden ebenfalls behandelt. Am Ende steht die prototypische Umsetzung einer sicheren Kommunikationslinie.



Ehrhardt, Yassin;
Vergleich und Leistungsbewertung von Konzepten zur Realisierung NB-IoT-basierter Sensornetzwerke. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der konzeptionellen Erstellung von Topologien zur Realisierung NB-IoT-basierter Sensornetzwerke und dem Vergleich dieser, speziell für eine spätere Anwendung im Mikroklimamonitoringbereich. Dabei liegt der Hauptfokus auf der Betrachtung des entstehenden Datenaufkommens bei der Verwendung unterschiedlicher Funktechnologien. Hierbei kommen NB-IoT und IEEE 802.15.4 in Verbindung mit 6LoWPAN zum Einsatz. Insbesondere die Protokollstapel dieser, sowie die Zusammensetzung des Overheads finden hier Beachtung. Des Weiteren wird der aktuelle Stand der Technik mit derzeitigen Anwendungsfällen von NB-IoT betrachtet und grundlegende Eigenschaften beleuchtet. Die selbst konzipierten Topologien werden hinsichtlich des Sendeaufwands und des entstehenden Overheads miteinander verglichen. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist die Energiebetrachtung einzelner Sensorknoten bei der Verwendung der genannten Funkstandards. Dabei wird auf bereits gemessene Werte sowie eine Online-Simulation zurückgegriffen. Abschließend wird ein Fazit gezogen, ob sich für die beschriebene Mikroklimaanwendung der Einsatz von NB-IoT als sinnvoll erweist.



Drenkhahn, Kevin E.; Gadallah, Ahmed; Franzese, Aniello; Wagner, Christoph; Malignaggi, Andrea
A V-band vector modulator based phase shifter in BiCMOS 0.13 [my]m SiGe technology. - In: 2020 15th European Microwave Integrated Circuits Conference, (2021), S. 65-68

https://ieeexplore.ieee.org/document/9337367
Ribeiro, Lucas Nogueira; Mota, João César Moura; Le Ruyet, Didier; Souza de Cursi, Eduardo
Noise, channel and message identification on MIMO channels with general noise. - In: Proceedings of the 5th International Symposium on Uncertainty Quantification and Stochastic Modelling, (2021), S. 285-305

Krey, Maximilian; Töpfer, Hannes
Topology optimization of magnetoelectric sensors using Euler-Bernoulli beam theory. - In: Microactuators, microsensors and micromechanisms, (2021), S. 115-124

A studied magnetic field sensor is based on resonant operation of magnetoelectric micro-electro-mechanical systems (MEMS). Subsequently to an applied magnetic field, the micro beam changes the eigenfrequency, due to the magnetostrictive effect. Euler-Bernoulli beam theory can calculate eigenfrequencies of bending vibrations of beams with high accuracy. Implementing more complex beam geometries is challenging, thus often the finite element method (FEM) is used. This paper deals with the modeling of prestressed beams with multilayered structure and discontinuities along the beam length using Euler-Bernoulli beam theory. The arising problems are addressed in detail. As an example, the model is applied to the studied magnetoelectric sensor and shows good accordance to FEM simulations. An optimization algorithm is used to find a sensor geometry that leads to high output signals utilizing the developed model as input for the minimization of a target function.



https://doi.org/10.1007/978-3-030-61652-6_10
Melo, Diana M. V.; Landau, Lukas T.N.; Ribeiro, Lucas Nogueira; Haardt, Martin
Iterative MMSE space-time zero-crossing precoding for channels with 1-bit quantization and oversampling. - In: Conference record of the Fifty-Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2020), S. 496-500

Systems with 1-bit quantization and oversampling at the receiver are promising for IoT applications due to low hardware complexity and low energy consumption. Zero-crossing precoding implies that the information is conveyed in the time instance of a zero-crossing within the symbol time interval. In this context, this study proposes an iterative spatial temporal MMSE precoding algorithm. In comparison to the joint space time MMSE precoder, the proposed method shows a significantly lower computational complexity and a comparable MSE performance.



https://doi.org/10.1109/IEEECONF51394.2020.9443574
Kuhnke, Philipp; Beaupain, Marie C.; Cheung, Vincent K. M.; Weise, Konstantin; Kiefer, Markus; Hartwigsen, Gesa
Left posterior inferior parietal cortex causally supports the retrieval of action knowledge. - In: NeuroImage, ISSN 1095-9572, Bd. 219 (2020), 117041, insges. 11 S.

Conceptual knowledge is central to human cognition. The left posterior inferior parietal lobe (pIPL) is implicated by neuroimaging studies as a multimodal hub representing conceptual knowledge related to various perceptual-motor modalities. However, the causal role of left pIPL in conceptual processing remains unclear. Here, we transiently disrupted left pIPL function with transcranial magnetic stimulation (TMS) to probe its causal relevance for the retrieval of action and sound knowledge. We compared effective TMS over left pIPL with sham TMS, while healthy participants performed three different tasks - lexical decision, action judgment, and sound judgment - on words with a high or low association to actions and sounds. We found that pIPL-TMS selectively impaired action judgments on low sound-low action words. For the first time, we directly related computational simulations of the TMS-induced electrical field to behavioral performance, which revealed that stronger stimulation of left pIPL is associated with worse performance for action but not sound judgments. These results indicate that left pIPL causally supports conceptual processing when action knowledge is task-relevant and cannot be compensated by sound knowledge. Our findings suggest that left pIPL is specialized for the retrieval of action knowledge, challenging the view of left pIPL as a multimodal conceptual hub.



https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.117041
Ribeiro, Lucas Nogueira; Schwarz, Stefan; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Low-complexity massive MIMO tensor precoding. - In: Conference record of the Fifty-Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2020), S. 348-355

We present a novel and low-complexity massive multiple-input multiple-output (MIMO) precoding strategy based on novel findings concerning the subspace separability of Rician fading channels. Considering a uniform rectangular array at the base station, we show that the subspaces spanned by the channel vectors can be factorized as a tensor product between two lower dimensional subspaces. Based on this result, we formulate tensor maximum ratio transmit and zero-forcing precoders. We show that the proposed tensor precoders exhibit lower computational complexity and require less instantaneous channel state information than their linear counterparts. Finally, we present computer simulations that demonstrate the applicability of the proposed tensor precoders in practical communication scenarios.



https://doi.org/10.1109/IEEECONF51394.2020.9443492
Zhang, Hequn; Zhang, Yue; Chen, Gaojie; Li, Wei; Jawad, Nawar; Cosmas, John; Zhang, Xun; Wang, Jintao; Müller, Robert
The performance measurement of the 60GHz mmWave module for IoRL network. - In: 2020 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), (2020), insges. 5 S.

As one of the key features in 5G network, Millimeter wave (mmWave) technology can provide the ultra-wide bandwidth to support higher data rate. However, for high frequency band, mmWave signal still suffers from the high pathloss, the multipath fading and the signal blockage issue, especially in the indoor environment. For different application scenarios, the channel conditions and quality of services (QoS) are quite different. Therefore, it is essential to investigate the impact of the mmWave channel on the system performance. This paper investigates and measures the performance of a 60GHz mmWave module that is exploited for the downlink and uplink high data rate transmission in the Internet of Radio-Light (IoRL) project. The coverage area and the throughput of the mmWave module is estimated by measuring the error vector magnitude (EVM) of received signals with different transmitter (TX) and receiver (RX) angles and at different locations in a laboratory. In this paper, the measurement environment and system setup are introduced. After that, the waveform design for the measurement is also discussed. The measurement results show that this 60GHz mmWave module can provide an acceptable performance only in some cases, which restricts its application scenarios.



https://doi.org/10.1109/BMSB49480.2020.9379731
Sayeed, Akbar; Vouras, Peter; Gentile, Camillo; Weiss, Alec; Quimby, Jeanne; Cheng, Zihang; Modad, Bassel; Zhang, Yuning; Anjinappa, Chethan; Erden, Fatih; Ozdemir, Ozgur; Müller, Robert; Dupleich, Diego; Niu, Han; Michelson, David; Hughes, Aidan
A framework for developing algorithms for estimating propagation parameters from measurements. - In: 2020 IEEE Globecom workshops (GC Wkshps), (2020), insges. 6 S.

A framework is proposed for developing and evaluating algorithms for extracting multipath propagation components (MPCs) from measurements collected by sounders at millimeter-wave (mmW) frequencies. To focus on algorithmic performance, an idealized model is proposed for the spatial frequency response of the propagation environment measured by a sounder. The input to the sounder model is a pre-determined set of MPC parameters that serve as the "ground truth". A three-dimensional angle-delay (beamspace) representation of the measured spatial frequency response serves as a natural domain for implementing and analyzing MPC extraction algorithms. Metrics for quantifying the error in estimated MPC parameters are introduced. Initial results are presented for a greedy matching pursuit algorithm that performs a least-squares (LS) reconstruction of the MPC path gains within the iterations. The results indicate that the simple greedy-LS algorithm has the ability to extract MPCs over a large dynamic range, and suggest several avenues for further performance improvement through extensions of the greedy-LS algorithm as well as by incorporating features of other algorithms, such as SAGE and RIMAX.



https://doi.org/10.1109/GCWkshps50303.2020.9367404
Töpfer, Hannes; Ulm, Jürgen; Delkov, Dimitri
Algebraic properties of Poynting-theorem. - In: The 18th International IGTE Symposium on Numerical Field Calculation in Electrical Engineering, (2020), S. 49-52

http://dx.doi.org/10.3217/978-3-85125-740-3
Mančiâc, Žaklina J.; Cvetkoviâc, Zlata Ž.; Petkoviâc, Bojana R.; Simiâc, Nikola
Influence of the Tellegen type-bi-isotropic sphere on the homogeneity of a field generated by two toroidal electrodes. - In: Revue roumaine des sciences techniques, ISSN 0035-4066, Bd. 65 (2020), 3/4, S. 173-178

Arvinti, Beatrice; Isar, Alexandru; Toader, Dumitru; Töpfer, Hannes; Costache, Marius
Experimental stand for the study of non-sinusoidal electrical phenomena. - In: Revue roumaine des sciences techniques, ISSN 0035-4066, Bd. 65 (2020), 3/4, S. 179-184

Bornkessel, Christian; Kopacz, Thomas; Schießl, Sascha; Heberling, Dirk; Hein, Matthias
Konzepte für zuverlässige Immissionsmessungen an 5G massive MIMO-Basisstationen. - In: Creating a compatible future, (2020), S. 449-455

https://doi.org/10.15488/10057
Kopacz, Thomas; Bornkessel, Christian; Schießl, Sascha; Heberling, Dirk
Untersuchungen zur korrekten Immissionserfassung von gepulsten Signalen mit dem SRM-3006 am Beispiel von 5G. - In: Creating a compatible future, (2020), S. 465-471

https://doi.org/10.15488/10059
Schilling, Lisa-Marie; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Entwicklung und Verifikation eines Mess- und Bewertungsverfahrens der elektromagnetischen Immission durch ITS-G5. - In: Creating a compatible future, (2020), S. 457-464

https://doi.org/10.15488/10058
Brachvogel, Marius; Niestroj, Michael; Zorn, Soeren; Meurer, Michael; Hasnain, Syed N.; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Jamming an uncalibrated GNSS array receiver of distributed antenna elements for concealed installation in passenger cars. - In: 2020 European Navigation Conference (ENC), (2020), S. 1-10

Interference signals are a severe threat to any GNSS receiver. Due to the low reception power of satellite signals, even comparably weak interferences can significantly decrease the positioning accuracy of the receiver or lead to a complete signal loss. Therefore, any active interference signal has to be mitigated to ensure a continuous and safe operation. This is especially important in the field of automated driving, where the permanent awareness of a human being is no longer presumed and cars rely solely on GNSS to determine the absolute position necessary for navigation. While uniform rectangular arrays have shown to be the most effective method against interference signals by providing the ability to spatially mitigate incident signals, their size prevents an application in cars produced for the consumer mass market. This paper presents an arrangement, where a set of two distributed linear arrays is used, which seems promising for a concealed installation and allows the application of spatial signal processing algorithms such as beamforming and nulling. Consequences on the positioning accuracy from the joint processing of signals from distributed antenna elements are discussed and the capability to mitigate interference sources is demonstrated.



https://doi.org/10.23919/ENC48637.2020.9317483
Manina, Alla;
Generalization of C-SECSI framework for biomedical signal processing. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die zuverlässigen Methoden zur Verarbeitung mehrdimensionaler Daten führen zu einer verbesserten Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Big Data-Analyse. Die gemeinsame Verarbeitung der biomedizinischen Signale, wie EEG und MEG, erlaubt es, aus den Signalen signifikante Informationen zu extrahieren und hat das Potenzial, die medizinische Diagnostik zu verbessern. Diese Arbeit konzentriert sich auf die gemeinsame Zerlegung der Tensoren mit einer gemeinsamen Dimension. Insbesondere erweitern wir den Coupled SECSI-Algorithmus (Coupled Semi-algebraic framework for the approximate CP decomposition via SImultaneous matrix diagonalization), um die gemeinsame Zerlegung des Satzes von L-Tensoren zu berechnen und die Ergebnisse der biomedizinischen EEG-MEG-Daten zu validieren. Basierend auf der detaillierten Analyse der bestehenden Tensorzerlegungsmethoden mittels simultaner Matrixdiagonalisierung, wie SECSI und C-SECSI, wurde ein verallgemeinerter Algorithmus für die gemeinsame Zerlegung der dreidimensionalen L-Tensoren entwickelt. Um die Genauigkeit des entwickelten Algorithmus zu validieren, stellen wir die Simulationsergebnisse sowohl auf der Basis der synthetischen Daten als auch auf der Basis der realen biomedizinischen Daten zur Verfügung. Wir berücksichtigen auch verschiedene Parametereinstellungen und vergleichen den vorgeschlagenen Algorithmus mit den anderen State-of-the-Art-Ansätzen. Darüber hinaus evaluieren wir verschiedene Heuristiken, die es erlauben, den Komplexitäts-Genauigkeits-Kompromiss zu kontrollieren. Um den vorgeschlagenen Algorithmus zu validieren, werden die Eigenschaften von EEG- und MEG-Signalen berücksichtigt. Wir verwenden die realen biomedizinischen Daten, die während des Flickerlichtexperiments gesammelt wurden, das in dieser Arbeit ebenfalls kurz beschrieben wird. Nach den Vorverarbeitungsschritten konstruieren wir die EEG-, MEG-, Grad-1- und Grad-2-Tensoren und führen die gemeinsame Zerlegung durch. Die Ergebnisse der Implementierung des entwickelten Algorithmus und deren Analyse werden im Vergleich mit den Ergebnissen der ursprünglichen Implementierung des SECSI-Algorithmus dargestellt.



Giehl, Sebastian Wilhelm;
Evaluation, implementation and benchmarking of highspeed-data-interfaces for FPGA-based measurement applications. - Ilmenau. - 108 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Diese Arbeit widmet sich der Identifizierung und dem Test geeigneter Übertragungswege für konstant hochdatenratige Datenströme in FPGA-basierten Messanwendungen. Ziel der Übertragung ist die applikationsabhängige Speicherung oder Verarbeitung der Daten auf anderen Systemkomponenten. Dabei sollen auf dem Field Programmable Gate Array (FPGA) verfügbare Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Digital-Analog-Wandler (DACs) mit ihrer maximalen Samplingrate betrieben werden können. Die Zielhardware ist ein HTG-ZRF8 Board, welches mit dem ZU28DR FPGA bestückt ist. Mögliche Übertragungslösungen können nur die dort und auf anderen Systemkomponenten unterstützten logischen und physikalischen Schnittstellen verwenden. Auf der Quad Small Formfactor Pluggable Transceiver (QSFP) Schnittstelle werden Aurora 64b66b und 100G Ethernet in Betrieb genommen. Die Erfüllung der durch die Anwendung vorgegebenen Kriterien wird mittels eines Testmoduls geprüft, welches Round Trip Time, Bandbreite sowie Bit- und Paketfehler in der Übertragung ermittelt. Zusätzlich wird mit einem Systemaufbau die Kompatibilität zu zusätzlicher Hardware geprüft. Beide Interfaces erreichen ihre theoretische Leistungsgrenze und liegen damit nahe an der physikalischen Signalisierungsrate. Deshalb sollte die Auswahl der Schnittstelle auf Basis der Vor- und Nachteile im Bezug auf die konkrete Übertragungsaufgabe getroffen werden. Da jedoch die maximal von den ADCs generierten und den DACs entgegengenommenen Datenraten beide hier realisierten Datenraten übersteigen, muss in der Anwendung eine Lösung für dieses Optimierungsproblem gefunden werden.



Troshin, Vladimir;
Analysis of D2D communication with beamforming in a multi-cell scenario. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In der vorliegenden Arbeit wird die Verwendung der Gerät-zu-Gerät Kommunikation (Device to device - D2D) in einem Mobilfunknetz im Underlay-Szenario und die damit verbundenen Probleme untersucht. Insbesondere werden solche Probleme wie die Sendeleistungszuweisung für D2D-Geräte und das Interferenzmanagement von diesen Geräten beachtet. Der in \cite{D2D} beschriebene Energieverteilungsalgorithmus und Strahlformungstechniken werden als mögliche Wege zur Lösung des Problems angesehen. Es wird auch die Implementierung der Nullraum-Strahlformung und die numerische Schätzung dieses Effekts auf den Systemdurchsatz vorgestellt. Abgesehen davon wird in dieser Arbeit die Analyse des Szenarios mit mehreren Zellen durchgeführt und die Auswirkung von Interzellularstörungen auf den Durchsatz einer bestimmten Zelle bewertet. Um diesen Effekt zu verringern, werden Frequenzwiederverwendungstechniken verwendet, wie z. B. Teilfrequenzwiederverwendung (Fractional frequency reuse - FFR) und Weichfrequenzwiederverwendung (Soft frequency reuse - SFR). Darüber hinaus werden MATLAB-Simulationen und numerische Schätzungen aller oben beschriebenen Fälle vorgestellt.



Schwind, Andreas; Döbereiner, Michael; Andrich, Carsten; Wendland, Philip; Del Galdo, Giovanni; Schäfer, Günter; Thomä, Reiner; Hein, Matthias
Bi-static delay-Doppler reference for cooperative passive vehicle-to-X radar applications. - In: IET microwaves, antennas & propagation, ISSN 1751-8733, Bd. 14 (2020), 14, S. 1749-1757

Automotive radar systems are indispensable for advanced driver assistance systems and traffic safety. Besides existing monostatic radar techniques, bi-static radar sensing like passive coherent location offers additional options to improve the radar visibility of vulnerable road users. Regarding the testing and evaluation of signal processing algorithms including parameter estimation, it is essential to provide electromagnetically shielded and reproducible measurement conditions, in addition to field tests in real traffic scenarios. This study describes the possibility to emulate relevant performance parameters for bi-static radar scenarios in the frequency range from 1 GHz to 6 GHz in a metal-shielded semi-anechoic chamber. Of special interest are the bi-static angle between transmitter, target, and receiver, and the resulting bi-static Doppler frequencies of a realistic vehicular traffic scenario. According to the concept of cooperative passive coherent location, Doppler scattering measurements are presented and compared to electromagnetic simulations. The authors find promising agreement between measured and ground truth data in the delay-Doppler spectrum.



https://doi.org/10.1049/iet-map.2019.0991
Poßner, Lucas; Laukner, Matthias; Wilhelmy, Florian; Lindner, Dirk; Pliquett, Uwe; Petkoviâc, Bojana; Ziolkowski, Marek; Knösche, Thomas R.; Weise, Konstantin
In situ impedance measurements on postmortem porcine brain. - In: Current directions in biomedical engineering, ISSN 2364-5504, Bd. 6 (2020), 3, 20203037, insges. 4 S.

The paper presents an experimental study where the distinctness of grey and white matter of an in situ postmortem porcine brain by impedance measurements is investigated. Experimental conditions that would allow to conduct the same experiment on in vivo human brain tissue are replicated.



https://doi.org/10.1515/cdbme-2020-3037
Buddappagari, Sreehari; Schwind, Andreas; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Monostatic RCS measurements of representative road traffic objects in the 76 … 81 GHz frequency band. - In: 2020 IEEE Radar Conference (RadarConf20), (2020), insges. 6 S.

https://doi.org/10.1109/RadarConf2043947.2020.9266391
Schwind, Andreas; Hofmann, Willi; Buddappagari, Sreehari; Stephan, Ralf; Thomä, Reiner; Hein, Matthias
Bi-static reflectivity patterns of vulnerable road users in the C-V2X frequency range. - In: 2020 IEEE Radar Conference (RadarConf20), (2020), insges. 6 S.

https://doi.org/10.1109/RadarConf2043947.2020.9266284
Hofmann, Willi; Schwind, Andreas; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Geometry- and angle-dependent monostatic scattering of microwave absorbers. - In: 2020 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), (2020), insges. 6 S.

https://ieeexplore.ieee.org/document/9280861
Schwind, Andreas; Hofmann, Willi; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Bi-static reflectivity measurements of vulnerable road users using scaled radar objects. - In: 2020 Antenna Measurement Techniques Association Symposium (AMTA), (2020), insges. 6 S.

https://ieeexplore.ieee.org/document/9280857
Pérez, Eduardo; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian; Römer, Florian
Subsampling approaches for compressed sensing with ultrasound arrays in non-destructive testing. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 20 (2020), 23, 6734, insges. 23 S.

