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
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
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
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
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
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
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
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
Polarimetrische Analyse breitbandiger Radar-Signale für bildgebende Anwendungen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (V, 171 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Wie Systeme ihre Umwelt erfassen und Umgebungen wahrnehmen ist in den letzten Jahren in nahezu allen Lebensbereichen in den Fokus technischer Entwicklungen gerückt. Es sind Anwendungen der Assistenz oder Automatisierung im privaten Raum (Smart Home), in der Produktion (Industrie 4.0) oder in Mobilitätssystemen der Logistik bzw. des Verkehrs (autonomes Fahren), welche möglichst qualitativ hochwertige und von Umgebungseinflüssen unabhängige Sensorinformationen für ihre korrekte Funktionsweise benötigen. Radar-Sensoren bieten die Möglichkeit von der Umgebung zurückgestreute Signale zu erfassen und durch räumlich verteilte Messungen eine Abbildung der Umwelt vorzunehmen. Unter Nutzung einer synthetischen Apertur und Radar-Signalen großer Bandbreite entstehen dabei Kartierungen, welche räumliche Informationen von Rückstreuobjekten bereitstellen. Die Auswertung des Polarisationszustands gesendeter und empfangener Signale, bietet außerdem eine detailliertere Aussage über deren Interaktion mit der Umgebung und ursächliche Streumechanismen. In der klassischen Radar-Fernerkundung sind die Aufgaben der Bildgebung und der Polarimetrie voneinander getrennte Verarbeitungsschritte, da erst nach der Bildgebung die notwendige Auflösung zur Trennung einzelner Mechanismen zur Verfügung steht. Informationen der Objekte wie Form oder Ausrichtung im Raum werden entsprechend durch Auswertung des polarimetrischen Streumechanismus im Bildbereich gewonnen. Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung wissenschaftlicher Ausgangspunkte der bildgebenden UWB-Radar-Sensorik durch Methoden der Radar-Polarimetrie der Fernerkundung. Durch die Erschließung polarimetrischer Signalanalyse breitbandiger Radar-Signale als Vorverarbeitung bildgebender Verfahren, können polarimetrische Mechanismen bereits im Zeitbereich identifiziert und ausgewertet werden. Die daraus gewonnenen Informationen dienen der Zerlegung der Radar-Daten in einzelne Rückstreukomponenten, wodurch bildgebende Verfahren die Umgebung des Sensors mit höherer Genauigkeit und Interpretierbarkeit erfassen. Dazu werden zwei neuartige Methoden detailliert diskutiert und mit bestehenden polarimetrischen Verfahren in Bezug gesetzt. Es handelt sich dabei, um einen modellbasierten Ansatz für die Zerlegung im Zeitbereich und ein Verfahren der statistischen Analyse in Zeit- und Bildbereich. Die Funktionsweise der Methoden wird in dieser Arbeit mit Simulationsdaten veranschaulicht und mithilfe von Messungen in realitätsnaher Umgebung verifiziert.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00040525
Applications of compressive sensing to direction of arrival estimation. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2018. - 1 Online-Ressource (xii, 154 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Die Schätzung der Einfallsrichtungen (Directions of Arrival/DOA) mehrerer ebener Wellenfronten mit Hilfe eines Antennen-Arrays ist eine der prominentesten Fragestellungen im Gebiet der Array-Signalverarbeitung. Das nach wie vor starke Forschungsinteresse in dieser Richtung konzentriert sich vor allem auf die Reduktion des Hardware-Aufwands, im Sinne der Komplexität und des Energieverbrauchs der Empfänger, bei einem vorgegebenen Grad an Genauigkeit und Robustheit gegen Mehrwegeausbreitung. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Anwendung von Compressive Sensing (CS) auf das Gebiet der DOA-Schätzung mit dem Ziel, hiermit die Komplexität der Empfängerhardware zu reduzieren und gleichzeitig eine hohe Richtungsauflösung und Robustheit zu erreichen. CS wurde bereits auf das DOA-Problem angewandt unter der Ausnutzung der Tatsache, dass eine Superposition ebener Wellenfronten mit einer winkelabhängigen Leistungsdichte korrespondiert, die über den Winkel betrachtet sparse ist. Basierend auf der Idee wurden CS-basierte Algorithmen zur DOA-Schätzung vorgeschlagen, die sich durch eine geringe Rechenkomplexität, Robustheit gegenüber Quellenkorrelation und Flexibilität bezüglich der Wahl der Array-Geometrie auszeichnen. Die Anwendung von CS führt darüber hinaus zu einer erheblichen Reduktion der Hardware-Komplexität, da