Full Matrix Capture is a multi-channel data acquisition method which enables flexible, high resolution imaging using ultrasound arrays. However, the measurement time and data volume are increased considerably. Both of these costs can be circumvented via compressed sensing, which exploits prior knowledge of the underlying model and its sparsity to reduce the amount of data needed to produce a high resolution image. In order to design compression matrices that are physically realizable without sophisticated hardware constraints, structured subsampling patterns are designed and evaluated in this work. The design is based on the analysis of the Cramér–Rao Bound of a single scatterer in a homogeneous, isotropic medium. A numerical comparison of the point spread functions obtained with different compression matrices and the Fast Iterative Shrinkage/Thresholding Algorithm shows that the best performance is achieved when each transmit event can use a different subset of receiving elements and each receiving element uses a different section of the echo signal spectrum. Such a design has the advantage of outperforming other structured patterns to the extent that suboptimal selection matrices provide a good performance and can be efficiently computed with greedy approaches.



https://doi.org/10.3390/s20236734
Stichling, Marcel;
Bewertung des Ladungstransport-Verhaltens neu entwickelter Materialien für Gleichspannungs-Isoliersysteme. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Polypropylenfolien mit unterschiedlichen Beimischungen. Bestimmung der relativen Permittivität und der elektrischen Leitfähigkeit sowie dem dielektrischen Verlustfaktor in Abhängikeit der Temperatur und der Spannung. Hierzu wurden Messungen bei AC und DC durchgeführt und die Ergebnisse in geeigneter Form dargestellt.



Wagner, Christoph; Semper, Sebastian; Römer, Florian; Schönfeld, Anna; Del Galdo, Giovanni
Hardware architecture for ultra-wideband channel impulse response measurements using compressed sensing. - In: 28th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2020), (2020), S. 1663-1667

We propose a compact hardware architecture for measuring sparse channel impulse responses (IR) by extending the M-Sequence ultra-wideband (UWB) measurement principle with the concept of compressed sensing. A channel is excited with a periodic M-sequence and its response signal is observed using a Random Demodulator (RD), which observes pseudo-random linear combinations of the response signal at a rate significantly lower than the measurement bandwidth. The excitation signal and the RD mixing signal are generated from compactly implementable Linear Feedback Shift registers (LFSR) and operated from a common clock. A linear model is derived that allows retrieving an IR from a set of observations using Sparse-Signal-Recovery (SSR). A Matrix-free model implementation is possible due to the choice of synchronous LFSRs as signal generators, resulting in low computational complexity. For validation, real measurement data of a time-variant channel containing multipath components is processed by simulation models of our proposed architecture and the classic M-Sequence method. We show successful IR recovery using our architecture and SSR, outperforming the classic method significantly in terms of IR measurement rate. Compared to the classic method, the proposed architecture allows faster measurements of sparse time-varying channels, resulting in higher Doppler tolerance without increasing hardware or data stream complexity.



https://doi.org/10.23919/Eusipco47968.2020.9287454
Korobkov, Alexey A.; Diugurova, Marina K.; Haueisen, Jens; Haardt, Martin
Multi-dimensional model order estimation using LineAr Regression of Global Eigenvalues (LaRGE) with applications to EEG and MEG recordings. - In: 28th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2020), (2020), S. 1005-1009

The efficient estimation of an approximate model order is very important for real applications with multi-dimensional data if the observed low rank data is corrupted by additive noise. In this paper, we present a novel robust method for model order estimation of multi-dimensional data based on the LineAr Regression of Global Eigenvalues (LaRGE). The LaRGE method uses the multi-linear singular values obtained from the HOSVD of the measurement tensor to construct global eigenvalues. In contrast to the Modified Exponential Test (EFT) that also exploits the approximate exponential profile of the noise eigenvalues, LaRGE does not require the calculation of the probability of false alarm. Therefore, it is well suited for the analysis of biomedical data. The excellent performance of the LaRGE method is illustrated via simulations and results obtained from EEG as well as MEG recordings.



https://doi.org/10.23919/Eusipco47968.2020.9287523
Reum, Thomas; Töpfer, Hannes
A bicomplex finite element method for wave propagation in homogeneous media. - In: Compel, ISSN 2054-5606, Bd. 39 (2020), 5, S. 1031-1039

Purpose The purpose of this paper is to present the advantageous applicability of the bicomplex analysis in the context of the Finite Element Method (FEM). This method can be applied for wave propagation problems in various environments. Design/methodology/approach In this paper, the bicomplex number system is introduced and accordingly the differential equation for time-harmonic Maxwell’s equations in homogeneous media is derived in detail. Besides that, numerical simulations of wave propagation are performed and compared to the traditional approach based on classical FEM related to the Helmholtz equation. The appropriate error norm is investigated for different discretizations. Findings The results show that the use of bicomplex analysis in FEM leads to the higher accuracy of the electromagnetic field determination compared to the traditional Helmholtz approach. By using the bicomplex-valued formulation, the complex-valued electric and magnetic fields can be found directly and no additional FEM calculations are necessary to get the whole field. Originality/value The direct bicomplex formulation overcomes the use of the second order derivatives, which leads to the higher accuracy. In general, accurate calculations of the wave propagation in FEM is still an open problem and the approach described in this paper is a contribution to this class of problems.



https://doi.org/10.1108/COMPEL-01-2020-0010
Loracher, Stefanie;
Elektronisch abstimmbare transistorbasierte Induktivitäten für den Hochfrequenzbereich. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (v, 167 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Die zur Verfügung stehenden Frequenzen stellen für eine zunehmende Anzahl von Anwendungen eine zentrale Ressource dar. Die effiziente Nutzung der verfügbaren Frequenzen ist erforderlich und damit die Entwicklung von frequenzagilen Sender- und Empfängerarchitekturen. Dafür können entweder mehrere Schaltungen für die jeweiligen Frequenzen parallel aufgebaut werden, oder im Sinne der fortschreitenden Miniaturisierung konfigurierbare Schaltungen verwendet werden. Die steuerbaren Bauelemente, die für konfigurierbare Schaltungen notwendig sind, sind auf vielfältige Weise realisierbar. Die vorliegende Arbeit beinhaltet den Funktionsbeweis der transistorbasierten Induktivitätsschaltung, zeigt das Potenzial des Ansatzes und stellt Richtlinien für die Dimensionierung beziehungsweise den Aufbau der Schaltung auf. Das Potenzial als symmetrische, variierbare und miniaturisierbare Induktivität im Hochfrequenzbereich für frequenzagile Anwendungen wird untersucht. Eine Literaturrecherche zum Stand der Technik beschreibt die bisher üblichen Methoden für abstimmbare Induktivitäten und ermöglicht einen Vergleich mit der Induktivitätsschaltung. Sie ist aufgrund der Möglichkeit der Integration und Miniaturisierung eine nützliche Ergänzung für die HF-Schaltungstechnik. Analytische Untersuchungen in Kombination mit numerischen Simulationsmethoden erlauben das Ableiten von präziseren Entwurfskriterien, die nach Wissen der Autorin das erste Mal auch transistorinterne Größen berücksichtigen. Die Richtlinien werden anschließend durch die Messung realisierter Schaltungen validiert, in denen symmetrisches Verhalten.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000628
Memon, Aman Amir;
Localization of wireless transmitters using manifold learning. - Ilmenau. - 46 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Lokalisierung oder Positionierung von Benutzern ist aus verschiedenen Gründen ein unverzichtbarer Bestandteil von drahtlosen Kommunikationsnetzen. Zahlreiche standortbezogene Dienste (Location Based Services, LBS), die Teil unseres täglichen Lebens sind, hängen hauptsächlich von der Position der Benutzer innerhalb der Kanalumgebung ab. Standortinformationen sind auch wichtig für die Aufrechterhaltung und Verbesserung verschiedener netzwerkbezogener Funktionen wie Handover, Ressourcenzuweisung, Tarifanpassung und andere RRM-Funktionen des Funkressourcenmanagements. Channel Charting (CC) ist ein neuartiges, datengesteuertes Basisbandverfahren, das darauf abzielt, die niedrigdimensionale Darstellung, d.h. Kanaldiagramm unter Verwendung hochdimensionaler Channel State Information (CSI) zu erlernen, die an der Basisstation (BS) gesammelt wird, um den wahren Standort der UEs zu erhalten. Vereinfacht ausgedrückt werden virtual maps oder charts so erstellt, dass die räumlich nahe beieinanderliegenden Punkte auch im Kanaldiagramm nahe beieinander liegen. Diese Kanaldiagramme werden völlig unbeaufsichtigt erstellt, d.h. ohne Zugang zu irgendwelchen Standortinformationen an der BS. CC arbeitet, indem es Merkmale aus der CSI extrahiert, die die Nachbarschaftsinformationen zwischen den UEs bewahren, und dann unüberwachte vielfältige Lernmethoden anwendet, um die extrahierten Merkmale auf dem Kanaldiagramm abzubilden. Der jüngste Erfolg des Tiefenlernens hat gezeigt, dass neuronale Netze leistungsfähige Funktions-Approximatoren sind, die in der Lage sind, komplexe Merkmale aus Rohdaten zu extrahieren. Convolutional Neural Networks (CNNs) sind wahrscheinlich die am weitesten verbreiteten neuronalen Netze, die für die Extraktion relevanter raumzeitlicher Merkmale aus Rohdaten bekannt sind. In der vorliegenden Masterarbeit wird die Idee der Verwendung von Convolutional Neural Networks CNNs zur Lösung des CC-Problems untersucht. Convolutional AutoEncoders (CAE) bieten einen völlig unbeaufsichtigten Tiefenlernansatz, der es auch erlaubt, die Nebeninformationen wie z.B. Beschränkungen des maximalen Abstands zwischen Abtastpunkten in das Lernen einzubeziehen. Für die Merkmalsextraktion schlagen wir vor, CSI-basierte Channel Impulse Response zu verwenden. Darüber hinaus schlagen wir auch vor, einen hybriden Ansatz zu verwenden, indem wir zwei vielfältige Methoden kombinieren, nämlich (CAE) und Uniform Manifold Approximation (UMAP), um genaue Kanaldiagramme zu erstellen.



Kim, Jee Hyun;
Multiuser MIMO techniques with feedback. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xxiii, 204 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Kooperative Antennenanlagen haben vor kurzem einen heißen Forschungsthema geworden, da Sie deutlich höhere spektrale Effizienz als herkömmliche zelluläre Systeme versprechen. Der Gewinn wird durch die Eliminierung von Inter-Zelle Störungen (ICI) durch Koordinierung der-Antenne Übertragungen erworben. Vor kurzem, verteilte Organisation Methoden vorgeschlagen. Eine der größten Herausforderungen für das Dezentrale kooperative Antennensystem ist Kanalschätzung für den Downlink Kanal besonders wenn FDD verwendet wird. Alle zugehörigen Basisstationen im genossenschaftlichen Bereich müssen die vollständige Kanal Informationen zu Wissen, die entsprechenden precoding Gewicht Matrix zu berechnen. Diese Information ist von mobilen Stationen übertragen werden Stationen mit Uplink Ressourcen zu stützen. Wird als mehrere Basisstationen und mehreren mobilen Stationen in kooperativen Antennensysteme und jede Basisstation und Mobilstation beteiligt sind, können mit mehreren Antennen ausgestattet sein, die Anzahl der Kanal Parameter wieder gefüttert werden erwartet, groß zu sein. In dieser Arbeit wird ein effizientes Feedback Techniken der downlink Kanal Informationen sind für die Multi-user Multiple Input Multiple Output Fall vorgeschlagen, der insbesondere auf verteilte kooperative Antennensysteme zielt. Zuerst wird ein Unterraum-basiertes Kanalquantisierungsverfahren vorgeschlagen, das ein vorbestimmtes Codebuch verwendet. Ein iterativer Codebuchentwurfsalgorithmus wird vorgeschlagen, der zu einem lokalen optimalen Codebuch konvergiert. Darüber hinaus werden Feedback-Overhead-Reduktionsverfahren entwickelt, die die zeitliche Korrelation des Kanals ausnutzen. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene adaptive Codebuchverfahren in Verbindung mit einem Datenkomprimierungsschema eine Leistung nahe an dem perfekten Kanalfall erzielt, was viel weniger Rückkopplungsoverhead im Vergleich zu anderen Techniken erfordert. Das auf dem Unterraum basierende Kanalquantisierungsverfahren wird erweitert, indem mehrere Antennen auf der Senderseite und/oder auf der Empfängerseite eingeführt werden, und die Leistung eines Vorcodierungs- (/Decodierungs-) Schemas mit regulierter Blockdiagonalisierung (RBD) wurde untersucht. Es wird ein kosteneffizientes Decodierungsmatrixquantisierungsverfahren vorgeschlagen, dass eine komplexe Berechnung an der Mobilstation vermeiden kann, während es nur eine leichte Verschlechterung zeigt. Die Arbeit wird abgeschlossen, indem die vorgeschlagenen Feedback-Methoden hinsichtlich ihrer Leistung, ihres erforderlichen Feedback-Overheads und ihrer Rechenkomplexität verglichen werden.



https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00047362
Cichon, Daniel;
Robuste Lokalisierung magnetischer Quellen mithilfe integrierter 3D-Hall-Sensor-Anordnungen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (vii, 139 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Magnetfeldsensoren erlauben die indirekte, berührungslose Bestimmung der Position bewegter Objekte und finden daher millionenfach Anwendung im Industrie- und Automobilbereich. Positionsmesssysteme in diesen Anwendungsbereichen haben die Aufgabe einen linearen Weg oder den Winkel der Rotationsbewegung eines Permanentmagneten zu erfassen. In Labor-Anwendungen wurde bereits gezeigt, dass das Feld magnetischer Quellen genutzt werden kann alle sechs mechanischen Freiheitsgrade zu bestimmen. Unter schwierigen Umgebungsbedingungen sind Auswertungen mit nur einem einzigen Freiheitsgrad jedoch alternativlos. Gründe hierfür sind der rechentechnische Aufwand komplexer Auswertealgorithmen, aber auch zu erwartende magnetische und temperaturbedingte Störungen. Zudem gibt es kaum Anhaltspunkte für die Auslegung magnetfeldbasierter Positionsmesssysteme, was den Einsatz erschwert. Ziel dieser Arbeit ist es daher, Methoden zu erarbeiten, die es ermöglichen die Vorteile integrierter Magnetfeldsensoren auch für schwierige Umgebungen nutzbar zu machen, und somit die Möglichkeiten der Technologie auszuschöpfen. Kompakte Hall-Sensor-Anordnungen, die am Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) entwickelt wurden, dienen als Ausgangspunkt. Sie ermöglichen es, den Magnetfeldvektor einer magnetischen Quelle an mehreren Stellen und auf engstem Raum zu messen. Um daraus die Position zu ermitteln, und somit das inverse Problem der Magnetostatik zu lösen, wird in dieser Arbeit ein analytisches Modell eines beispielhaften Messsystems entwickelt und verschiedene numerische Lösungsverfahren evaluiert. Das Unscented Kalman-Filter zeigt sich im Hinblick auf die Anforderungen industrieller Anwendungen als besonders geeignet. Von der stochastischen Modellierung des Systems ausgehend, werden Methoden und Richtlinien zum Entwurf magnetfeldbasierter Positionsmesssysteme abgeleitet und ein Verfahren vorgestellt, das es ermöglicht Permanentmagneten zu charakterisieren, und somit die Eigenschaften der Lokalisierung zu verbessern. Algorithmische Anpassungen des Unscented-Kalman-Filters, deren Wirksamkeit anhand von Messungen und Simulationen belegt wird, reduzieren die Empfindlichkeit gegenüber Störungen in schwierigen Umgebungen.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000502
Shala, Mendrit; Sewalkar, Parag; Seitz, Jochen
On-demand quality-of-service for crucial vehicle-to-pedestrian communication. - In: WiMob 2020, (2020), S. 56-61

https://doi.org/10.1109/WiMob50308.2020.9253416
Xia, Yinghan;
Applications of ML-GSVD in wireless MIMO communications. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Tensorzerlegungen finden Anwendung in den Bereichen Psychometrie, Chemometrie, Signalverarbeitung, numerische lineare Algebra, Computer Vision, numerische Analyse, Data Mining, Neurowissenschaften, Graphanalyse und anderswo. In unserer Arbeit wird die Multilinear Generalized Singular Value Decomposition (ML-GSVD), die einige Ähnlichkeiten mit der PARAFAC2-Zerlegung aufweist, in multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) für die koordinierte Beamforming angewendet. Die ML-GSVD ist auch eine Erweiterung der Generalized Singular Value Decomposition (GSVD). Sie kann mehr als zwei Matrizen gemeinsam faktorisieren, die eine unterschiedliche Anzahl von Spalten und dieselbe Anzahl von Zeilen aufweisen können. Im Gegensatz zu einigen bestehenden koordinierten Beamforming Strategien wie die Block Diagonalization (BD), die Regularized Block Diagonalization (RBD) und die Flexible Coordinated Beamforming (FlexCoBF), die nur Punkt-zu-Punkt-Kanäle (privat) erzeugen können. Durch Anwenden der ML-GSVD auf eine Reihe von Kanalmatrizen, die verschiedenen Benutzern zugeordnet sind, werden common channels (CCs) für eine Gruppe von Benutzern sowie private channels (PCs) für einzelne Benutzer bereitgestellt. Die Kanaltypen werden durch die Anzahl der Sende- und Empfangsantennen bestimmt. In dieser Masterarbeit wird ein Szenario vorgeschlagen, in dem mehrere Benutzer ihre Daten mit Hilfe eines Relay austauschen. Von mehreren Benutzern empfangene Nachrichten werden mithilfe von MUD (Multi-User Detection) am Relay erkannt und erneut an verschiedene Benutzer übertragen. Die Anwendung von ML-GSVD für MUD hat die gleiche Leistung wie einige vorhandene MUD Strategien, wie z. B. Recursively Successive Zero Forcing and Successive Interference Cancellation (RSZF-SIC), Uplink Block Diagonalization (UL-BD) und nur einen kleinen Unterschied zu MMSE Decoupling (MD). Eine detaillierte Bewertung der Leistung dieser Downlink- und Uplink-Kommunikationsstrategien sowie der Secrecy Rate unter Verwendung von ML-GSVD in den MU-MIMO-Systemen wird numerisch und grafisch demonstriert.



Shah, Tauqeer Hussain;
Implementation and evaluation of signal phase measurements for position estimation. - Ilmenau. - 93 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Trägerphasenmessungen sind ein Verfahren, das zur Schätzung der Position eines Benutzers auf der Grundlage der Phasenverschiebung des empfangenen Signals verwendet wird. Sie ist ein Maß für die Entfernung zwischen Sender und Empfänger, ausgedrückt in Zykluseinheiten der Trägerfrequenz. Dies ist eine der Standardmethoden, die im Global Navigation Satellite System (GNSS) zur Positionsschätzung verwendet wird. Sie liefert eine präzise Positionsbestimmung, ist aber eine ganzzahlige Anzahl von Wellenlängen mehrdeutig und wird durch Mehrwegeausbreitung gestört. GNSS ist in Innenräumen nicht anwendbar, da die Signale durch Wände und Decken gedämpft werden. Aber die Trägerphasenmethode ist anwendbar, wenn sie mit 5G-NR-Signalen verwendet wird, und das wollen wir beweisen. Die 5G-Technologie taucht mit den brandneuen Konzepten wie Millimeterwellen (mmWave), kleine Zellen, Massively Multiple Input Multiple Output (mMIMO), Beamforming (BF) und Vollduplex auf. Diese neuen Technologien bieten 5G-Systemen nicht nur die verbesserte Kommunikationsleistung, sondern auch die Möglichkeit, eine präzise Positionsschätzung zu erreichen. Eines der Ziele des 5G-Netzes ist die zentimetergenaue Auflösung der Lokalisierung. Dies erfordert neue Algorithmen, die die Phasenverschiebung des empfangenen Signals berücksichtigen. Diese Arbeit zielt darauf ab, Signalverarbeitungsalgorithmen zu implementieren und zu validieren, um Trägerphasenmessungen auszunutzen und eine experimentelle Machbarkeitsstudie mit dem verfügbaren Gerät DecaWave Ultrabreitband (DW-UWB)-Positionierungssystem zu erstellen. Wir charakterisierten die empfangene Pulsform der DW-UWB-Module. Wir führten Modifikationen am verfügbaren Hardware-Aufbau für die Einspeisung eines Referenzsignals in den Empfänger durch, um differentielle Phasenmessungen zu berechnen. Wir haben Signalverarbeitungsalgorithmen auf dem Hardware-Ausgang für Trägerphasenmessungen implementiert. Der Algorithmus wird sowohl an simulierten Daten als auch an realen Messungen von DW-UWB-Modulen getestet. Mit dem modifizierten Aufbau erreichten wir eine signifikante Auflösung der Abstandsmessung durch differentielle Trägerphasenmessungen. Unser Proof of Concept zeigt, dass Trägerphasenmessungen in einer realistischen Umgebung möglich sind, und wir schätzten den Abstand mit einer Genauigkeit von 2 mm



Hamayun, Wajahat;
Characterisation of multi-static scattering by UAVs. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die unregulierte Nutzung kleiner kommerzieller unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) ist zu einem Sicherheitsrisiko geworden. Die Verwendung von Radargeräten ist eine gängige Praxis bei der Entdeckung eines Ziels, und die Streueigenschaften des Ziels sind einer der Hauptfaktoren, die die Leistung des Radars bei der Entdeckung beeinflussen. In dieser Arbeit wird das Streuverhalten der Drohnen zum Zweck der Modellierung analysiert. Da der Radarquerschnitt (RCS) zur Beschreibung der Streuung der Objekte verwendet werden kann, werden die RCS der drei Drohnen mit unterschiedlichen geometrischen Formen und Größen in der Analyse verwendet. Der erforderliche RCS der Drohnen wird in Kommunikationsfrequenzbändern von 900 MHz, 2,53 GHz und 3,75 GHz mit FEKO simuliert. In der Analyse werden die gestreuten Peaks erkannt und in spiegelnde und diffuse Streuungen unterteilt, wobei der Effekt der Vorwärtsstreuung in dieser Studie ausgeschlossen wird. Es wird ein praktisches Szenario der unteren Hemisphäre definiert und die Schlüsselparameter der Peaks, z.B. die halbe Leistungsstrahlbreite, die Form und der Streuwinkel, werden für die spiegelnde und diffuse Streuung analysiert. Eines der wichtigsten Ergebnisse ist, dass je größer die elektrische Größe des Objekts ist, desto stärker ist die spiegelnden Reflexionen und desto mehr diffusen Peaks werden erkannt. Es wird auch festgestellt, dass die Keulen der spiegelnden Streuung entlang jeder Seite der Theta- und der Phi-Richtung nahezu symmetrisch sind. Eine mögliche zukünftige Arbeit könnte darauf hinauszielen, ein Streumodell von Drohnen unter Verwendung der Eigenschaften der spiegelnden und diffusen Streuung zu entwickeln, die in dieser Arbeit analysiert werden.



Titov, Aleksandr;
Entwurf, Realisierung und Charakterisierung passiver metamorpher HF-Schaltungen. - Ilmenau. - 68 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In dieser Arbeit wurde ein Beitrag zu möglichen Anwendungen metamorpher Substrate im Hochfrequenzbereich geleistet. Dazu wurde zunächst eine Literaturstudie zum aktuellen Stand der Forschung und möglicher Anwendungen dehnbarer Hochfrequenz-Schaltungen durchgeführt. Darauf aufbauend wurde ein grundlegendes passives metamorphes Element, der koplanare Interdigitalkondensator, ausgewählt, das beispielhaft für andere mögliche Komponenten entworfen, hergestellt und vermessen wurde. Die Hauptaufgaben der Arbeit bestand dabei darin, an diesem Beispiel den vollständigen Entwicklungszyklus passiver Elemente der metamorphen Elektronik aufzuzeigen: Auswahl der Materialien, aus denen das Element aufgebaut werden soll (vom Substrat bis zur leitenden Struktur), Modellierung des Elements (physikalisch und elektrisch, einschließlich der Frequenzparameter), Erstellung eines Prototyps und messtechnische Untersuchung seiner Eigenschaften. Abschließend wurden Anwendungsmöglichkeiten des erhaltenen passiven dehnbaren Interdigitalkondensators in zukünftigen dehnbaren Schaltungen aufgezeigt.



Häfner, Stephan; Dürr, André; Waldschmidt, Christian; Thomä, Reiner
Mitigation of leakage in FMCW radars by background subtraction and whitening. - In: IEEE microwave and wireless components letters, Bd. 30 (2020), 11, S. 1105-1107

Leakage in frequency-modulated continuous-wave (FMCW) radar with a homodyne receiver induces strong signal components in the lower frequency parts of the radar observations. There, the dynamic range of the observations has been reduced, such that close and weak targets are hard to detect. In this letter, a signal processing method is proposed to mitigate the leakage. First, background subtraction is applied to cancel the leakage. As the cancellation is imperfect, a noisy signal portion remains: the leakage noise. A statistical model is developed to describe the leakage noise as a colored noise process. This model is parameterized from measurements and used to whiten the observations. As a result, the dynamic range is improved, and the close targets become better detectable.



https://doi.org/10.1109/LMWC.2020.3023850
Aleshin, Sergei;
Entwurf und Implementierung eines Machine-Learning-Verfahrens zur Klassifizierung von multimodalen Sensordaten für ein Embedded-System mit beschränkter Rechenkapazität. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In dieser Arbeit werden der Entwurf und die Entwicklung eines Software-Hardwaresystems zur Signalerfassung und Klassifizierung von Nutzeraktivitäten sowie ein Verfahren zur tasterlosen Steuerung eines eingebetteten mobilen Gerätes mit Bewegungssensor beschrieben. Die Schwerpunkte der Arbeit sind der Vergleich der Effizienz mehrerer Algorithmen zur Klassifizierung verschiedener Nutzeraktivitäten, die Optimierung des Merkmalsvektors sowie die Implementierung einer tasterlosen Methode zur Steuerung eingebetteter Geräte. Ein zusätzlich herausfordernder Aspekt ist die Lauffähigkeit auf eingebetteten Systemen mit beschränkter Rechenkapazität. Die Arbeit ist wie folgt aufgebaut. Zu Beginn der Arbeit werden die wichtigsten Schritte für die Implementierung der Klassifizierungsalgorithmen basierend auf Maschinellem Lernen beschrieben. Anschließend wird eine vergleichende Analyse bestehender Ansätze und Arbeiten zum Thema Klassifizierung von Nutzeraktivitäten durchgeführt. Anhand der Ergebnisse der Analyse werden vielversprechende Klassifizierungsalgorithmen zusammengestellt und kurz beschrieben. Die direkte Verwendung von Sensorrohdaten zur Klassifizierung erhöht im Allgemeinen die Rechenkomplexität. Daher wird hier ein Ansatz vorgestellt, um charakteristische Merkmale zur Unterscheidung von Nutzeraktivitäten aus den Sensorrohdaten zu extrahieren. Zusätzlich wird eine Übersicht der Methoden zur tasterlosen Steuerung eingebetteter Geräte erstellt und der Vielversprechendste ausgewählt. Nach einer formalen Beschreibung der Anforderungen folgt eine detaillierte Beschreibung der Lösungsschritte. Diese umfassen die Entwicklung einer Messplattform, die Erfassung der Trainings- und Testdaten, die Implementierung und den Vergleich der betrachteten Klassifizierungsalgorithmen, die Bestimmung des optimalen Merkmalssatzes sowie die Implementierung einer tasterlosen Gerätesteuerung. Daran schließt sich eine Diskussion über die Effizienz der erhaltenen Lösungen an. Am Ende wird auf der Grundlage, der in jeder Arbeitsphase erzielten Ergebnisse die Schlussfolgerung gezogen und auch die möglichen Richtungen für die Weiterentwicklung des Themas beschrieben.



Hassan, Nina; Käske, Martin; Schneider, Christian; Sommerkorn, Gerd; Thomä, Reiner; Matolak, David
Measurement-based determination of parameters for non-stationary TDL models with reduced number of taps. - In: IET microwaves, antennas & propagation, ISSN 1751-8733, Bd. 14 (2020), 14, S. 1719-1732

This study proposes a new strategy of extracting parameters for tapped delay line (TDL) channel models from vehicle to infrastructure channel measurements. The proposed approach is based on an already existing method to derive parameters for a non-stationary model using first-order Markov chains. It will be shown that with the proposed method, the number of taps necessary to regenerate the delay spread of a channel can be significantly reduced. An approach will be discussed to evaluate the performance of the model. The feasibility of the method will be confirmed using channel sounding measurements.



https://doi.org/10.1049/iet-map.2019.0945
Gentile, Camillo; Molisch, Andreas F.; Chuang, Jack; Michelson, David G.; Bodi, Anuraag; Bhardwaj, Anmol; Ozdemir, Ozgur; Khawaja, Wahab Ali Gulzar; Guvenc, Ismail; Cheng, Zihang; Rottenberg, Fran¸cois; Choi, Thomas; Müller, Robert; Han, Niu; Dupleich, Diego
Methodology for benchmarking radio-frequency channel sounders through a system model. - In: IEEE transactions on wireless communications, Bd. 19 (2020), 10, S. 6504-6519

Development of a comprehensive channel propagation model for high-fidelity design and deployment of wireless communication networks necessitates an exhaustive measurement campaign in a variety of operating environments and with different configuration settings. As the campaign is time-consuming and expensive, the effort is typically shared by multiple organizations, inevitably with their own channel-sounder architectures and processing methods. Without proper benchmarking, it cannot be discerned whether observed differences in the measurements are actually due to the varying environments or to discrepancies between the channel sounders themselves. The simplest approach for benchmarking is to transport participant channel sounders to a common environment, collect data, and compare results. Because this is rarely feasible, this paper proposes an alternative methodology - which is both practical and reliable - based on a mathematical system model to represent the channel sounder. The model parameters correspond to the hardware features specific to each system, characterized through precision, in situ calibration to ensure accurate representation; to ensure fair comparison, the model is applied to a ground-truth channel response that is identical for all systems. Five worldwide organizations participated in the cross-validation of their systems through the proposed methodology. Channel sounder descriptions, calibration procedures, and processing methods are provided for each organization as well as results and comparisons for 20 ground-truth channel responses.



https://doi.org/10.1109/TWC.2020.3003617
Pikushina, Alena;
Phasenabhängige Übertragungseigenschaften metamorpher HF-Leitungen. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Im Rahmen der Masterarbeit wurde Forschungsarbeit im Bereich der metamorphen Elektronik im Hinblick auf Hochfrequenzanwendung durchgeführt. Modellbildung und Simulation der Teststrukturen wurden mit der Simulationssoftware Keysight ADS durchgeführt. Damit wurde ein Modell für ein dehnbares Leitungssegment entwickelt, mittels dessen die Form der Leitungen für verschiedene Dehnungszustände modelliert und ihre Frequenzgangcharakteristik simuliert wurde. Der praktische Teil der Arbeit umfasste die Herstellung eines metamorphen Substrats mit Leitungsstrukturen in den Laboren des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN), TU Ilmenau und die Messung jeder der sechs Strukturen mit dem Netzwerkanalysator im ungedehnten Zustand und für verschiedene Dehnungswerte. Das Hauptziel der Masterarbeit war die Untersuchung des Einflusses der Dehnung auf die Übertragungseigenschaften von HF-Leitungen. Um die Leitungen in verschiedenen Dehnungszuständen simulieren zu können, wurden die Segmente neu als Halbkreissegmente gestaltet. Basierend auf den Ergebnissen der Forschungsarbeit können eine Reihe von Schlussfolgerungen gezogen werden: 1. Der Wert der Phasenkonstante ß steigt unter Dehnung an, dies ist besonders deutlich an der Struktur "P2P_v2" zu beobachten. 2. Die Struktur des Typs "P2P_v2" hat den kleinsten Absolutwert der Phasenkonstante ß, aber weist gleichzeitig die größte Änderung von der Anfangsposition (0% Dehnung) zur Endposition (50 % Dehnung) auf. Beispielsweise betrug für eine Frequenz von 1 GHz das Wachstum der simulierten Werte für die Phasenkonstante ß 0,601 bis 0,832. Im Vergleich dazu betrug bei derselben Frequenz die Änderung für die Leitung "H2H_0" nur 0,759 bis 0,857. 3. Diese signifikanten Unterschiede im Verhalten der "P2P_v2"-Leitung im Vergleich zu den anderen Leitungsgeometrien sind in ihrer Konstruktion begründet, die sich von anderen Leitungsstrukturen unterscheidet, nämlich ihr Aufbau aus Kreis- im Gegensatz zu den Mäandersegmenten der übrigen Leitungsvarianten. 4. Für Anwendungen, bei denen die absolute Änderung der Phasenkonstante möglichst klein sein soll, sollten daher eher die Strukturen "H2H_-100" und "P2P_20" verwendet werden, wenn man den Effekt der Phasenänderung in der Anwendung ausnutzen möchte, sollte man die Struktur "P2P_v2" wählen. Das größte Problem, das während dieser Arbeit auftrat, waren Qualitätsprobleme der hergestellten Teststrukturen. Speziell traten Kurzschlüsse zwischen Mittelleiter und Masseleitungen sowie auch Unterbrechungen einer der Mäanderleitungen auf. Das schwerwiegendste Problem war jedoch, dass sich die Kupferstrukturen bei Dehnung vom Substrat lösten. Eine mögliche Gegenmaßnahme, die Fixierung der Leiterbahnen mittels einer zusätzlichen dünnen Polymerschicht, für die auch schon Masken für den zusätzlich notwendigen Fotolithografieschritt erzeugt wurden, konnte wegen eines Defekts der Lithografieanlage nicht realisiert werden. Nach Reparatur dieser Anlage sollten die Leitungsstrukturen noch einmal in dieser Variante hergestellt werden. Dadurch wäre die Haftfähigkeit der Metallstrukturen wesentlich erhöht und zuverlässige Messungen der Leitungsstrukturen in verschiedenen Dehnungszuständen ermöglicht. Damit könnten die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse verifiziert werden.



Bauer, Julia; Andrich, Carsten; Ihlow, Alexander; Beuster, Niklas; Del Galdo, Giovanni
Characterization of GPS disciplined oscillators using a laboratory GNSS simulation testbed. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 4 S.

This paper introduces a testbed to characterize the performance of GPS disciplined oscillators using a GNSS signal simulator and a measurement system based on software-defined radios and digital signal processing that allows to examine the stability of up to four devices with sub-nanosecond precision, time-coherently for 1 PPS and 10 MHz signals, in a controllable laboratory environment with reproducible and adjustable GNSS signal settings over a long-term observation period. To demonstrate the effectiveness of this method, four devices of one specific low-cost GPSDO type available to the authors are characterized and compared in terms of their positional accuracy and their time and frequency stability in steady state and during stabilization.



https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234932
Andrich, Carsten; Engelhardt, Maximilian; Ihlow, Alexander; Beuster, Niklas
Measurement of drift and jitter of network synchronized distributed clocks. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 8 S.

We propose a measurement setup for simultaneous measurement of drift and jitter of network synchronized distributed clocks using only off-the-shelf components. A network interface card with hardware timestamping capability and a local GPS-synchronized PTP grandmaster combined with appropriate post-processing enable absolute time measurement with sub-microsecond accuracy. The setup is explained in detail and its use exemplified by a 34 day measurement campaign. By polling a selection of globally distributed, GPS-synchronized NTP servers, delay asymmetry measurements were enabled. A detailed analysis of results illustrates the time-variant statistical properties of the jitter.



https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234926
Agarwal, Amisha;
Evaluation and comparison of various auto-configuration approaches for OPC-UA PubSub nodes. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Anforderung Funktionen aus der IIOT und der Digitialisierung in der Industrie einzuführen um agiler und effizienter zu werden, erfordert große Datenübertragungsmengen. Open Platform Communication Unified Architecture (OPC UA) ist eine vielseitige Technologie für den sicheren, zuverlässigen und interoperablen Datentransport in einer industriellen Umgebung. In dem kürzlich eingeführten OPC UA PubSub-Schema werden die teilnehmenden Knoten derzeit manuell konfiguriert, da im Standard kein automatischer Konfigurationsmechanismus angegeben ist. Die automatische Konfiguration ist wichtig, um das volle Potenzial des PubSub-Ansatzes auszuschöpfen, indem dynamische und skalierbare Netzwerkänderungen ermöglicht und Informationen zu möglichen Änderungen in Bezug auf verfügbare Informationen bereitgestellt werden. In dieser Arbeit werden drei Ansätze zur automatischen Konfiguration vorgeschlagen, nachdem die vorhandenen Mechanismen zur automatischen Konfiguration, die OPC UA-Standards und das manuelle Konfigurationsverfahren für OPC UA PubSub-fähige Knoten umfassend untersucht wurden. Die vorgeschlagenen Ansätze werden mit dem OMNeT ++ - Netzwerksimulator simuliert und verglichen. Der Vergleich jedes Ansatzes wird auf der Grundlage des Nachrichtenaufwands während der Konfiguration und der erforderlichen Konfigurationszeit durchgeführt, um die Leistung hinsichtlich Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Skalierbarkeit zu analysieren. Basierend auf den Ergebnissen wird der vielversprechendste Ansatz auf realen OPC-UA-Knoten implementiert und verifiziert. Die Implementierung auf realer Hardware und Simulation zeigt ähnliche Ergebnisse, was die Eignung des gewählten Ansatzes auf OPC-UA PubSub-fähigen Knoten impliziert.



Andrich, Carsten; Engelhardt, Maximilian; Ihlow, Alexander; Beuster, Niklas; Del Galdo, Giovanni
Stochastic modeling of short and long term clock skew. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 4 S.

Traditional black box clock skew models are either the power-law noise model or a more recent approach based on auto-regressive (AR) filters. Unfortunately, neither algorithm can accurately model short and long term skew due to limited degrees of freedom or stability constraints. We propose a novel model that employs the current AR algorithm recursively with appropriate pre- and post-processing to achieve numeric stability and accurate reproduction of short and long term effects. The model coefficients are derived from a measured skew signal, with the model output matching an exemplary original signal closely in terms of Allan variance and time-domain behavior.



https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234818
Demirocak, Kubilay;
Evaluation of remote-monitoring solutions for outdoor wireless sensor networks. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Wireless Sensor Networks (WSNs) sind Systeme, die Daten sammeln, indem sie ihre Umgebung erfassen. Die Daten werden an einem zentralen Knotenpunkt gesammelt, um eine zukünftige Nutzung dieser Daten zu ermöglichen. Die Sensoren befinden sich im Freien und werden mit Batterien betrieben. Daher sind die verwendeten Geräte stark ressourcenbeschränkt. Jedoch wird auch von ihnen erwartet, dass sie zufriedenstellende Überwachungsfunktionen bieten: die genaue Erfassung von Temperaturmessdaten, Informationen über den Zustand des Netzwerks sowie Benachrichtigung über den Batteriestand. Daher ist eine Lösung erforderlich, die die genannten Überwachungsfunktionen bei minimalem Energieverbrauch bietet, um eine lange Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten. In dieser Arbeit wurde ein Monitoring-Agent entwickelt, welcher dem System die Überwachungsfunktionen ermöglicht. Zusätzlich wurden weitere Funktionen implementiert, um einen minimalen Batterieverbrauch zu realisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Monitoring-Agent ressourcenschonend arbeitet. Daher verursacht dessen Betrieb keinen signifikanten Anstieg des Energieverbrauchs, wodurch er für den Einsatz zur Überwachung des Netzes geeignet ist. Das Ziel, Energie einzusparen und gleichzeitig den allgemeinen Zustand des Netzwerks zu überwachen, wurde erreicht. Die vorgenommenen Verbesserungen erhöhen die Lebensdauer der Batterie, obwohl es durch das Hinzufügen der Monitoringschicht einen zusätzlichen Energieverbrauch gibt. So können mehr Parameter überwacht werden, wobei hierbei ein Kompromiss eingegangen wird, denn der Energieverbrauch wird hierdurch erhöht. Daher kann, abhängig vom betrachtetem spezifischen Systemszenario, gesagt werden: Es ist ein Optimierungsproblem, mehr Parameter zu überwachen und gleichzeitig den Energieverbrauch des Systems auf dem gewünschten Schwellenwert zu halten.



Bauer, Julia; Andrich, Carsten; Ihlow, Alexander; Beuster, Niklas; Del Galdo, Giovanni
Characterizing GPS disciplined oscillators for distributed vehicle-to-X measurement applications. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 4 S.

In this paper, we analyze the reference signal stability of 1 PPS and 10 MHz signals provided by a low-cost GPS disciplined oscillator under application specific conditions using a comparable light-weight measurement system based on software defined radio and digital signal processing. In mobile measurement scenarios, GPS signal impairments are inevitable, due to obstacles such as buildings, street canyons, bridges, and tunnels. Therefore, we preliminarily characterize four GPSDOs under test in a stationary setup using controlled GPS reception loss to drive them into alternating operation modes, namely free-run, disciplined and holdover mode. Further, we conducted a more than 100 km real-world diversified test drive to characterize the performance of the particular GPSDO as realistically as possible for the intended use in mobile V2X measurements.



https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234915
Younis, Muhammad Waqar;
A dedicated supervisor controller to alleviate DDoS attacks on resources in software-defined networking. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Software Defined networking (SDN) ist ein neuer Netzwerkansatz, der die traditionellen Netzwerke kontinuierlich weiterentwickelt und in flexiblere Netzwerke umwandelt, um sich schnell an die wachsende Nachfrage der Endbenutzer anzupassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Netzwerken ermöglicht dieser Ansatz die Entkopplung von Steuerungs- und Datenebenenfunktionen, um Netzwerkressourcen auf dynamische Weise effizient zu überwachen, zu konfigurieren und zu optimieren. Es verfügt über eine zentrale Steuerung mit einer globalen Ansicht des Netzwerks, um die gesamten Netzwerkressourcen mithilfe programmierbarer Schnittstellen zu verwalten. Diese zentrale Steuerung bringt auch mehrere Sicherheitslücken mit sich, die von Angreifern ausgenutzt werden können, um die Netzwerkfunktionalität zu stören. Die SDN Architektur ist für Angreifer sehr attraktiv, da sie Pakete sorgfältig erstellen können, was zu einem großen Datenverkehr von SDN Switches zum Controller führen kann, was zu einer Sättigung der Bandbreite des Steuerkanals und sogar zu falschen Einträgen in den Switches führt. In dieser Arbeit überwachen wir das Verhalten von SDN Controllern, um DDoS Angriffe auf die SDN Architektur zu erkennen. Die Erkennung von böswilligem Verhalten des Controllers erfolgt mithilfe von Entropie- und Korrelationstechniken und um den betroffenen Controller effektiv zu identifizieren. Nach der Erkennung des betroffenen Controllers wird eine Lösung vorgeschlagen, um den betroffenen Controller zu isolieren, die auf der gegenseitigen Entscheidung anderer Controller im Netzwerk basiert. Um das Netzwerk zu schützen, wurde eine Supervisor-Anwendung entwickelt, die das Verhalten von Controllern überwacht und es den Controllern ermöglicht, böswilliges Verhalten durch gegenseitige Entscheidung zu entscheiden. Aus den Simulationsergebnissen geht hervor, dass der angegriffene Controller erkannt und isoliert werden kann, um eine weitere Sättigung der Netzwerkressourcen zu verhindern.



Kuzmin, Nikita;
Blind source separation using high-resolution parameter estimation algorithms for hexagonal microphone arrays. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In dieser Arbeit wird die Leistung verschiedener hochauflösender BSS-Algorithmen (BSS) untersucht. Darüber hinaus wird die Leistung der Algorithmen in einem Echtzeitszenario untersucht, in dem die Algorithmen auf Audiodaten angewendet werden, die von einem hexagonalen Mikrofonarray aufgezeichnet wurden. Zu diesem Zweck wurde das Echtzeit-Verarbeitungsframework entwickelt, das die Verarbeitung aufgezeichneter Audiodaten sowie der Audiosätze des Benutzers unterstützt und die Effizienz jedes betrachteten Algorithmus bewerten kann. Hilfsfunktionsbasierter Algorithmus für die unabhängige Vektoranalyse AuxIVA, unabhängige niedrigrangige Matrixanalyse ILRMA und Time Domain Fractional Delay Separation AIRES verglichen.



Entwicklung einer Architektur für eine PTP-basierte hybride Studiosynchronisation. - Ilmenau. - 106 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In vielen Medienunternehmen findet der Wandel zu IP-basierten Hörfunk- und Fernsehproduktionen statt. Das betrifft auch die Bereitstellung der zur Synchronisation erforderlichen Signale. In Live-IP-Netzwerken wird anstelle von Synchronisationssignalen auf den paketbasierten Austausch von Zeitinformationen über das Precision Time Protocol (PTPv2) gesetzt. Der Südwestrundfunk (SWR) strebt als Übergangsphase eine Koexistenz der alten und neuen Technologie an, sodass die bereits bestehenden Broadcast-Systeme zunächst weiter mit den klassischen Synchronisationssignalen (z.B. Wordclock oder Blackburst) versorgt werden müssen. Da PTPv2 zukünftig das führende Synchronisationssystem im SWR sein soll, müssen Wandler eingesetzt werden, welche aus den PTPv2-Zeitinformationen die klassischen Synchronisationssignale ableiten können (hybride Studiosynchronisation). Ziel dieser Untersuchung ist es, eine Architektur zu entwicklen, die eine PTPv2-basierte Synchronisation im gesamten SWR-Netzwerk ermöglicht. Des Weiteren sollen verschiedene hybride Wandler auf deren Eigenschaften untersucht werden, um einschätzen zu können, welche produktiv eingesetzt werden können.



Han, Tianyi;
Investigation of the resilience of Bluetooth mesh networks. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Ziel dieser Arbeit war es, die Belastbarkeit von Bluetooth-Mesh-Netzwerken zu untersuchen, indem ein experimentelles Testbed eines Mesh-Netzwerkes bestehend aus Bluetooth Low Energy (BLE)-Geräten erstellt wurde. Für die Bewertung des MeshNetzwerks wurden Parameter wie die Signalstärke, die Entfernung und das Packet Delivery Ratio berücksichtigt. Die theoretische Untersuchung verschiedener BLE MeshImplementierungen und Mesh Networking Software für Bluetooth 5.0 werden in dieser Arbeit vorgestellt. Verschiedene Arten von hardwarebasierten BLE-Implementierungen werden theoretisch untersucht und verglichen. Diese Arbeit trägt zum Vergleich des Standes der Technik bestehender BLE MESH-Netze, die von der Industrie mit Software Entwicklungs-Kits, Anwendungen, Anwendungsfällen, Hardware-Beschreibungen und Open-Source-Implementierungen für verschiedene Betriebssysteme angeboten werden, bei. Im Hinblick auf die Untersuchung von BLE MESH-Netzwerken wurden verschiedene Experimente durchgeführt, die sich z.B. auf Coverage, Received Signal Strength Indicator (RSSI) und Packet Delivery Ratio bezogen. Die verschiedenen Messungen wurden für verschiedene Szenarien untersucht. Der Vergleich und die Analyse der experimentellen Daten führte zu Schlussfolgerungen über die Belastbarkeit des BLE MESH-Netzwerks. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass BLE MESH-Netze eine gute Belastbarkeit aufweisen.



Daurembekova, Ainur;
Reduced complexity precoding for MIMO-OFDM. - Ilmenau. - 94 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

MIMO-OFDM ist eine wettbewerbsfähige Wahl für drahtlose Breitband-Kommunikationssysteme. Die Kombination der Methoden ermöglicht es, den Durchsatz und die Zuverlässigkeit von Kommunikationssystemen zu erhöhen. Wenn darüber hinaus Kanalzustandsinformationen auf der Senderseite verfügbar sind, können wir durch lineare Vorcodierung und Decodierung auf der Sender- und auf der Empfängerseite eine zusätzliche Verbesserung der Leistung des Kommunikationssystems erzielen. Aufgrund der großen Anzahl von Unterträgern in den modernen OFDM-Systemen wächst jedoch die mit der Berechnung und Anwendung der Vorkodierung und Dekodierung auf jedem Unterträgerverbundene Rechenlast mit der Zunahme der Anzahl von Unterträgern übermäßig an, und der direkte Ansatz wird in der Praxis nicht mehr praktikabel. Während in realen Kommunikationssystemen die Leistungssteigerung mit minimalen Hardware- und Rechenkosten erreicht werden sollte, ist der direkte Ansatz in der Praxis nicht durchführbar. Daher ist die Entwicklung von Algorithmen mit geringerer Berechnungskomplexität für zukünftige Kommunikationssysteme entscheidend und eines der Hauptanliegen der Systementwickler. In der Masterarbeit untersuchen wir den linearen Vorcodierungsentwurf für Multiple-Input Multiple-Output Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (MIMO-OFDM) Systeme mit der reduzierten Komplexität. Wir leiten eine Tensorstruktur eines empfangenen Signals für ein MIMO-OFDM-System mit linearer Vorcodierung und Decodierung ab. Darüber hinaus stellen wir das empfangene Signal als eine Reihe von Doppelkontraktionsoperationen zwischen Tensoren für Decoder, Kanal, Vorcodierer und Sendesymbole dar. Wir untersuchen und präsentieren Ergebnisse für verschiedene Methoden der Subträgergruppierung als Verfahren zur Reduzierung der rechnerischen Komplexität des Verfahrens. Wir präsentieren einen Überblick über die vorhandenen Algorithmen und schlagen unseren Algorithmus zur Lösung des Problems vor, der auf der HOSVD des Kanaltensors für eine Gruppe von Unterträgern mit anschließender Rang 1 Approximation basiert, um ein einheitliches Vorkodierungs- und Dekodierungsschema für die gesamte Gruppe von Unterträgern zu entwerfen. Die Leistung des vorgeschlagenen Algorithmus wird durch Simulationen in verschiedenen Kanalmodellen verifiziert, wie z. B. dem 3GPP Pedestrian-A-Kanalmodell und dem 3GPP 3D-Modell unter Verwendung des Quadriga-Kanalsimulators.



Koshkin, Ilia;
Experimentelle Messungen und Simulationsrechnungen zum Verhalten von Modell-Isolatoren bei Mischspannung. - Ilmenau. - 81 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Das Ziel dieser Masterarbeit ist es, Freifeld-Messungen an Langstabisolatoren einer weitestgehend realen Freileitungsanordnung vorzubereiten. Die Untersuchung beschränkt sich dabei auf das Verhalten eines Modell-Langstabisolators bei einer variierten Mischspannungsbeanspruchung und bei variierten Fremdschichten. Zwecks der Erzeugung der Mischspannung wurde eine spezielle Hochspannungsschaltung aufgebaut. Das Material der Fremdschichten ist als Kieselgur-Zusammensetzung mit verschiedenen Salzmassenkonzentrationen dargestellt. Zu diesem Zweck wurden experimentelle Messungen eines Leckstroms über einzelnen Kappen des Isolators und der Verteilung des elektrischen Potentials entlang den Isolator durchgeführt. Um den Leckstrom zu messen, wurde ein Strommesssystem realisiert, das sowohl ein DC-Anteil als auch AC-Anteil des Leckstroms bei einer Mischspannung zu messen ermöglicht. Infolge Messergebnisse wurden Größenordnungen dieser Anteile bewerten. Die Messung der Verteilung des Potentials wurde mithilfe eines elektrostatischen Voltmeters versucht. Dieser zufolge wurde Schlussfolgerung über die Anwendungsmöglichkeiten des Voltmeters für die Messung der Verteilung des Potentials entlang die Langstabisolatoren gezogen. Schließlich wurde ein FEM-Modell des Verbundisolators bzw. seiner einzelnen Kappe vorgeschlagen. Dies ermöglicht einen Leckstrom sowohl bei einer variierten Mischspannung als auch bei der variierten Leitfähigkeit und Permittivität einer Fremdschicht zu berechnen.



Entwurf und Implementierung eines Künstlichen Neuronalen Netzes zur Zustandsüberwachung elektromechanischer Systeme. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Heutzutage besteht eine der Hautaufgaben für die meisten Unternehmen, die Produktion zu optimieren, indem die Kosten für Ausfälle und Außerbetriebsetzung bei der Wartung der Geräte gesenkt werden. Um solche Probleme zu vermeiden, setzen die Unternehmen ein Predictive Maintenance (PM) Überwachungssystem ein, bei dem der aktuelle Gerätezustand mit Hilfe von Sensoren (z.B. Stromsensoren, Ultraschallsensoren, Drucksensoren usw.) in Echtzeit bestimmt wird. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erkennung von Lagerschäden in Elektromotoren, welche eine häufig auftretende Ausfallursache der Motoren sind. Um mögliche Lagerschaden früher vorherzusagen, wird in dieser Arbeit eine Ultraschalluntersuchung des Motors durchgeführt, bei der der Ultraschallsensor auch geringfügige Änderungen des Motorbetriebs aufzeichnen kann. Nach Analyse der berechneten Kennwerte des Motorbetriebs mit und ohne Lagerschaden mittels statistischer Analyse, Fourier-, Wavelet und Kreuzkorrelationsanalyse werden geeignete Parameter für den Vergleich unterschiedlicher Motoren bestimmt. Zur Identifikation von Motoren mit und ohne Lagerschaden wird ein künstliches neuronales Netz (Backpropagation-Netz) eingesetzt und trainiert.



Greubel, Christian;
Evaluierung der Qualität von Kabelverbindungen mittels breitbandiger Pseudorauschkodes. - Ilmenau. - 120 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Für viele technische Anwendungen, etwa in der Robotik, ist die höchst zuverlässige Übertragung von Sensordaten oder schnellen Steuersignalen über drahtgebundene Netzwerke unabdingbar. Daher ist zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit die Messung und Überwachung asymetrischer oder differenzieller Verbindungen hinsichtlich elektrischen Reflektions- und Übertragungseigenschaften von größter Bedeutung. Ziel ist es, Veränderungen von Kabeleigenschaften zu erkennen um darauf reagieren zu können bevor sich das System unerwartet verhält. Die vorliegende Arbeit zeigt verschiedene Konzepte auf um das elektrische Verhalten dieser Kabelverbindungen durch Zeitbereichsmessungen mit m-Sequenz Pseudorauschcode mit geringer Störung der Nutzsignale zu erfassen und im Zeit- aber auch im Frequenzbereich als Streuparameter darzustellen. Der Fokus liegt dabei auf der preiswerten Skalierbarkeit hin zu einer Mehrkanalmessung, die sowohl für asymmetrische als auch differenzielle Testobjekte einsetzbar ist und dem Entwickeln einer Kalibrierungsmethode möglichst geringer Komplexität. Um die Zuverlässigkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten m-Sequenz Messköpfe auf ihre Langzeitstabilität und Empfindlichkeit gegenüber Umweltparametern untersucht und Kompensationsmaßnahmen ergriffen. Darüber hinaus wurde eines der zuvor erstellten Messkonzepte, basierend auf Hochfrequenzschaltern und Richtkopplern, ausgewählt und als Hardware-Frontend gebaut, welches bezüglich seiner Eigenschaften charakterisiert wurde. Anschließend wurden geeignete Kalibrierungsmethoden untersucht, ausgewählt und hiermit exemplarische Testmessungen zur Evaluierung durchgeführt. Basierend auf den hieraus hervorgegangenen Erkenntnissen wurden Schlussfolgerungen gezogen, wie das System weiter verbessert werden kann.



Da Rosa Zanatta, Mateus; Costa, João Paulo Carvalho Lustosa da; Antreich, Felix; Haardt, Martin; Elger, Gordon; Lopes De Mendon¸ca, Fábio Lúcio; De Sousa, Rafael Timóteo
Tensor-based framework with model order selection and high accuracy factor decomposition for time-delay estimation in dynamic multipath scenarios. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 8 (2020), S. 174931-174942

Global Navigation Satellite Systems (GNSS) are crucial for applications that demand very accurate positioning. Tensor-based time-delay estimation methods, such as CPD-GEVD, DoA/KRF, and SECSI, combined with the GPS3 L1C signal, are capable of, significantly, mitigating the positioning degradation caused by multipath components. However, even though these schemes require an estimated model order, they assume that the number of multipath components is constant. In GNSS applications, the number of multipath components is time-varying in dynamic scenarios. Thus, in this paper, we propose a tensor-based framework with model order selection and high accuracy factor decomposition for time-delay estimation in dynamic multipath scenarios. Our proposed approach exploits the estimates of the model order for each slice by grouping the data tensor slices into sub-tensors to provide high accuracy factor decomposition. We further enhance the proposed approach by incorporating the tensor-based Multiple Denoising (MuDe).



https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.3024597
Häfner, Stephan; Thomä, Reiner
Compensation of motion-induced phase errors and enhancement of Doppler unambiguity in TDM-MIMO systems by model-based estimation. - In: IEEE sensors letters, ISSN 2475-1472, Volume 4 (2020), issue 10, 7003504, 4 Seiten

Utilization of multiple input multiple output (MIMO) systems in radar and channel sounding has gained increased attention in recent years. Quite often, time-division multiplexing (TDM) is employed to realize orthogonal waveforms at the transmitter. Apart from its advantages, TDM has two severe drawbacks. First, motion-induced phase variations become indistinguishable from phase migration due to the signal's arrival direction. This is termed angle-Doppler coupling, which causes ambiguities in angle, and Doppler estimation. Second, the unambiguously resolvable Doppler, i.e., the Doppler bandwidth, is reduced. In this letter, a model-based estimation approach will be proposed, which compensates for angle-Doppler coupling, and restores the Doppler bandwidth. A data model for the MIMO observations is derived, which is exploited by a maximum likelihood estimator to infer angle, delay, and Doppler from the observations. The performance of the proposed approach will be testified by simulations.



https://doi.org/10.1109/LSENS.2020.3020700
E-Asim, Fazal-; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin; Cavalcante, Charles C.; Nossek, Josef A.
Rank-one detector for Kronecker-structured constant modulus constellations. - In: IEEE signal processing letters, ISSN 1558-2361, Bd. 27 (2020), S. 1420-1424

To achieve a reliable communication with short data blocks, we propose a novel decoding strategy for Kronecker-structured constant modulus signals that provides low bit error ratios (BERs) especially in the low energy per bit to noise power spectral density ratio (E_b/N_o). The encoder exploits the fact that any M-PSK constellation can be factorized as Kronecker products of lower or equal order PSK constellation sets. A construction of two types of schemes is first derived. For such Kronecker-structured schemes, a conceptually simple decoding algorithm is proposed, referred to as Kronecker-RoD (rank-one detector). The decoder is based on a rank-one approximation of the "tensorized" received data block, has a built-in noise rejection capability and a smaller implementation complexity than state-of-the-art detectors. Compared with convolutional codes with hard and soft Viterbi decoding, Kronecker-RoD outperforms the latter in BER performance at same spectral efficiency.



https://doi.org/10.1109/LSP.2020.3010133
Schmidt, Leander; Römer, Florian; Böttger, David; Leinenbach, Frank; Straß, Benjamin; Wolter, Bernd; Schricker, Klaus; Seibold, Marc; Bergmann, Jean Pierre; Del Galdo, Giovanni
Acoustic process monitoring in laser beam welding. - In: 11th CIRP Conference on Photonic Technologies [LANE 2020], (2020), S. 763-768

Structure-borne acoustic emission (AE) measurement shows major advantages regarding quality assurance and process control in industrial applications. In this paper, laser beam welding of steel and aluminum was carried out under varying process parameters (welding speed, focal position) in order to provide data by means of structure-borne AE and simultaneously high-speed video recordings. The analysis is based on conventionally (e.g. filtering, autocorrelation, spectrograms) as well as machine learning methods (convolutional neural nets) and showed promising results with respect to the use of structure-borne AE for process monitoring using the example of spatter formation.



https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.139
Solangi, Ghulam Murtaza ;
Software defined approaches for data center networks. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Datenzentren werden aufgrund der zunehmenden Datengenerierung und Internetnutzer auf der ganzen Welt schnell zu einem festen Bestandteil jedes größeren Unternehmens. Rechenzentrumsnetzwerke sind ein integraler Bestandteil von Rechenzentren. Cloud Computing gewinnt aufgrund seiner zahlreichen Vorteile immer mehr an Bedeutung. Viele Datencenter-Topologien sind vorgeschlagen worden, um diese Herausforderung zu lösen. In der Arbeit werden mehrere Topologien wie Fat Tree, DCell, BCube und Circu-lant Fat Tree diskutiert. Das Routing von Rechenzentren ist für feste große Netzwerke ausgelegt, die typisch für Rechenzentren sind. Die Simulation eines komplexen Systems wie eines Rechenzentrums ist eine schwierige Aufgabe. Es gibt verschiedene Simulatoren, die verwendet wurden, um sowohl physische als auch Cyber-Aspekte eines Rechenzentrums zu modellieren. In der Arbeit werden verschiedene Architekturen wie Monsoon, Portland und VL2 diskutiert, um Licht in die Funktionsweise von Rechenzentrumsnetzwerken zu bringen. Die Crossroads-Architektur, die die Vorteile von SDN ausnutzt, wird ebenfalls diskutiert. Eine Simulation der Netzwerkkapazität des traditionellen Fat-Tree unter Verwendung des Spanning-Tree-Protokolls und des DCell-Netzwerks wird diskutiert. Eine Simulation von BIRD und BATMAN des Fat-Tree-Netzwerks in Bezug auf Netzwerkkapazität und Durchsatz wird ebenfalls diskutiert. Abschließend werden die Vorteile "Software Defined Approaches" für Rechenzentren gegenüber traditionellen Netzwerken diskutiert.



Li, Yihan;
In Kunststoff formschlüssig eingebettete Patch-Antennengruppe für automobile Satellitenkommunikation im Ka-Band. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

In absehbarer Zeit werden in PKW eingebaute Mobilfunk-Endgeräte eine Datenverbindung über 5G-Kommunikationsnetze nutzen. Große Datenraten erfordern dafür immer höhere Betriebsfrequenzen. Mit zunehmender Frequenz elektromagnetischer Wellen werden die Probleme jedoch der Abschattung durch Gebäude und Topografie immer ausgeprägter und die berüchtigten Funklöcher in der Netzabdeckung sind unvermeidlich. Um jederzeit und überall eine 5G-Kommunikation in Kraftfahrzeugen zu erreichen, soll die Satellitenkommunikation verwendet werden, um Empfangslücken zu schließen. In dieser Masterarbeit wird eine beispielhafte Realisierung einer Antenne für automobile Satellitenkommunikation im Ka-Band analysiert und die Machbarkeit einer Satellitendirektverbindung als Ergänzung für terrestrische 5G-Anwendungen untersucht. Mit Hilfe der numerischen Vollwellensimulation wurde eine Patch-Antennengruppe im Ka-Band entworfen und optimiert. Anschließend wurde diese Gruppenantenne aus 4 Patches auf einem HF-geeigneten Substrat aufgebaut und ihre Strahlungseigenschaften wurden im Antennenmesslabor aufgenommen. Da die endgültige Anwendung am PKW eine entsprechende Hermetisierung voraussetzt, wurde die Antennenstruktur formschlüssig in Kunststoff eingebettet und erneut in ihrem Abstrahlverhalten gemessen. Um Aussagen über die Sensitivität der erhaltenen Ergebnisse gegenüber fertigungsbedingten Parameterschwankungen zu erhalten, wurden numerische Simulationen mit entsprechenden variierten Dimensionierungen vorgenommen und ausgewertet. In weiteren Simulationen wurde die Strahlschwenkung mit unterschiedlichen Speisephasen in den Arrayelementen untersucht.



Kreismann, Jakob; Kim, Jaewon; Bosch, Martí; Hein, Matthias; Sinzinger, Stefan; Hentschel, Martina
Super-directional light emission and emission reversal from micro cavity arrays. - In: DPG-Frühjahrstagung (DPG Spring Meeting) of the Condensed Matter Section (SKM) together with the DPG Division Environmental Physics and the Working Groups Accelerator Physics; Equal Opportunities; Energy; Industry and Business; Physics, Modern IT and Artificial Intelligence, Young DPG, (2020), KFM 7.1

A study of multichannel biomedical data streams using machine learning methods with regard to an implementation in embedded systems. - Ilmenau. - 52 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

In den letzten Jahrzehnten hat maschinelles Lernen verschiedene Bereiche der Wissenschaft rasch verändert, indem neue Analysewerkzeuge bereitgestellt wurden, um aus zuvor verfügbaren Daten neue Schlussfolgerungen abzuleiten. Die Suche nach einem geeigneten Klassifikator mit aussagekräftigen Merkmalen für den richtigen Datensatz ist eine der vielen Herausforderungen in diesem sich noch entwickelnden Bereich. Eines der Gebiete, die von Fortschritten beim maschinellen Lernen stark profitieren würde, ist die biomedizintechnische Diagnostik von EKG-Signalen. Diese Arbeit versucht, die Wirksamkeit und Genauigkeit von zwei Klassifikatoren des maschinellen Lernens zu untersuchen, nämlich Artificial Neural Networks (ANN), sowie Support-Vektor-Maschinen (SVM). Außerdem werden verschiedene Merkmalsextraktionsmethoden untersucht, die am Eingang dieser Klassifikatoren einfließen. Dazu gehören einfacher zeitlicher und spektraler Eigenschaften des QRS-Komplexes sowie Merkmale, die aus der WaveletTransformationen dieser EKG-Signale abgeleitet werden könnten. Diese Methoden, die mithilfe von Wolframs Mathematica implementiert werden, sollten auf einen Datensatz angewendet werden. Schließlich wurde bezüglich der beiden Klassifizierungsmethoden eine höhere Genauigkeit von künstlichen neuronalen Netzen demonstriert, jedoch sind diese viel rechenintensiver als Support-Vector-Machinen. Die Genauigkeiten der beiden Klassifikatoren sind in Betracht der Zwecke dieser Studie akzeptabel.



Schieler, Steffen; Schneider, Christian; Andrich, Carsten; Döbereiner, Michael; Luo, Jian; Schwind, Andreas; Thomä, Reiner; Del Galdo, Giovanni
OFDM waveform for distributed radar sensing in automotive scenarios. - In: International journal of microwave and wireless technologies, ISSN 1759-0795, Bd. 12 (2020), 8, S. 716-722

https://doi.org/10.1017/S1759078720000859
Das, Sanju;
Measurement and modeling of radiated interference in industrial frequency bands for 5G URLLC. - Ilmenau. - 106 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Es wird erwartet, dass 5G Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC) eine wichtige Rolle in der industriellen Automatisierung spielt, bei der die hohe Zuverlässigkeit des Kommunikationsnetzwerks von entscheidender Bedeutung ist. Eine industrielle Umgebung kann jedoch verschiedene Arten von Störstrahlungen enthalten, was dazu führen kann, dass der Systemteil mit Bedarf an hoher Zuverlässigkeit nicht mehr korrekt arbeitet. Vor der Anwendung von Netzwerklösungen ist es daher unerlässlich, ein angemessenes Verständnis der verschiedenen Störstrahlungen zu haben, die in einer industriellen Umgebung auftreten können. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung eines solchen Verständnisses in dem jeweiligen relevanten Frequenzband. In diesem Zusammenhang haben wir in einer kleinen Fabrik eine Messreihe durchgeführt, die sich insbesondere mit den Emissionen eines Lichtbogenschweißprozesses befasst und eine detaillierte Analyse der Eigenschaften wie Leistung, Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, Leistungsdichtespektrum und zeitliche Parameter der gemessenen Interferenz liefert. Darüber hinaus werden in der Arbeit mehrere state-of-the-art Impulsrauschmodelle untersucht und ihre Leistung bei der Modellierung der Eigenschaften der gemessenen Interferenz bewertet. Ebenfalls wird ein neuartiges Modell vorgeschlagen, bei dem das Ergebnis eine höhere Genauigkeit derWahrscheinlichkeitsdichtefunktion und bessere zeitliche Eigenschaften als die vorhandenen Modelle aufweist. Die beiden wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit sind einerseits der Einblick in die Eigenschaften der gemessenen Interferenz sowie die Entwicklung eines neuartigen Modells mit verbesserter Leistung im Vergleich zu den vorhandenen Modellen. Die Ergebnisse der Arbeit können in Simulationen/Emulationen von 5G-Systemen verwendet werden und helfen, die Systemleistung bei industriellen Interferenzen zu untersuchen und zu verbessern.



Semper, Sebastian; Döbereiner, Michael; Pawar, Sankalp; Landmann, Markus; Del Galdo, Giovanni
eadf: representation of far-field antenna responses in Python. - In: SoftwareX, ISSN 2352-7110, Bd. 12 (2020), 100583, S. 1-6

https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100583
Pandey, Rick;
Robust signal processing of manually acquired single-channel synthetic aperture ultrasound measurement data. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die manuelle Ultraschallprüfung ist ein zerstörungsfreies Prüfverfahren das zur Identifizierung von Fehlern in Bauteilen eingesetzt wird. Sie ist aufgrund ihrer Kompatibilität mit komplexen Probenstrukturen weit verbreitet. Die Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) ist eine Rekonstruktionstechnik, die zur Abbildung des Inneren von Objekten durch Nachbearbeitung von Ultraschallmessungen verwendet wird. Sie wird bei Messungen angewandt, die mit einem Positionierroboter in der Industrie durchgeführt werden. Bei gleicher Verarbeitung händischer Daten treten Artefakte aufgrund unvermeidlicher Probleme auf, die mit manueller Prüfung verbunden sind: variable Prüfdichte, räumliche Spärlichkeit und Versatz bei A-Bildern aufgrund von inkonsistentem Anpressdruck. Tiefe Neuronale Netzwerke (Deep Neural Networks, DNN) werden häufig zur Klassifiezierung von Daten als Vorverabeitung zur Verbesserung der Bildgebung verwendet. Ziel dieser Arbeit ist, die SAFT-Rekonstruktion für manuelle mit 3D SmartInspect, einem vom Fraunhofer Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP entwickeltes Assistenzsystem, gemessene Ultraschalldaten zu verbessern. Als Ergebnis verbesserten wir die SAFT-Ergebnisse im Vergleich zum Stand der Technik durch optimierte Parameterauswahl basierend auf dem Messaufbau. Wir haben ein DNN-Modell entwickelt, mit dem die erfassten Messungen vorverarbeitet werden können, um sie für eine weitere Artefaktreduzierung robust gegenüber messtechnischen Herausforderungen zu machen. Das vorgeschlagene DNN kann räumlich spärliche Scans interpolieren und mögliche Offsets durch variierenden Anpressdruck korrigieren, indem es ein Regressionsproblem im Zeitbereich löst. Es kann den Prüfer bei der Ermittlung der Mindestmessungen helfen, die für Rekonstruktionen mit wenig Artefakten erforderlich sind. Das DNN wird sowohl mit simulierten als auch mit realen Messungen getestet. Die Rekonstruktionen vorverarbeiteter Messungen mittels DNN sowie unbearbeiteter Messungen werden an Hand des Generalized Contrast to Noise Ratio (GCNR) verglichen. Wir verbesserten den GCNR um 12% und 3% für simulierte bzw. Realdaten. Wir konnten unter Verwendung des DNNs auch die Größe und Form der Defekte besser abschätzen. Die vorgeschlagene Strategie und die Verbesserungen können Assistenzsysteme erheblich aufwerten und eine bessere Lokalisierung und Bemessung von Mängeln ermöglichen.



Liu, Shuo;
Design and performance evaluation of LoRa wide area networks for IoT applications. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Diese Arbeit zielt darauf ab, ein auf Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) basierendes System zu entwerfen und zu simulieren, das aus einer unterschiedlichen Anzahl von Sensorknoten besteht, die über ein bestimmtes geografisches Gebiet verteilt sind, mehreren Gateways in verschiedenen Internet of Things (IoT) Anwendungsszenarien. Die Simulation des Long Range (LoRa) Netzwerks basiert auf den beiden vorhandenen LoRaWAN-Simulatoren d. h. Framework für LoRa (FLoRa) und LoRa-Simulator (LoRaSim) und MATLAB. Zusätzlich werden die praktischen Experimente des LoRaWAN-Netzwerks auf dem Campus der Technische Universität Ilmenau entwickelt. Die Messergebnisse über das Message Queue Telemetry Transfer (MQTT) Protokoll werden in der Cloud (d. h. MQTT-Broker) publiziert und vom MQTT-Broker über Mobiltelefone, PCs, Laptops usw. abonniert.



Rashidifar, Ali;
Antenna design optimization for delay-based wideband DoA estimation. - Ilmenau. - 75 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Nachfrage nach Datenraten in der drahtlosen Kommunikation steigt rapide an, und es müssen Arrays mit einer hohen Anzahl von Elementen verwendet werden. Wenn die Anzahl der Elemente zunimmt, wird die Strahlbreite des Arrays immer schmaler und schließlich kann ein kleiner Bereich im Raum abgedeckt werden. Daher muss das Array bei einem sich bewegenden Ziel die Bewegung verfolgen und gleichzeitig den Hauptstrahl in Richtung des Ziels verändern. Eine der größten Herausforderungen ist die Abschätzung der Einfallsrichtung (DoA) eines auftreffenden Signals mit hoher Bandbreite (BW). Die vorhandenen DoA-Algorithmen funktionieren sehr gut für schmalbandige Szenarien, doch wenn die BW des Signals ansteigt, beginnen sich die meisten Algorithmen deutlich zu verschlechtern. Um dies zu kompensieren, ist entweder intensive Berechnung oder komplexe Hardware erforderlich. In dieser Arbeit wird eine neue Architektur vorgeschlagen, um die breitbandige DoA-Schätzung im Vergleich zu den bestehenden Lösungen effizient durchzuführen. In dem vorgeschlagenen Modell wird die Hauptantennengruppe in zwei Einheiten unterteilt: 1) Strahlformungseinheit (BF-U) und Ankunftsrichtungseinheit (DoA-U). Der Zweck der DoA-U ist es, die DoA des auftreffenden Signals zu schätzen, und die BF-U dient zum Senden und Empfangen von Daten. Die BF-U befindet sich im Zentrum und die Elemente der DoA-U sind Orte um sie herum. Während der DoA-Schätzung ist der BF-U inaktiv. Um die DoA zu schätzen, werden Zeitbereichsmerkmale des Signals ausgenutzt. Die Spitze des auftreffenden Signals wird bei jedem Element der DoA-U geschätzt, und dann werden die Verzögerungen zwischen ihnen geschätzt. Schließlich wird mit den Verzögerungen die DoA des Signals geschätzt. Außerdem haben die Elemente in der DoA-U separate HF-Ketten und arbeiten nicht als Array. Es ist erwünscht, dass das Ziel innerhalb der minimalen Half Power Beam Width (HPBW) des Beamforming (BF)-Arrays platziert wird, daher wird die maximal akzeptable Variation des Schätzfehlers durch die Grenzen der minimalen HPBW festgelegt. Insofern die beiden Einheiten getrennt sind, können in jeder Einheit verschiedene Antennentypen verwendet werden. Um den Effekt der Antenne bei der DoA-Schätzung zu reduzieren, müssen die Antennenelemente in der DoA-U außerdem einige Eigenschaften aufweisen. Die beiden wichtigsten Anforderungen sind, eine nicht-dispersive Impulsantwort (IR) im Winkelbereich und ein konstantes Strahlungsdiagramm innerhalb des Betriebs-BW zu haben. Basierend auf der Studie und den Simulationsergebnissen erfüllt die Rectangular Dielectric Resonator Antenna (DRA) alle Anforderungen. Darüber hinaus zeigen die Simulationsergebnisse, dass die vorgeschlagene Architektur für die DoA-Abschätzung verwendet werden kann. Außerdem können hohe Hardware-Komplexität und intensive Berechnungen vermieden werden. Für die Peak-Erkennung ist jedoch eine hohe Abtastfrequenz erforderlich. Schließlich ist zu beobachten, dass nur 4 Elemente in der DoA-U ausreichen, um die DoA für ein relativ großes Array abzuschätzen.



Smeenk, Carsten;
Genauigkeit der autonomen UWB-Lokalisierung in realistischen Szenarien. - Ilmenau. - 105 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die autonome Lokalisierung und Navigation von Servicerobotern erfordert eine zuverlässige und präzise Umgebungswahrnehmung. Die gängigen optischen Sensoren, die bisher bei Servicerobotern eingesetzt werden, weisen einige Schwächen in der Erkennung von Hindernissen auf. Zur Kompensation dieser Schwächen wird der kombinierte Einsatz mit Ultrabreitband (UWB)-Sensoren erforscht. Ziel dieser Masterarbeit ist es, die Leistungsfähigkeit der UWB-Radarsensorik zur Umgebungswahrnehmung in realistischen Szenarien zu untersuchen. Dazu wird ein vollpolarimetrisches UWB-Radarsystem in einen Serviceroboter integriert. Mit diesem werden verschiedene Testobjekte, wie Kleiderständer, Glasscheiben und absteigende Treppen aus der Bewegung heraus gemessen. Um präzise und zuverlässige Informationen über die Umgebung aus den Messdaten zu gewinnen, wird eine Signalverarbeitungskette konzipiert und implementiert. Diese besteht aus Algorithmen zur Vorverarbeitung und zur Analyse der Messdaten. Zur Aufbereitung der Messdaten werden mit Kalibriermessungen Filter entworfen, mit denen die deformierte Impulsform der Echosignale korrigiert wird. Des Weiteren werden Methoden der Hintergrundsubtraktion angewandt, um Signalanteile, die durch Antennenüberkoppeln verursacht werden, zu eliminieren. Um diesbezüglich bei statischen Szenarien ein Verrauschen der Messdaten zu verhindern, wird die Bewegungsintensität analysiert und die exponentielle Mittelung fortlaufend angepasst. Bei der Analyse der Messdaten spielt die Objekterkennung eine entscheidende Rolle. Es werden die automatisierten Methoden zur Objekterkennung CA-CFAR, CFAR-OS und SOCA-CFAR untersucht und die Ergebnisse miteinander verglichen. In Szenarien mit mehreren Echosignalen tritt der sogenannte Maskierungseffekt auf, der genauer untersucht wird. Anhand der Messdaten wird die Zuverlässigkeit dieser Methoden mit Operationscharakteristik (ROC-Kurven) bewertet. Zudem werden kurzzeitige Beobachtungsverluste kompensiert, indem die erkannten Objekte mit dem rechengünstigen Kalmanfilter verfolgt werden. Bei mehreren erkannten Objekten in einer Messung, können diese auf Grundlage der Methode des nächsten Nachbarn einander zugeordnet werden. Anschließend werden die verfolgten Echosignale der Testobjekte anhand der vollpolarimetrisch gemessenen Streumatrix analysiert. Auf Grundlage dessen wird eine Abschätzung über eine mögliche Objektklassifizierung und Objektidentifizierung getätigt.



Balabozov, Iosko; Tomov, Dragoslav; Yatchev, Ivan; Hadzhiev, Ivan; Brauer, Hartmut
Experimental study of the influence of some parameters on the characteristics of hybrid electromagnetic system with magnetic flux modulation. - In: 2020 21-st International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies (SIELA), (2020), insges. 4 S.

https://doi.org/10.1109/SIELA49118.2020.9167093
Hampel, Jakob;
Echtzeitanalyse und -bewertung erfasster Signale aus Messungen zeitaufgelöster Fluoreszenz unter Verwendung programmierbarer Logikbausteine bzw. Mikrocontroller. - Ilmenau. - 42 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

In Messaufbauten zur Aufnahme und Auswertung von Messdaten aus zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen kommen häufig Funktionsgeneratoren und Oszilloskope zum Einsatz. Diese Geräte sind jedoch aufgrund ihrer beträchtlichen Größe und ihrer hohen Kosten für portable Messsysteme kaum geeignet. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit ist die Erstellung des Digitalteiles für ein Messsystem zur Auswertung solcher Messdaten unter Verwendung kostengünstigerer und kompakterer Geräte. Dazu wurde ein Mikrocontoller mit programmierbarer Logik verwendet, um ein digitales Aufnahme- und Auswertungssystem für solche zeitaufgelösten Fluoreszenzmessungen zu entwerfen und implementieren. Das System ist in der Lage, einzelne Photonen zu zählen und ist dadurch besonders für geringste Lichtintensitäten geeignet.



Jovanoska, Snezhana;
Localisation and tracking of people using distributed UWB sensors. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xxx,180 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

In vielen Überwachungs- und Rettungsszenarien ist die Lokalisierung und Verfolgung von Personen in Innenräumen auf nichtkooperative Weise erforderlich. Für die Erkennung von Objekten durch Wände in kurzer bis mittlerer Entfernung, ist die Ultrabreitband (UWB) Radartechnologie aufgrund ihrer hohen zeitlichen Auflösung und Durchdringungsfähigkeit Erfolg versprechend. In dieser Arbeit wird ein Prozess vorgestellt, mit dem Personen in Innenräumen mittels UWB-Sensoren lokalisiert werden können. Er umfasst neben der Erfassung von Messdaten, Abstandschätzungen und dem Erkennen von Mehrfachzielen auch deren Ortung und Verfolgung. Aufgrund der schwachen Reflektion von Personen im Vergleich zum Rest der Umgebung, wird zur Personenerkennung zuerst eine Hintergrundsubtraktionsmethode verwendet. Danach wird eine konstante Falschalarmrate Methode zur Detektion und Abstandschätzung von Personen angewendet. Für Mehrfachziellokalisierung mit einem UWB-Sensor wird eine Assoziationsmethode entwickelt, um die Schätzungen des Zielabstandes den richtigen Zielen zuzuordnen. In Szenarien mit mehreren Zielen kann es vorkommen, dass ein näher zum Sensor positioniertes Ziel ein anderes abschattet. Ein Konzept für ein verteiltes UWB-Sensornetzwerk wird vorgestellt, in dem sich das Sichtfeld des Systems durch die Verwendung mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen Blickfeldern erweitert lässt. Hierbei wurde ein Prototyp entwickelt, der durch Fusion von Sensordaten die Verfolgung von Mehrfachzielen in Echtzeit ermöglicht. Dabei spielen insbesondere auch Synchronisierungs- und Kooperationsaspekte eine entscheidende Rolle. Sensordaten können durch Zeitversatz und systematische Fehler gestört sein. Falschmessungen und Rauschen in den Messungen beeinflussen die Genauigkeit der Schätzergebnisse. Weitere Erkenntnisse über die Zielzustände können durch die Nutzung zeitlicher Informationen gewonnen werden. Ein Mehrfachzielverfolgungssystem wird auf der Grundlage des Wahrscheinlichkeitshypothesenfilters (Probability Hypothesis Density Filter) entwickelt, und die Unterschiede in der Systemleistung werden bezüglich der von den Sensoren ausgegebene Informationen, d.h. die Fusion von Ortungsinformationen und die Fusion von Abstandsinformationen, untersucht. Die Information, dass ein Ziel detektiert werden sollte, wenn es aufgrund von Abschattungen durch andere Ziele im Szenario nicht erkannt wurde, wird als dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit beschrieben. Die dynamische Überdeckungswahrscheinlichkeit wird in das Verfolgungssystem integriert, wodurch weniger Sensoren verwendet werden können, während gleichzeitig die Performanz des Schätzers in diesem Szenario verbessert wird. Bei der Methodenauswahl und -entwicklung wurde die Anforderung einer Echtzeitanwendung bei unbekannten Szenarien berücksichtigt. Jeder untersuchte Aspekt der Mehrpersonenlokalisierung wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Hilfe von Simulationen und Messungen in einer realistischen Umgebung mit UWB Sensoren verifiziert.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000116
Bauer, Julia; Andrich, Carsten; Döbereiner, Michael; Schieler, Steffen; Myint, James; Ihlow, Alexander; Schneider, Christian; Thomä, Reiner; Del Galdo, Giovanni
Measurement campaign with synchronized distributed receivers and mobile emitter at 3.75 GHz in urban scenarios. - In: 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC Spring), (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.1109/VTC2020-Spring48590.2020.9128562
Wang, Wenxin;
Design of uncorrelated compact distributed antenna sub-arrays for automotive satellite navigation. - Ilmenau. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) sind wichtig für sicherheitsrelevante Anwendungen wie automatisiertes Fahren, Manövrieren und Transportieren. GNSS-Empfänger sind jedoch aufgrund der geringen Leistung von Satellitensignalen anfällig für Signalstörungen. Um ihre Robustheit gegen Bedrohungen wie Störsender, Spoofer oder auch Mehrwegeausbreitung zu verbessern, wird ein Empfangs-Antennenarray aufgrund seiner Fähigkeit zur Strahl- und Nullstellenschwenkung vorgeschlagen, was jedoch häufig zu große Antennenflächen für normale Kraftfahrzeuge bedeutet. Daher wird ein verteiltes Antennenarray eingeführt, bei dem die Gesamtzahl der Elemente in zwei Subarrays aufgeteilt wird, die jeweils klein genug sind, um die Installation bei kleinen Grundflächen in entfernten Karosserieteilen eines typischen Personenkraftwagens zu ermöglichen. Wenn der Abstand zwischen Subarrays viel mehr als die halbe Wellenlänge erreicht, erscheinen grating lobes, die identische Kopien der Hauptkeule sind, im Fernfeld-Richtdiagramm des Arrays und verursachen Mehrdeutigkeiten bei der Schätzung der Ankunftsrichtung (DOA). Es wurde nachgewiesen, dass eine orthogonale Anordnung von zwei linearen Unterarrays mit jeweils einem Abstand zwischen den Elementen von einer halben Wellenlänge dieses Problem weitgehend löst. Um die Integration in ein Auto weiter zu erleichtern, werden kompakte Unterarrays mit einem verringerten Abstand zwischen den Elementen von einer Viertelwellenlänge verwendet, was jedoch zu einer gegenseitigen Kopplung zwischen benachbarten Elementen führt, und deren Strahlungseigenschaften beeinträchtigt. In dieser Arbeit wird eine inhomogene verteilte Anordnung von 2 Subarrays mit jeweils 3 Elementen vorgeschlagen und anschließend mit Hilfe elektromagnetischer Vollwellensimulationen entworfen. Der Einfluss der gegenseitigen Kopplung wird verringert, indem die Arrays mit bestimmten Grundmoden oder Eigenmoden gespeist werden. Diese erzeugen entkoppelte Richtdiagramme, die zueinander orthogonal sind. Eine detaillierte Bewertung der simulierten Eigenschaften der Arrays sowie ihrer entsprechenden Keulenorthogonalität wird numerisch und grafisch veranschaulicht.



Worm, Robert Julius;
Studies of the temperature-phase-stability of cascaded mm-wave radar systems. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Fahrassistenzsysteme im Automobilbereich überwachen die Fahrzeugumgebung unter Verwendung frequenzmodulierter radio detection and ranging (Radar) Sensoren. Höhere Anforderungen an die Auflösungsfähigkeit haben zur Entwicklung von Systemen mehrerer simultan betriebener Transceiver auf einer Platine geführt. Um die Synchronität innerhalb kaskadierter Auswerteschaltungen zu gewährleisten, wird das Signal eines Referenzoszillators an alle Transceiver verteilt. Die Leistungsfähigkeit und Detektionsfähigkeit werden jedoch durch Temperaturdriften eingeschränkt. Um der thermisch bedingten Verschlechterung des Systemverhaltens entgegenzuwirken, musste eine Methode entwickelt werden, die sich für eine Anwendung in der Serienproduktion eignet. In einer Absorberkammer mit einem Referenzobjekt wurden Messungen bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt und die Abweichungen von Signalamplitude und -phase gemessen. Die Ergebnisse wurden analytisch approximiert. In der Arbeit wird eine spezielle Kalibriermethode präsentiert, mit der die Kohärenz zwischen den Sensoren auch bei Temperaturwechseln aufrechterhalten werden kann. Diese Methode wurde mit mehreren Sensoren getestet. Die erhaltenen Messungen werden in Bezug auf Restfehler und Kontinuität über dem Temperaturbereich bewertet. Aufbauend auf den Messergebnissen wird ein verbessertes Kalibrierverfahren vorgestellt, mit dem die Funktion und Genauigkeit der Radarmessungen mit dem betrachteten aus Einzelsystemen zusammengesetzten Sensor über den gesamten Automotive-Temperaturbereich aufrechterhalten werden können.



Herath, Vimukthi;
Analysis and modeling of transitions in the V2I radio channel for urban scenarios. - Ilmenau. - 92 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Modellierung des V2I-Kanals ist eine Herausforderung, da sich die Umgebung ständig ändert. Dies ist auf die sich ständig ändernde Verfügbarkeit von Hindernissen, die sich auf dem Weg zwischen der Mobilstation und der Basisstation befinden, zurückzuführen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Anwendung eines bereits entwickelten Modells. Das Modell ist eine Anpassung eines aktuellen Transition-Modells und wurde bisher zur Beschreibung von Übergängen in einem V2I-Szenario bei einer Mittenfrequenz von 2,53 GHz verwendet. Ziel ist es, das Modell an neue Messdaten anzupassen, die in ähnlichen V2I-Umgebungen bei einer Mittenfrequenz von 3,75 GHz aufgenommen wurden. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der Übergänge von Empfangsleistung für verschiedene Polarisationen. Zusätzlich werden die Statistiken sowie der Power-Delay-Profil (PDP) als auch der Doppler-Power-Spektrum (DPS) untersucht. Es lohnt sich zu erwähnen, dass die angestellte Beobachtungen bezüglich den Ergebnissen dieser Statistiken, unterschiedliche Lösungen zur Aufgabe von Extrahieren der Übergangszonen geliefert haben.



Zirwas, Wolfgang; Michalopoulos, Diomidis S.; Vilas Boas, Brenda; Haardt, Martin
Highly accurate multipath component delay estimation. - In: 24th International ITG Workshop on Smart Antennas, (2020), S. 272-277

Abdollahi, Shekoufeh; Chamaani, Somayyeh; Sachs, Jürgen
Time-domain reflectometry for measuring scattering parameters: comparison of M-sequence device and step-generator TDR. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135863
Prokhorova, Alexandra; Ley, Sebastian; Fiser, Ondrej; Vrba, Jan; Sachs, Jürgen; Helbig, Marko
Temperature dependent dielectric properties of tissue mimicking phantom material in the microwave frequency range. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 4 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135466
Schieler, Steffen; Döbereiner, Michael; Thomä, Reiner; Schneider, Christian; Luo, Jian; Del Galdo, Giovanni
Performance of OFDMA resource scheduling in joint mobile radio and radar networks. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135864
Dupleich, Diego; Müller, Robert; Landmann, Markus; Luo, Jian; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
Multi-band characterization of propagation in industry scenarios. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135630
Ley, Sebastian; Faenger, Bernd; Sachs, Jürgen; Hilger, Ingrid; Helbig, Marko
Investigation of influences on the detectability of magnetic nanoparticles by means of microwaves for biomedical applications. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 4 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135345
Hasnain, Syed N.; Stephan, Ralf; Brachvogel, Marius; Meurer, Michael; Hein, Matthias
Interference mitigation for robust automotive satellite navigation achieved with compact distributed antenna sub-arrays. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135721
Hassan, Nina; Thomä, Reiner; Matolak, David W.
In-stationary tapped delay line channel modeling and simulation. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135571
Asghar, Muhammad Ehtisham; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Experimental determination of the total radiated power of automotive antennas in the installed state. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135647
Dupleich, Diego; Müller, Robert; Skoblikov, Sergii; Landmann, Markus; Del Galdo, Giovanni; Thomä, Reiner
Characterization of the propagation channel in conference room scenario at 190 GHz. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135404
Schwind, Andreas; Hofmann, Willi; Stephan, Ralf; Thomä, Reiner; Hein, Matthias
Bi-static nearfield calibration for RCS measurements in the C-V2X frequency range. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135674
Hofmann, Willi; Schwind, Andreas; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Advanced calibration method for accurate microwave absorber reflectivity measurements at oblique illumination angles. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135336
Berlt, Philipp; Bornkessel, Christian; Hein, Matthias
Accurate 3D phase recovery of automotive antennas through LTE power measurements on a cylindrical surface. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135443
Zea Vintimilla, Renato; Brochloß-Getner, Ramona; Lorenz, Mario; Landmann, Markus; Rügamerz, Alexander; Del Galdo, Giovanni
3D calibration of an over-the-air testbed for GNSS CRPA antenna testing. - In: 14th European Conference on Antennas and Propagation, (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.23919/EuCAP48036.2020.9135937
Liang, Lei;
Efficient beam tracking method for mobile millimeter wave communication system. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Millimeterwellenbänder (mmWave) werden als eine attraktive Lösung für den Verbindungen mit hoher Datenrate in zukünftigen drahtlosen 5G-Netzwerken angesehen.Genaue Kanalzustandsinformationen (CSI) sind erforderlich, um eine perfekte Strahlausrichtung zu erreichen. CSI-Schätzmethoden in mmWave-Systemen erfordern jedoch einen großen Schulungsaufwand. Als die Lösung werden Strahlverfolgungsverfahren vorgeschlagen. Ich überprüfe zuerst die Strahlverfolgung mit erweitertem Kalman-Filter (EKF), bei der nur ein Strahlpaar erforderlich ist, um einen einzelnen Pfad in der analogen Strahlformungsarchitektur zu verfolgen, und erweitere dann die Methode auf Mehrweg. Berücksichtigen Sie außerdem die sich schnell ändernde Umgebung im mmWave-System. Ich schlug eine EKF-Strahlverfolgung vor, die auf einem neuen Zustandsraummodell basiert. Darüber hinaus wird eine robuste Strahlformung am Transceiver vorgeschlagen, um die Strahlausrichtung sicherzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Verfahren die Verfolgungsleistung verbessern und die gültige Verfolgungsdauer verlängern kann.



Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin; Cavalcante, Charles C.; Nossek, Josef A.
Multi-linear encoding and decoding for MIMO systems. - In: 2020 IEEE 11th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.1109/SAM48682.2020.9104276
Zhou, Chengwei; Gu, Yujie; Shi, Zhiguo; Haardt, Martin
Direction-of-arrival estimation for coprime arrays via coarray correlation reconstruction: a one-bit perspective. - In: 2020 IEEE 11th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2020), insges. 4 S.

https://doi.org/10.1109/SAM48682.2020.9104377
Gherekhloo, Sepideh; Ardah, Khaled; Haardt, Martin
Hybrid beamforming design for downlink MU-MIMO-OFDM millimeter-wave systems. - In: 2020 IEEE 11th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.1109/SAM48682.2020.9104405
Rakhimov, Damir; Deram, Sai Pavan; Sokal, Bruno; Naskovska, Kristina; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Iterative tensor receiver for MIMO-GFDM systems. - In: 2020 IEEE 11th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2020), insges. 5 S.

https://doi.org/10.1109/SAM48682.2020.9104330
Jesani, Mukti;
Verication of relevant trac scenarios with an automotive radar test system. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

KFZ-Radarsensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Einführung des automatisierten und vernetzten Fahrens. Es ist notwendig, deren funktionelle Leistungsfähigkeit im Einbauzustand unter vollständig realistischen Bedingungen zu bewerten. Reale Testfahrten sind aktuell ein Standardweg zur Überprüfung und Bewertung von Radarsensoren. Dieser Ansatz eröffnet das höchste Maß an Realitätsnähe, benötigt aber enorme Ressourcen in Bezug auf Zeit, Kosten und Aufwand. Außerdem ist dieser Ansatz nicht ausreichend reproduzierbar und kontrollierbar. Alternativ kann man mit Closed-Loop-Computersimulationen diese Beschränkungen überwinden, aber dann fehlt es an realitätskonformen Testumgebungen. In dieser Arbeit wird ein Gesamtansatz aus Over-the-Air Hardware-in-the-Loop (OTA/HIL) Testsystemen betrachtet, mit dem die Leistungsfähigkeit im Einbauzustand eines KFZ-Radars in einer virtuellen elektromagnetischen Umgebung geprüft wird. Das entwickelte Messsystem besteht aus einer Echtzeit-Simulationsumgebung für Verkehrsszenarien in Kombination mit Radarzielsimulatoren, die über Beleuchtungsantennen das 77 GHz Radar stimulieren. In der vorgelegten Arbeit werden drei relevante Verkehrsszenarien in das Testsystem implementiert und an einem installierten Radar überprüft. Die wesentlichen Radarsignalparameter Zielabstand, Rückstreuquerschnitt und Zielrichtung werden stimuliert und während der virtuellen Testfahrt fortlaufend gemessen. Die Szenarien werden auf der Basis berechneter Daten aus numerischen Simulationen abgeleitet, um die Emulationsmöglichkeiten des Messsystems und dessen Beschränkungen zu ermitteln. Zusätzlich werden Daten aus realen Messfahrten auf einem Testgelände zur exakten Ausgestaltung der virtuellen Szenarien benutzt, um die vom Testradar erreichte Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu bestimmen. Erste Messungen lieferten vielversprechende Ergebnisse. Die erhaltenen Resultate werden diskutiert und analysiert. Messfehler werden analysiert und Ansätze zur Verbesserung vorgeschlagen.



Stehr, Uwe; Centeno, Luis F.; Ni, Yuliana; Jacobs, Heiko O.; Hein, Matthias
RF properties of stretchable transmission line structures. - In: 2020 German Microwave Conference, (2020), S. 272-275

https://ieeexplore.ieee.org/document/9080242
Mostafa, Mohamed H.; Chamaani, Somayyeh; Sachs, Jürgen
Singular spectrum analysis-based algorithm for vitality monitoring using M-sequence UWB sensor. - In: IEEE sensors journal, ISSN 1558-1748, Bd. 20 (2020), 9, S. 4787-4802

https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2962721
Grundhöfer, Lars; Gewies, Stefan; Hehenkamp, Niklas; Del Galdo, Giovanni
Redesigned waveforms in the maritime medium frequency bands. - In: 2020 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), (2020), S. 827-831

https://doi.org/10.1109/PLANS46316.2020.9110174
Udeh, Paschal Chigozie;
Detection and mitigation of an abnormal traffic behavior in software defined networking. - Ilmenau. - 82 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Das exponentielle Wachstum von Online-Dienstleistungen sowie die Menge der Daten, die über das Internet übertragen werden, erforderten einen Wechsel von der Nutzung traditioneller Netzwerke zu einer Form von Netzwerk, die sich an die aktuellen Anforderungen der Nutzer anpassen kann. So sind zum Beispliel Qualität der Dienstleistung, Geschwindigkeit der Paketzustellung und hohe Netzwerkeffizienz sind einige Grundbedurfnisse, die von jedem Nutzer benötigt werden, aber die traditionellen Netze erfüllen diese grundlegenden Anforderungen nicht, da sie mit der sich ständig weiterentwickelnden Technologie nicht Schritt halten können. Aufgrund seiner Architektur, 'Software Defined Networking' bietet eine Lösung für diese Probleme. Die Architektur bringt Flexibilität in Bezug auf die Art und Weise mit sich, wie wesentliche Netzwerkfunktionalitäten auf offene und programmierbare Weise einbezogen werden. Diese Form der Architektur führt jedoch auch zu verschiedenen Sicherheitsprobleme , eine davon ist der 'Distributed Denial of Service attack'. Diese Arbeit betrachtet daher einen Ansatz zur Erkennung verschiedener Abweichungen im Zusammenhang mit dem 'Distributed Denial of Service attack', die im Netzwerk auftreten können. Der wichtige Baustein für die Angriffserkennung besteht aus einem Intrusion Detection System (SNORT), das zur Erkennung des Angriffs benutzt wird, und einem Controller (Ryu), der nach der Erkennung des Angriffs Sperrbefehle an Weiterleitungsgeräte sendet. Aus der Simulation und den Ergebnissen der Arbeit geht hervor, dass verschiedene Formen von Angriffen in sehr kurzer Zeit erkannt und abgemildert werden können, was auch die Netzwerkressourcen von Verbrauchung verhindert.



Akbarpour, Alireza; Chamaani, Somayyeh; Sachs, Jürgen; Del Galdo, Giovanni
Clutter removal of near-field UWB SAR imaging for pipeline penetrating radar. - In: IEEE journal of selected topics in applied earth observations and remote sensing, ISSN 2151-1535, Bd. 13 (2020), S. 1527-1539

https://doi.org/10.1109/JSTARS.2020.2983891
Pérez, Eduardo; Kirchhof, Jan; Semper, Sebastian; Krieg, Fabian; Römer, Florian
Cramér-Rao bounds for flaw localization in subsampled multistatic multichannel ultrasound NDT data. - In: 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2020), S. 4960-4964

https://doi.org/10.1109/ICASSP40776.2020.9053523
Ardah, Khaled; Sokal, Bruno; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Compressed sensing based channel estimation and open-loop training design for hybrid analog-digital massive MIMO systems. - In: 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2020), S. 4597-4601

https://doi.org/10.1109/ICASSP40776.2020.9054443
Khamidullina, Liana; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Multilinear generalized singular value decomposition (ML-GSVD) with application to coordinated beamforming in multi-user MIMO systems. - In: 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2020), S. 4587-4591

https://doi.org/10.1109/ICASSP40776.2020.9053691
Häfner, Stephan; Thomä, Reiner
Extended Kalman filtering and maximum-likelihood estimation for point target localisation. - In: 2020 German Microwave Conference, (2020), S. 116-119

https://ieeexplore.ieee.org/document/9080235
Häfner, Stephan; Thomä, Reiner
MAP and MMSE based parameter estimation from noisy radar observations. - In: 2020 German Microwave Conference, (2020), S. 260-263

https://ieeexplore.ieee.org/document/9080169
Valle de Lima, Daniel; Da Rosa Zanatta, Mateus; Costa, João Paulo Carvalho Lustosa da; de Sousa Júnior, Rafael Timóteo; Haardt, Martin
Robust tensor-based techniques for antenna array-based GNSS receivers in scenarios with highly correlated multipath components. - In: Digital signal processing, ISSN 1051-2004, Bd. 101 (2020), 102715

https://doi.org/10.1016/j.dsp.2020.102715
Naskovska, Kristina; Lau, Stephan; Korobkov, Alexey A.; Haueisen, Jens; Haardt, Martin
Coupled CP decomposition of simultaneous MEG-EEG signals for differentiating oscillators during photic driving. - In: Frontiers in neuroscience, ISSN 1662-453X, Bd. 14 (2020), 261, S. 1-18

https://doi.org/10.3389/fnins.2020.00261
Weise, Konstantin; Poßner, Lucas; Müller, Erik; Gast, Richard; Knösche, Thomas R.
Pygpc: a sensitivity and uncertainty analysis toolbox for Python. - In: SoftwareX, ISSN 2352-7110, Bd. 11 (2020), 100450, S. 1-6

https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100450
Brachvogel, Marius; Niestroj, Michael; Zorn, Sören; Meurer, Michael; Hasnain, Syed N.; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
A new array concept using spatially distributed subarrays for unambiguous GNSS interference mitigation in automotive applications. - In: Navigation, ISSN 2161-4296, Bd. 67 (2020), 1, S. 23-41

https://doi.org/10.1002/navi.353
Stegner, Johannes;
Multiphysikalischer Entwurf hybrid-integrierter MEMS-Oszillatoren auf Silizium-LTCC-Substraten. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2020. - 1 Online-Ressource (xvi, 155 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2020

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit dem Entwurf und der Analyse von MEMS-Oszillatoren auf dem so genannten SiCer-Verbundsubstrat. Dafür wird eine Methodik erarbeitet, die den Entwurf von Mikroelektronik und Mikroelektromechanik vereint. Diese Methodik basiert auf einem analytischen Entwurfsmodell zur Synthese von Resonatorstrukturen über die elektrischen Spezifikation. In der Arbeit wird weiterhin der Entwurf zweier aufeinander aufbauender Oszillatortypen beschrieben, einem Festfrequenzoszillator für Frequenzen bis zu 600 MHz sowie einem Mehrfrequenzoszillator für Ausgangsfrequenzen im oberen MHz- bis unteren GHz-Bereich und der Bereitstellung von Referenzfrequenzen von etwa 10 MHz. Beide Typen von Oszillatoren werden in verschiedenen Varianten implementiert und auf eine möglichst kompakte Baugröße und geringes Phasenrauschen hin optimiert. Die Resultate aller Präparationen heben sich vom Stand der Technik ab, sowohl in der Aufbautechnik als auch in der Oszillationsfrequenz und im Phasenrauschen. Weiterhin wird in der vorliegenden Arbeit die Thematik der Temperaturabhängigkeit von MEMS-Resonatoren und -Oszillatoren betrachtet, welche im Vergleich zur thermischen Drift kommerziell verfügbarer Quarz-Resonatoren und -Oszillatoren höher ausfällt. Dazu wird das analytische Entwurfsmodell für MEMS-Resonatoren derart modifiziert, dass sich die geometrischen Abmessungen und Materialparameter in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur verändern. Messungen an Resonatoren verschiedener Geometrien werden im Anschluss genutzt, um die analytischen Berechnungen zu verifizieren. Die messtechnisch ermittelte Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz liegt dabei zwischen -26 ppm/K und -20 ppm/K, was dem analytisch modellierten Temperaturkoeffizienten von -28,1 ppm/K sehr nahe kommt. Auf Basis von in der Literatur veröffentlichten Temperaturkompensationsmethoden wird das analytische Modell um eine Lage Siliziumdioxid erweitert, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und so die Temperaturabhängigkeit kompensiert.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2020000030
Doß, Martin; Bungert, Leon; Cichon, Daniel; Brauer, Hartmut; Psiuk, Rafael
Localization of passive 3-D coils as an inverse problem: theoretical analysis and a numerical method. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 56 (2020), 4, S. 7200410, insges. 10 S.

https://doi.org/10.1109/TMAG.2020.2968858
Kalloch, Benjamin; Weise, Konstantin; Bazin, Pierre-Louis; Lampe, Leonie; Villringer, Arno; Hlawitschka, Mario; Sehm, Bernhard
A group-level sensitivity analysis to assess the influence of white matter lesions on the electrical field in simulations of transcranial electric stimulation. - In: Clinical neurophysiology, ISSN 1872-8952, Bd. 131 (2020), 4, S. e124

https://doi.org/10.1016/j.clinph.2019.12.304
Häfner, Stephan; Dürr, André; Waldschmidt, Christian; Thomä, Reiner
Mitigation of RF impairments of a 160-GHz MMIC FMCW radar using model-based estimation. - In: IEEE transactions on microwave theory and techniques, Bd. 68 (2020), 3, S. 1065-1073

https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2950204
Goel, Dhruv;
Bi-static micro-Doppler signatures of road users. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Sensorbasierte Fahrerassistenzsysteme - mit Schwerpunkt auf Radarsystemen - spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung des automatisierten und vernetzten Fahrens. Neben den weit verbreiteten (quasi) monostatischen Radarsystemen bieten bi-statische Radarkonfigurationen in Kombination mit MIMO-Architekturen das Potenzial einer verbesserten Radarsichtbarkeit für Verkehrsteilnehmer. Die Ausnutzung der Funkemission bestehender Funkstandards wie IEEE 802.11p oder LTE-V, z.B. durch das Konzept der kooperativen passiven kohärenten Lokalisierung (CPCL), spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle. Der Schwerpunkt der laufenden Forschung liegt auf den bi-statischen Streusignaturen im Frequenzbereich - ähnlich dem Radarquerschnitt RCS - und im Doppler-Bereich, einschließlich der Mikro-Doppler-Signaturen, die die Grundlage für die Ableitung einer leistungsfähigen Objektklassifizierung bilden. Im Rahmen dieser Masterarbeit wird ausgehend von einfachen, definierten Trajektorien von Punktstreuern mittels MATLAB die winkelabhängige Dopplerverschiebung aus analytisch formulierten Geometrien für bi-statische Radarszenarien abgeleitet. Anschließend wird die Doppler-Antwort in Bezug auf geeignete Parametervariationen, z.B. bi-statischer Winkel und Aspektwinkel des Ziels, bewertet. Basierend auf diesen Überlegungen wird ein Aufbau entwickelt, der zum Messen von bi-statischen Mikro-Doppler-Signaturen eines Fahrrads in VISTA geeignet ist. Anschließend wird die aus der numerischen Modellierung erhaltene Mikro-Doppler-Signatur mit den Messergebnissen verglichen. Durch diese Untersuchungen können wir den Schluss ziehen, dass die Mikro-Doppler-Signatur als nützliches Instrument zur Erkennung von Radfahrern dienen und zur Identifizierung und Klassifizierung ungeschützter Verkehrsteilnehmer, wie z. B. Fußgänger und Radfahrer, erweitert werden kann. Die Anwendung gemeinsamer Zeit-Frequenzbereichs-Analysen kann dazu beitragen, die Nachbearbeitung von Messdaten zu verbessern.



Milanezi Junior, Jayme; Costa, João Paulo Carvalho Lustosa da; Garcez, Caio C. R.; Albuquerque, Robson de Oliveira; Arancibia Moreno, Arnaldo Mario; Weichenberger, Lothar; Lopes de Mendon¸ca, Fábio Lucio; Del Galdo, Giovanni; De Sousa Júnior, Rafael T.
Data security and trading framework for smart grids in neighborhood area networks. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 20 (2020), 5, 1337, insges. 25 S.

https://doi.org/10.3390/s20051337
Große, Peter;
A rapid prototyping framework connecting C++ and Python for signal processing in non-destructive testing. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2020

In dieser Arbeit wird untersucht, wie sich Python-Module in C++-Anwendungen einbinden lassen. Während Python in Forschung und Entwicklung für Rapid Prototyping weit verbreitet ist, ist C++ die De-facto-Standardsprache für einsetzbare, kundenspezifische Software. Beide Sprachen haben ihre Vor- und Nachteile, daher ist die Integration beider sinnvoll, z.B. um Kunden schnell neuentwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen zur Verfügung zu stellen, ohne dass diese vorher in C++ neu implementiert werden müssen. Umgekehrt kann das Verhalten solcher Algorithmen im Kontext der Kundenanwendung untersucht werden, unter Verwendung aller vorhandener Funktionen, die im Rapid-Prototyping-Framework eventuell nicht existieren. Als Grundlagen des Frameworks werden die technischen Aspekte der Ausführung von Python-Code und das Design des CPython-Interpreters im Besonderen vorgestellt. Es werden verfügbare Python-Implementierungen evaluiert, wobei CPython als am besten geeignet erachtet wird; seine umfangreiche Programmierschnittstelle (API) erweist sich als besonders vorteilhaft. Zur Verwendung der C-API in C++ werden API-Frameworks wie pybind11 als hilfreich angesehen, da sie C++-Funktionen wie implizite Datentypkonvertierung nutzen. Von den unterstützten Arten von Python-Code erfüllen Binärmodule durch Verwendung der C-API weitere wichtige Anforderungen: Durch vorherige Übersetzung in Maschinencode erlauben sie höchste Rechengeschwindigkeiten, zeitgleich ein hohes Maß an Schutz von geistigem Eigentum (IP). Um eine Neuimplementierung in C zu vermeiden, werden Werkzeuge zur Generierung von Modulcode aus Python-Quellcode untersucht, von denen Nuitka die komfortabelsten Funktionen bietet. Das vorgestellte Framework-Konzept PyUnion umfasst Softwarekomponenten, welche für Rapid Prototyping die Ausführung Python-Module jeglicher Art aus C++-Anwendungen heraus, sowie die Nutzung gemeinsamer Datenstrukturen für den Austausch zwischen beiden Umgebungen ermöglichen. Zur Unterstützung langlaufender Prozesse wird die Verwendung von im Hintergrund laufenden Threads vorgesehen, sowohl für die Ausführung der Python-Module als auch für Steuerungs- und Überwachungszwecke. Weitere wichtige Designaspekte sind der Einsatz von pybind11 zur Interaktion mit Python und Einbettung des CPython-Interpreters, sowie Nuitka zur Kompilierung von Python-Quellcode zu Binärmodulen.



Ardah, Khaled; Fodor, Gábor; Silva, Yuri Carvalho Barbosa; Freitas, Walter C.; Almeida, André L. F. de
Hybrid analog-digital beamforming design for SE and EE maximization in massive MIMO networks. - In: IEEE transactions on vehicular technology, ISSN 1939-9359, Bd. 69 (2020), 1, S. 377-389

https://doi.org/10.1109/TVT.2019.2933305
Gegolli, Donald;
End to end performance analysis of an automotive inter-domain communication over Scalable-Service Oriented Middleware over IP (SOME/IP). - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Automobilindustrie befindet sich derzeit in einem Umbruch. Megatrends wie Autonomes Fahren, Elektrifizierung oder Konnektivität stehen im Fokus der wichtigsten Hersteller. Bertrandt folgt diesen Trends und entwickelt ein eigenes, hochmodernes Auto. Infolgedessen wird die Fahrzeugarchitektur in Richtung der domänenorientierten Architektur neu gestaltet. Darüber hinaus wird Automotive Ethernet zusammen mit Scalable Service-Oriented Middleware over IP (SOME/IP) eingeführt, um die anspruchsvolle Kommunikation im Fahrzeug zu bewältigen. Es ist jedoch zu beachten, dass die klassischen Kommunikationsprotokolle nicht ganz verschwinden werden. In einer solchen Situation ist es unerlässlich, das Verhalten und die Auswirkungen zu analysieren, die die alten und neuen Technologien in Kombination haben. Ziel dieser Arbeit ist es, die Ergebnisse auszuwerten, wenn ein klassisches Protokoll wie Controller Area Network (CAN) mit SOME/IP kombiniert wird. Die End-to-End-Verzögerungen werden zusammen mit den spezifischen Segmenten, die den gesamten Kommunikationsweg bilden, gemessen. Es werden mehrere Simulationen unter verschiedensten Szenarien durchgeführt. Dabei werden Zyklusszeiten von 5 ms, 10 ms und 100 ms betrachtet. Ebenfalls wurde auf dem Ethernet, wie auch auf dem CAN, ein Stressszenario durchgeführt, um eine hohe Grundlast zu erzeugen um dadurch die Kommunikation zu stören. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit der Kommunikation von der Häufigkeit der erzeugten Nachrichten abhängt. Realitätsnahe Werte wie 10 ms und 100 ms haben geringe Verzögerungen, was beweist, dass diese neu entwickelten Technologien für die Automobilumgebung geeignet sind.



He, Ruisi; Ai, Bo; Wang, Gongpu; Zhong, Zhangdui; Schneider, Christian; Dupleich, Diego A.; Thomä, Reiner; Boban, Mate; Luo, Jian; Zhang, Yunyong
Propagation channels of 5G millimeter-wave vehicle-to-vehicle communications: recent advances and future challenges. - In: IEEE Vehicular technology magazine, Bd. 15 (2020), 1, S. 16-26

https://doi.org/10.1109/MVT.2019.2928898
Beuster, Niklas; Ihlow, Alexander; Blau, Kurt; Trabert, Johannes; Andrich, Carsten; Bauer, Julia; Del Galdo, Giovanni
UHF RFID tag response measurements using a do-it-yourself platform and components off-the-shelf. - In: IEEE journal of radio frequency identification, ISSN 2469-7281, Bd. 4 (2020), 1, S. 65-72

https://doi.org/10.1109/JRFID.2020.2965006
Ziolkowski, Marek; Otterbach, Jan Marc; Schmidt, Reinhard; Brauer, Hartmut; Töpfer, Hannes
Numerical simulations of portable systems for motion-induced eddy-current testing. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 56 (2020), 1, S. 7502204, insges. 4 S.

https://doi.org/10.1109/TMAG.2019.2950462
Krey, Maximilian; Hähnlein, Bernd; Tonisch, Katja; Krischok, Stefan; Töpfer, Hannes
Automated parameter extraction of ScAlN MEMS devices using an extended Euler-Bernoulli beam theory. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 20 (2020), 4, 1001, insges. 19 S.

https://doi.org/10.3390/s20041001
Borodulin, Sergey;
Service-Management in einem vermaschten Notfallkommunikationsnetz. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die Gewährleistung qualitativ hochwertiger Kommunikationsdienste ist eine der wichtigsten Aufgaben des Service Managements. Es wird immer eine Wahl geben: bereits bewährte Technologie auf der Grundlage von Standards oder partikuläre, aber vielleicht besser geeignete Lösungen zu verwenden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Benachrichtigungsnetzwerk auf Basis des modernen MQTT-Protokolls erstellt. Die Arbeit enthält ein grundsätzliches Schema zur Benachrichtigung von Netzwerkteilnehmern und das verbesserte Schema, die eine qualitativ hochwertige Verwaltung von Netzwerkdiensten zur Verbesserung der Netzwerkleistung ermöglicht. Die Lösungen wurden in einer Emulationsumgebung heißt Mininet entwickelt und anhand von durchgeführten Messungen in verschiedenen Parametern verglichen.



Chruscz, Nikita;
Evaluation von Softwareverteilungssystemen zur Distribution von Fog-Computing-Diensten in vermaschten Weitverkehrsnetzen. - Ilmenau. - 151 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Die klassische Softwareverteilung mit Client-Server-Ansatz stellt Schlüsseltechnologien wie das Internet of Things vor Engpässe, die den Fortschritt der Digitalisierung einschränken. Zur Vermeidung von Latenzen und der Reduktion von Downloadzeiten, wurden Techniken wie Fog-Computing entwickelt. Eine Möglichkeit das Fog-Computing auf die Softwareverteilung anzuwenden stellt die Peer-to-Peer Verteilung mit Koordinationsserver dar, die auch mit den Herausforderungen vermaschter Netze umgehen kann. Bei langsamen instabilen Kommunikationsnetzen, wie einem Weitverkehrsfunknetz, steigern sich diese Herausforderungen bei der Softwareverteilung großer Datenmengen drastisch. Softwareverteilungssysteme werden eingesetzt, um die Übertragung von Daten zwischen den Hosts zu orchestrieren und zu optimieren. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden die Systeme Transmission des Transmission Project, Dragonfly von Alibaba und Kraken von Uber als Lösung für die Übertragung von Software in vermaschten Weitverkehrsnetzen untersucht und evaluiert. Diese 3 Systeme bedienen sich im Kern dem Fog-Computing in Form einer Softwareverteilung mittels Peer-to-Peer und Koordinationsserver. Zur Evaluation wird eine Testumgebung aufgebaut, die aus einem virtuellem Netzwerk besteht, das einem Ausschnitt des HAMNET nachgebildet ist und mit Containernet emuliert wird. Innerhalb dieses Testnetzwerks werden die Systeme implementiert, die Softwareverteilung durchgeführt und Downloadzeiten zusammen mit dem Datenverkehr gemessen. Die Systeme werden unter verschiedenen Einflussgrößen untersucht, die ihre Eignung für die Softwareverteilung in vermaschten Weitverkehrsnetzen kennzeichnet. Dazu werden die zu verteilende Datei und die Anzahl der Koordinationsserver variiert, sowie Messungen durchgeführt bei denen einzelne Koordinationsserver ausfallen. Die Messergebnisse zeigen, dass insbesondere Transmission, als Beispiel für einen BitTorrent-Client zeichnet sich hierbei durch eine schnelle Verteilung und geringe Streuung beim Datenverkehr aus. Dahingegen macht sich Dragonfly durch eine wesentlich langsamere Verteilung und einen hohen Datenverkehr sowie viele Verteilungsfehler bemerkbar. Im Gegensatz zu Dragonfly liefert Kraken, das für die Verteilung von großen Datenmengen über die gesamte USA genutzt wird, vielversprechende Ergebnisse.



Weise, Konstantin; Numssen, Ole; Thielscher, Axel; Hartwigsen, Gesa; Knösche, Thomas R.
A novel approach to localize cortical TMS effects. - In: NeuroImage, ISSN 1095-9572, Bd. 209 (2020), 116486, insges. 17 S.

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2019.116486
Sokal, Bruno; Almeida, André L. F. de; Haardt, Martin
Semi-blind receivers for MIMO multi-relaying systems via rank-one tensor approximations. - In: Signal processing, Bd. 166 (2020), 107254, S. 1-13

https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2019.107254
Sousa, Marcelo Nogueira de; Cardoso, Rafael L.; Melo, Henrique S.; Parente, José W. C.; Thomä, Reiner
Machine learning and multipath fingerprints for emitter localization in urban scenario. - In: Developments and advances in defense and security, (2020), S. 217-230

https://doi.org/10.1007/978-981-13-9155-2_18
Groß, Philipp; Ihlow, Alexander; Böttcher, René; Bessert, Steffen; Pandey, Rick; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian; Römer, Florian; Osman, Ahmad; Del Galdo, Giovanni
Ein portabler, vielfältig einsetzbarer 3D-Positionierer für Synthetik-Apertur-Ultraschallmessungen in der ZfP. - In: DACH-Jahrestagung 2019, (2019), insges. 2 S.
Paper P41

Wendland, Philip; Schäfer, Günter; Thomä, Reiner
An application-oriented evaluation of LTE-V's mode 4 for V2V communication. - In: The 34th Annual ACM Symposium on Applied Computing, (2019), S. 165-173

https://doi.org/10.1145/3297280.3297298
Bornkessel, Christian; Hein, Matthias; Kopacz, Thomas; Schießl, Sascha; Heberling, Dirk
Challenges for human exposure assessment to 5G massive MIMO base stations. - In: Joint Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society and the European BioElectromagnetics Association (BioEM2019), (2019), S. 250-254

Alshra'a, Abdullah Soliman; Seitz, Jochen
External device to protect the software-defined network performance in case of a malicious attack. - In: ICFNDS '19, (2019), article no. 25, 6 Seiten

Many security analyses argue that the Software-Defined Network (SDNs) framework has many vulnerabilities because SDN provides malicious users an easy opportunity to overload network resources. Typically, the malicious user directs the attack towards the network layer, especially the controller plane which acts as the core of the network. However, the attack is redirected to the application layer when the attacker is defeated in the network layer. This paper proposes to extend the SDN controller with an external device to improve the SDN architecture and to protect the service level of the SDN components against malicious attacks. Simulation results show that the proposal successfully protects Web servers against Slow HTTP DDoS attacks.



https://doi.org/10.1145/3341325.3342016
Krey, Maximilian; Töpfer, Hannes; Paris, Roman; Fröhlich, Thomas
Design of a test station for magnetoelectric sensor development. - In: 2019 19th International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (ISEF 2019) - book of abstracts, (2019), insges. 2 S.

https://doi.org/10.1109/ISEF45929.2019.9097048
Reum, Thomas; Töpfer, Hannes
Introduction of the bicomplex analysis in the finite element method applied to electromagnetic far-field calculations. - In: 2019 19th International Symposium on Electromagnetic Fields in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering (ISEF 2019) - book of abstracts, (2019), insges. 2 S.

https://doi.org/10.1109/ISEF45929.2019.9097005
Singh, Jasmeet; Neumann, Andreas; Wack, Thomas; Koppe, Tristan; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Novel conformal automotive di-patch antenna verified through car door frame measurements. - In: IET digital library, (2019), insges. 5 S.

https://doi.org/10.1049/cp.2019.0700
Cheng, Yao; Haardt, Martin
Efficient computation of the PARAFAC2 decomposition. - In: Conference record of the Fifty-Third Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2019), S. 1626-1630

https://doi.org/10.1109/IEEECONF44664.2019.9048813
Rakhimov, Damir; Zhang, Jianshu; Almeida, André L. F. de; Nadeev, Adel; Haardt, Martin
Channel estimation for hybrid multi-carrier mmWave MIMO systems using 3-D Unitary Tensor-ESPRIT in DFT beamspace. - In: Conference record of the Fifty-Third Asilomar Conference on Signals, Systems & Computers, (2019), S. 447-451

https://doi.org/10.1109/IEEECONF44664.2019.9048951
Hein, Matthias; Ebert, Alexander
FlexInet - Phase 2 : Schlussbericht der TU Ilmenau zum F&E-Verbundvorhaben : Laufzeit: 01.02.2015 bis 31.08.2019. - [Ilmenau] : [TU Ilmenau]. - 1 Online-Ressource (26 Seiten, 1,48 MB)Förderkennzeichen BMWi 50YB1502

https://doi.org/10.2314/KXP:1698830181
Ibraheam, Maysam;
Design and testing of compact dual-band dual-polarized robust satellite navigation antenna arrays. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (145 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019

Die steigende Nachfrage nach präzisen Positionierlösungen für hochautomatisiertes Fahren und sicherheitskritische Anwendungen führt zu der Verwendung von Array-basierten Satellitennavigationsempfängern, die aufgrund des verbesserten Diversity-Gewinns und der potentiellen Strahlformungsfähigkeit eine bessere Leistung aufweisen. Die Notwendigkeit, die Robustheit von Navigationsempfängern gegenüber Quellen von Signalstörungen, wie Mehrwegempfang, atmosphärische, sowie Jamming- und Spoofing, zu verbessern, verlangt, den Empfänger weiter auszubauen, um Polarisations- und Frequenz-Diversity auszunutzen. Das hieraus resultierende Design ist durch eine signifikante Zunahme der Hardware- und Softwarekomplexität gekennzeichnet. Diese Komplexität steigt noch mit dem Trend, den Navigationsempfänger zu miniaturisieren, um die Integration in Fahrzeugen oder mobilen Systemen zu erleichtern. Da die gegenseitige Verkopplung zwischen den Antennenelementen eines kompakten Antennen-Arrays steigt, verschlechtert sich deren Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit und damit die Systemrobustheit. In dieser Arbeit wird ein kompaktes, dualbandiges und dualpolarisiertes Antennenarray für einen Navigationsempfänger untersucht, schaltungstechnisch entworfen und aufgebaut, womit Array-, Frequenz-, und Polarisations-Diversity ermöglicht wird. Dies führt zu einer signifikant verbesserten Robustheit gegenüber den angesprochenen Störungen. Diese Arbeit umfasst das Design des dualbandigen und dualpolarisierten Patchantennenelements, das Design des kompakten Antennenarrays, das Studium der Kreuzpolarisationsquellen in Patchantennen, die Analyse des Einflusses der gegenseitigen Kopplung auf die Strahlungseffizienz und Polarisationsreinheit, und die Abschwächung beider Effekte durch eigenmode-basierten Entkopplungs- und Anpassungsnetzwerken. Darüber hinaus beinhaltet die Arbeit die Integration des Antennensystems mit einem HF-Frontend zur Leistungsverstärkung, Filterung und Signalkonvertierung der Satellitensignale. Die Arbeit umfasst auch die Integration mit einem Array-basierten digitalen Empfänger, in dem neben der Datenerfassung, auch die Richtungsschätzung, das Beamforming und die Anti-Jamming-Algorithmen implementiert wurden. Die Machbarkeit sowohl der Array-Diversity als auch der Polarisations-Diversity wurde in Automotive-related Feldmessungen bestätigt, insbesondere für Elevationswinkel unter 40 bzw. 60 Grad, wo der Einfluss des Mehrwegempfangs ausreichend hohe Pegel erreicht. Die Messungen bestätigten die Robustheit des Empfängers gegenüber Stör- Nutzsignalverhältnissen von bis zu 85 dB und übertrafen damit mehrere "State-of-the-Art" Empfänger.



https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000261
Sokal, Bruno; Haardt, Martin; Almeida, André L. F. de
Semi-blind receiver for two-hop MIMO relaying systems via selective Kronecker product modeling. - In: 2019 IEEE 8th International Workshop on Computational Advances in Multi-Sensor Adaptive Processing (CAMSAP), (2019), S. 714-718

https://doi.org/10.1109/CAMSAP45676.2019.9022648
Ardah, Khaled; Pesavento, Marius; Haardt, Martin
A novel sensing matrix design for compressed sensing via mutual coherence minimization. - In: 2019 IEEE 8th International Workshop on Computational Advances in Multi-Sensor Adaptive Processing (CAMSAP), (2019), S. 66-70

https://doi.org/10.1109/CAMSAP45676.2019.9022467
Prévost, Clemence; Usevich, Konstantin; Comon, Pierre; Haardt, Martin; Brie, David
Performance bounds for coupled CP model in the framework of hyperspectral super-resolution. - In: 2019 IEEE 8th International Workshop on Computational Advances in Multi-Sensor Adaptive Processing (CAMSAP), (2019), S. 201-205

https://doi.org/10.1109/CAMSAP45676.2019.9022504
Lienke, Jonas;
Multi-level emulation of mixed-signal design representations in programmable logic. - Ilmenau. - 102 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für Mixed-Signal Verikationsmethoden mittels Emulation von Mixed-Signal Systemen in programmierbarer Logik vorgestellt, der eine energie- und zeiteziente Simulationsumgebung ermöglicht. Dies trägt zu einer neuartigen Lösung für den zeitaufwändigen Prozess der Validierung von integrierten Schaltungen mit Mixed-Signal Eigenschaften auf Systemebene bei. Die unterschiedliche Natur von analoger und digitaler Domäne hindert die direkte Anwendung von DES auf analoge Systeme. Um diese Einschränkung zu umgehen, wendet die in dieser Arbeit vorgeschlagene Simulationsmethode Oversampling im analogen Bereich an, wodurch eine feste Simulationsschrittbreite bereitgestellt und die Modellgenauigkeit verbessert wird. Das analoge Modell wird dann in System-C realisiert und anschließend zusammen mit dem digitalen Teil des Designs mittels HLS synthetisiert. Dies ermöglicht eine in sich geschlossene Simulationsumgebung für Mixed-Signal Datenströme, die deutlich höhere Simulationsgeschwindigkeiten erreicht als vergleichbare Simulationskonzepte. Darüber hinaus trägt das neuartige Verfahren zu einer kohärenten Verikationsmethodik für vollwertige Mixed-Signal Systeme bei. Um die Konsistenz innerhalb der Simulationsmethode zu gewährleisten, wird ein SDF Modell konzipiert und anschließend in der PYNQ Testbench mit Hilfe gebräuchlicher Designmethoden implementiert. Um die Qualität der neuartigen Methode zu bewerten, wird die Leistungsbewertung der PYNQ Testbench mit externen experimentellen Ergebnissen für einen anwendungsbezogenen Testfall verglichen. Basierend auf dieser Bewertung wird eine Schlussfolgerung gezogen, wie sich die vorgestellte Methode im Vergleich zu State of the Art Simulationsmethoden verhält.



A study of multichannel biomedical data streams, using machine learning methods with regard to an implementation in embedded systems. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Erkrankungen des Herzkreislaufsystems sind einer der häufigsten Todesursachen in Deutschland und stellen damit einen enormen Kostenfaktor im Gesundheitssystem dieses Landes dar. Auf der Basis der Aufahme und Auswertung des Elektrokardiogramms (EKG) lassen sich auf nichtinvasive Weise vom Arzt Aussagen zur Herzfrequenz, zum Herzrythmus, zur Vorhoftätigkeit, zu Extrasystolen zum Vorliegen eines akuten oder zurückliegenden Herzinfrakts und anderen Erscheinungen/Erkrankungen machen. Bereits seit dem 70er Jahren wird daran gearbeitet, mit mathematischen Methoden dem Kardiologen zur Unterstützung ein Werkzeug in die Hand zu geben, welches die gewonnen Signale automatisch verarbeitet und interpretiert. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Detektion von QRS-Komplexen. Dazu gibt es bereits eine Vielzahl von Methoden und Algorithmen. Im Rahmen dieser Bacherarbeit geht es darum (angewandt auf einen seht großen EKG-Datensatz) geeignete mathematische Methoden des maschinellen Lernens zu finden, die in der Lage sind "ähnliche" QRS-Komplexe zu erkennen, diese zu einer intelligen Datenredukltion zu nutzen und so eine Klassifizierung durchzuführen. Ein weiterer Schwerpunkt ist dabei das Finden geeigneter aussagekräftiger Merkmale, die eine gute Clusteranalyse ermöglichen und zur Verbesserung der Klassifikationsergebnisse beitragen.



Brachvogel, Marius; Niestroj, Michael; Zorn, Soeren; Meurer, Michael; Hasnain, Syed N.; Stephan, Ralf; Hein, Matthias
Interference and spoofer resilient attitude estimation using observations from distributed linear sub-arrays separated by long baselines. - In: Proceedings of ION GNSS+ 2019, (2019), S. 3484-3497

Milanezi Junior, Jayme; Costa, João Paulo Carvalho Lustosa da; Maranhão, João Paulo A.; Sousa, Rafael T.; Del Galdo, Giovanni
A Chinese remainder theorem based perfect secret sharing scheme with enhanced secret range values using tensor based operations. - In: 2019 13th International Conference on Signal Processing and Communication Systems (ICSPCS), (2019), insges. 6 S.

https://doi.org/10.1109/ICSPCS47537.2019.9008712
Psiuk, Rafael; Müller, Alfred; Cichon, Daniel; Heuberger, Albert; Brauer, Hartmut; Töpfer, Hannes
Inductive localization accuracy of a passive 3-D coil in an Industry 4.0 environment. - In: Journal of sensors and sensor systems, ISSN 2194-878X, Bd. 8 (2019), 1, S. 171-183

In this paper a localization system of a passive 3-D coil is proposed and signal uncertainties due to the 3-D coil's arbitrary orientation are analyzed. The 3-D coil is excited by an alternating primary magnetic field. Geometrically distributed pick-up coils measure the 3-D coil's secondary field. By means of a simulated look-up table that assigns expected voltages from the pick-up coils to the positions of the 3-D coil, the position of the 3-D coil is deduced by a least-squares approach. A basic assumption is that the secondary field is invariant to the orientation of the 3-D coil. This allows a reduction of the computational effort for the look-up table generation and the table search during the localization phase since for each position the field distribution for only one orientation has to be calculated. However, the assumption of invariance to rotation is only valid for a dipole model. In this paper we investigate the localization error introduced by this assumption when using 3-D coils with a geometric extent in an inhomogeneous primary field. Optimized localization methods that decrease the statistical error are proposed. The theoretical results are verified with measurements conducted on a laboratory system.



https://doi.org/10.5194/jsss-8-171-2019
Burki, Mohsin Khan;
Network aware service placement in wireless mesh network. - Ilmenau. - 78 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Mit dem Fortschritt der Funktechnik, verbreitet sich die Service-Platzierung in WMNs zunehmend. Dies liegt hauptsächlich an der einfachen Bereitstellung, Skalierbarkeit und Flexibilität der drahtlosen Netzwerke. Falsche Platzierungen von Diensten führt zu einer schlechten Leistung. Durch überlastete Knoten und Verbindungen beeinträchtigt dies den Nutzer der Dienste. Der Algorithmus NASAP wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Der Algorithmus berücksichtigt die Eigenschaften des zugrundeliegenden Netzwerks, indem er Packet-Folgen verschickt, um das Netzwerk zu messen. Diese Folgen halten den Mehraufwand bei der Messung des Netzes gering und sorgen für eine schnelle Berechnung der Ergebnisse. Der Hauptbaustein des Algorithmus ist die Identifizierung der Service-Anforderungen auf der Grundlage der beiden wichtigsten Parameter der Servicequalität, nämlich bitratenintensive und latenzempfindliche Dienste. Mit NASAP wurde der Gesamtdurchsatz für 60% der Benutzer um bis zu 15% verbessert. Die Serviceantwortzeit verbessert sich auch, wenn viele Dienste bereitgestellt werden und eine große Anzahl von Benutzern mit diesen diensten kommunizieren. Darüber hinaus werden die Ressourcen der Knoten ausgewogene verteilt und dadurch eine Auslastung einzelner Knoten verhindert.



Altenburg, Sophie;
A software architecture for reproducible and consistent scientific simulations. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2019

Wissenschaftliche Simulationen müssen konsistent und reproduzierbar sein und müssen, z.B. in Parameterstudien, oft für einen umfangreichen Katalog an Parameterkombinationen durchgeführt werden. Dabei unterliegen sie häufiger Überarbeitung, was sie für Inkonsistenz in Zwischenergebnissen anfällig macht. Trotzdem ist das erneute Berechnen jedes Ergebnisses bei jeder Änderung aus Effizienzgründen keine Lösung. Kern dieser Arbeit ist daher die Konzeptionierung einer Software-Architektur, die sich der konsistenten und reproduzierbaren Ausführung solcher Simulationen widmet. Angelehnt an Flow-Programmierung wird eine Simulation mittels gerichtetem Graph als Workflow dargestellt. Besonderheiten in der Repräsentation der untersuchten Architektur sind "collect"-Schritte, die (Zwischen-)Ergebnisse mehrerer Parametersets zusammenfassen und einzelne Ausführungszweige mit ungünstigen Parameterkombination kontrolliert abzubrechen. Zusätzlich nutzt der Algorithmus Nebenläufigkeiten im Workflow. Das konsistente Speichern der Ergebnisse wird von einem Cache mit Hilfe von Hashing als Konsistenzkontrolle für Zwischenergebnisse übernommen. Ziel der Architektur ist, Simulationen in einzelne, teils parallelisierbare Schritte herunter zu brechen, die leicht änderbar bleiben und gleichzeitig konsistente Ergebnisse zu liefern. Die Bewertung der Architektur erfolgt mit Fokus auf Reproduzierbarkeit und Konsistenz der Ergebnisse, Effizienz steht erst an zweiter Stelle. Dieses Ziel sowie alle in der Arbeit aufgeführten Muss-Kriterien wurde erfüllt.



Miethe, Sebastian;
Evaluation der Interoperabilität unterschiedlicher Protokollimplementierungen für drahtlose Sensornetze. - Ilmenau. - 136 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Die Interoperabilität in drahtlosen Sensornetzen, also die Zusammenarbeit heterogener Komponenten eines Netzes, ist durch die Diversität angebotener Hard- und Softwarelösungen nicht immer gegeben. Dies ist ein Problem, wenn bestehende Netze um anderen Komponenten erweitert werden sollen und schränkt die Zukunftsfähigkeit eines Netzes ein. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Interoperabilität der drei Implementierungen OpenThread, dem Kinetis- und dem Mbed Thread Stack des Protokollstapels Thread. Anhand unterschiedlicher Untersuchungen wird die Zusammenarbeit der Implementierungen beobachtet und anschließend bewertet. Nach einer theoretischen Betrachtung folgen empirische Untersuchungen, deren Beobachtung Aufschluss darüber gibt, ob die Implementierungen standardkonform arbeiten und bis zu welchem Grad sie interoperabel sind. Anhand der gewonnenen Ergebnisse wird klar, dass Interoperabilität zwischen den Implementierungen nicht als gegeben vorausgesetzt werden kann. Bei der Durchführung der Versuche werden unterschiedliche Auffälligkeiten im Ablauf dokumentiert, die zu Einschränkungen in der Zusammenarbeit der Netzwerkknoten führen. Weiterhin wird festgestellt, dass von der Thread Group zertifizierte Endprodukte hiervon nicht betroffen sind und besser abschneiden, als jene die diese offizielle Zertifizierung nicht haben. Die Ergebnisse bestätigen die Relevanz der Interoperabilitätsbetrachtungen in drahtlosen Sensornetzwerken und zeigen, dass selbst zwischen Implementierungen eines Standards Probleme auftreten können.



Pérez Mejía, Eduardo José;
Parametric reconstruction of multi-channel data in ultrasound NDT. - Ilmenau. - 64 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2019

Der Bereich der zerstörungsfreien Ultraschallprüfung (UNDT) beschäftigt sich mit der Aufgabe, Defekte in Festkörpern zu lokalisieren. Dafür ist eine hochauflösende Bildgebung von größter Bedeutung. Die Forschung zur UNDT befasst sich mit Rekonstruktionsverfahren, Modellen und Datenerfassungsmodalitäten zur Verbesserung der Bildqualität und der Fehlererkennung. Dafür werden große Mengen an Messdaten benötigt. In dieser Arbeit wird ein Compressed-Sensing-Modell für hochwertige Rekonstruktionen vorgestellt, das die Reduzierung der Messzeit und der Speicherkosten von Full-Matrix-Capture-Daten (FMC) ermöglicht. Zunächst wird ein parametrisches Modell für 2D-FMC-Daten eingeführt, das die Tensorstruktur dieser Art von Messung hervorhebt. Dieses wird dann um eine komprimierte Abtastung über Fourier- und räumliches Sub-Sampling erweitert. Das Problem der Schätzung der Position von punktförmigen Reflektoren aus vollständigen und komprimierten FMC-Daten wird mittels Herleitung der Cramer-Rao-Schranke (CRB) für die Standortparameter untersucht und ihr Grenzwertverhalten betrachtet. Dabei wird gezeigt, dass zwei Kanäle ausreichen, um eine endliche Varianz für die Position eines einzelnen Reflektors zu erreichen, und, dass räumliches Sub-Sampling einen Fernfeldgewinn ergibt. Mittels dieser Analyse wird eine Methode für das Design des räumlichen Sub-Samplings, basierend auf der worst-case CRB eines hypothetischen Reflektors, formuliert. Die Rekonstruktion der Defektpositionen wird als ein "Sparse-Signal-Recovery"-Problem betrachtet und mit dem Fast-Iterative-Shrinkage/ Thresholding Algorithmus (FISTA) gelöst. Details für eine matrixfreie Implementierung werden angesprochen. Die Ergebnisse der vorgestellten Rekonstruktionsmethode werden mit der renommierten Total-Focusing-Method (TFM) verglichen. Synthetische und reale Messdaten zeigen, dass der vorgestellte Ansatz auf unkomprimierten Daten zu einer höheren Auflösung als TFM führt. Bei Anwendung auf komprimierte Messdaten übertrifft er TFM weit, da Sub-Sampling-Artefakte reduziert werden. Schließlich wird gezeigt, dass TFM, obwohl es eine niedrigere Auflösung liefert, in einen progressiven Algorithmus überführt werden kann, der die Visualisierung während des Messvorgangs ermöglicht. Der dargestellte Ansatz mit FISTA ist hingegen auf komprimierte Daten anwendbar, die in weniger Messzyklen gesammelt werden können.



Naskovska, Kristina;
Advanced tensor based signal processing techniques for wireless communication systems and biomedical signal processing. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (xxi, 224 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019

Zahlreiche messbare Signale in verschiedenen Bereichen der digitalen Signalverarbeitung, z.B. in der drahtlosen Kommunikation, im Mobilfunk, biomedizinischen Anwendungen, der Bild- oder akustischen Signalverarbeitung und dem maschinellen Lernen sind mehrdimensional. Tensoren erhalten die mehrdimensionale Struktur und stellen eine natürliche Darstellung dieser Signale/Daten dar. Darüber hinaus bieten Tensoren oft eine verbesserte Trennbarkeit von enthaltenen Signalkomponenten. Daher profitieren wir von der Verwendung der Tensor-Algebra in den oben genannten Anwendungen und vielen mehr. In dieser Arbeit stellen wir die Vorteile der Nutzung der Tensor-Algebra in zwei Bereichen der Signalverarbeitung vor: drahtlose MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) Kommunikationssysteme und biomedizinische Signalverarbeitung. Darüber hinaus tragen wir zu theoretischen Aspekten der Tensor-Algebra bei, indem wir neue Eigenschaften und Berechnungsmethoden für die Tensor-Zerlegung ableiten. Oftmals verfügen wir lediglich über eine elementweise oder ebenenweise Beschreibung des Signalmodells, welche nicht die explizite Tensorstruktur zeigt. Daher ist die Ableitung aller Tensor-Unfoldings nicht offensichtlich, wodurch die multidimensionale Struktur dieser Modelle nicht trivial nutzbar ist. Wir schlagen eine alternative Darstellung der elementweisen Multiplikation oder der ebenenweisen Multiplikation auf der Grundlage des generalisierten Tensor-Kontraktionsoperators vor. Weiterhin nutzen wir diese neuartige Darstellung und deren Eigenschaften zur Ableitung der letztendlichen Tensor-Modelle. Es existieren eine Vielzahl von Tensor-Zerlegungen, die verschiedene Signalmodelle beschreiben, wie die HOSVD (Higher Order Singular Value Decomposition), CP/PARAFAC (Canonical Polyadic/ PARallel FACtors) Zerlegung, die BTD (Block Term Decomposition), die PARATUCK2-(PARAfac und TUCker2) und die PARAFAC2-Zerlegung (PARAllel FACtors2). Dabei ist die CP-Zerlegung am weitesten verbreitet und wird findet in zahlreichen Gebieten Anwendung. Daher ist die Entwicklung von Algorithmen zur effizienten Berechnung der CP-Zerlegung von besonderer Bedeutung. Das SECSI (Semi-Algebraic Framework for approximate CP decomposition via Simultaneaous matrix diagonalization) Framework ist ein effizientes und robustes Werkzeug zur Berechnung der approximierten Low-Rank CP-Zerlegung durch simultane Matrixdiagonalisierung. In dieser Arbeit stellen wir fünf Erweiterungen des SECSI-Frameworks vor, welche die Rechenkomplexität des ursprünglichen Frameworks reduzieren bzw. Einschränkungen für die Faktormatrizen einführen. Darüber hinaus werden die PARAFAC2- und die PARATUCK2-Zerlegung in der Regel mit einer ebenenweisen Notation beschrieben, die sich in Form der allgemeinen Tensor-Kontraktion, wie sie in dieser Arbeit vorgeschlagen wird, ausdrücken lässt. Wir nutzen diese neuartige Darstellung, um explizite Tensormodelle für diese beiden Zerlegungen abzuleiten. Darüber hinaus verwenden wir das PARAFAC2-Modell, um einen ALS-Algorithmus (Alternating Least-Squares) für die Berechnung der PARAFAC2-Zerlegungen abzuleiten. Weiterhin nutzen wir die neuartigen Kontraktionseigenschaften für elementweise und ebenenweise Multiplikationen, um MIMO Multi-Carrier-Mobilfunksysteme zu modellieren. Wir zeigen, dass dieses sehr allgemeine Modell verwendet werden kann, um das Tensor-Modell des empfangenen Signals für MIMO-OFDM- (Multiple- Input Multiple-Output - Orthogonal Frequency Division Multiplexing), Khatri-Rao codierte MIMO-OFDM- und zufällig codierte MIMO-OFDM-Systeme abzuleiten. Wir schlagen die Übertragungstechniken der Khatri-Rao-Kodierung und zufällige Kodierung vor, um eine zusätzliche Tensor-Struktur des Sendesignal-Tensors einzuführen, welcher gewöhnlich keine bestimmte Struktur aufweist. Darüber hinaus zeigen wir, dass dieses Modell auf andere Multi-Carrier-Techniken wie GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing) erweitert werden kann. Unter Verwendung dieser Modelle auf der Empfängerseite entwerfen wir verschiedene Typen von Empfängern für diese Systeme, die die traditionellen matrixbasierten Lösungen in Bezug auf die Symbolfehlerrate übertreffen. Im letzten Teil dieser Arbeit zeigen wir die Vorteile der Verwendung von Tensor-Algebra in der biomedizinischen Signalverarbeitung durch die gemeinsame Zerlegung von EEG-(ElectroEncephaloGraphy) und MEG- (MagnetoEncephaloGraphy) Signalen. Diese werden in der Regel gleichzeitig erfasst, wobei sie gemeinsame Aspekte derselben Gehirnaktivität beschreiben. Daher können EEG- und MEG-Signale mit gekoppelten Tensor-Zerlegungen wie der gekoppelten CP Zerlegung analysiert werden. Wir nutzen das vorgeschlagene gekoppelte SECSI-Framework (eine der vorgeschlagenen Erweiterungen des SECSI-Frameworks) für die Berechnung der gekoppelten CP Zerlegung, um zunächst den photic driving effect zu validieren und zu analysieren. Darüber hinaus validieren wir die Auswirkungen von Schädeldefekten auf die Messsignale von EEG und MEG durch eine gemeinsame EEG-MEG-Zerlegung mit dem gekoppelten SECSI-Framework. Beide Anwendungen zeigen, dass wir von gekoppelten Tensor-Zerlegungen profitieren, wobei die Meth