weniger Empfangskanäle benötigt werden und eine geringere Datenmenge zu verarbeiten und zu speichern ist, ohne dabei wesentliche Informationen zu verlieren. Im ersten Teil der Arbeit wird das Problem des Modellfehlers bei der CS-basierten DOA-Schätzung mit gitterbehafteten Verfahren untersucht. Ein häufig verwendeter Ansatz um das CS-Framework auf das DOA-Problem anzuwenden ist es, den kontinuierlichen Winkel-Parameter zu diskreditieren und damit ein Dictionary endlicher Größe zu bilden. Da die tatsächlichen Winkel fast sicher nicht auf diesem Gitter liegen werden, entsteht dabei ein unvermeidlicher Modellfehler, der sich auf die Schätzalgorithmen auswirkt. In der Arbeit wird ein analytischer Ansatz gewählt, um den Effekt der Gitterfehler auf die rekonstruierten Spektra zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass sich die Messung einer Quelle aus beliebiger Richtung sehr gut durch die erwarteten Antworten ihrer beiden Nachbarn auf dem Gitter annähern lässt. Darauf basierend wird ein einfaches und effizientes Verfahren vorgeschlagen, den Gitterversatz zu schätzen. Dieser Ansatz ist anwendbar auf einzelne Quellen oder mehrere, räumlich gut separierte Quellen. Für den Fall mehrerer dicht benachbarter Quellen wird ein numerischer Ansatz zur gemeinsamen Schätzung des Gitterversatzes diskutiert. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir das Design kompressiver Antennenarrays für die DOA-Schätzung. Die Kompression im Sinne von Linearkombinationen der Antennensignale, erlaubt es, Arrays mit großer Apertur zu entwerfen, die nur wenige Empfangskanäle benötigen und sich konfigurieren lassen. In der Arbeit wird eine einfache Empfangsarchitektur vorgeschlagen und ein allgemeines Systemmodell diskutiert, welches verschiedene Optionen der tatsächlichen Hardware-Realisierung dieser Linearkombinationen zulässt. Im Anschluss wird das Design der Gewichte des analogen Kombinations-Netzwerks untersucht. Numerische Simulationen zeigen die Überlegenheit der vorgeschlagenen kompressiven Antennen-Arrays im Vergleich mit dünn besetzten Arrays der gleichen Komplexität sowie kompressiver Arrays mit zufällig gewählten Gewichten. Schließlich werden zwei weitere Anwendungen der vorgeschlagenen Ansätze diskutiert: CS-basierte Verzögerungsschätzung und kompressives Channel Sounding. Es wird demonstriert, dass die in beiden Gebieten durch die Anwendung der vorgeschlagenen Ansätze erhebliche Verbesserungen erzielt werden können.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000490
Standardized testing conditions for satellite communications on-the-move (SOTM) terminals. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2018. - 1 Online-Ressource (xii, 123 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Von Beginn an haben Satelliten Kommunikationsdienste über große Distanzen bereitgestellt. Endgeräte für die mobile Satellitenkommunikation sind mit einer Nachführeinrichtung ausgestattet, um den verwendeten Satelliten bei Bewegung zu verfolgen. Für höchstmöglichen Datendurchsatz und um Störaussendungen zu benachbarten Satelliten zu vermeiden bedarf es akkurater Nachführalgorithmen. Die Prüfung solcher Satcom-On-The-Move (SOTM) Terminals wird dabei zunehmend wichtig, wie Betreiber von Satellitendiensten anhand des negativen Einflusses suboptimaler Geräte auf ihre Infrastruktur bemerken. Herkömmlich werden SOTM-Terminals im Rahmen von Feldtests mit operativen Satelliten geprüft. Solche Tests sind allerdings nicht exakt wiederholbar. Die Reproduzierbarkeit von Tests ist jedoch insbesondere beim Vergleichstest mehrerer Terminals wichtig. Dieser Beitrag widmet sich der Untersuchung eines umfassenden Qualifikationstests von SOTM-Terminals innerhalb einer Laborumgebung, welche Reproduzierbarkeit ermöglicht. Wesentlicher Vorteil der Laborumgebung ist die Möglichkeit, Terminals unter realitätsnahen Bedingungen zu testen - ohne dass reale Satelliten benötigt werden, was die Kosten reduziert. Diese Arbeit behandelt darüber hinaus die Testmethodik in der Fraunhofer-Testanlage Facility for Over-the-air Research and Testing (FORTE). Wichtige Leistungsparameter wie Nachführgenauigkeit (Antenna De-pointing) und Nachbarsatellitenstörung (Adjacent Satellite Interference, ASI) können akkurat gemessen und ausgewertet werden. Die verwendete Methodik zur Gewinnung der vorgeschlagenen Profile wird in der Arbeit ebenso behandelt wie Testergebnisse von Ka-Band-SOTM Terminals. Wesentlicher Beitrag dieser Arbeit ist die Entwicklung von Bewegungs- und Abschattungsprofilen für SOTM-Terminaltests. Bewegungsprofilen für die Landmobile und Maritime Umgebungen wurden entwickelt. Für jede Umgebung, zwei Klassen wurden definiert, Klasse A mit Profile die hohe Bewegungsdynamik haben und Klasse B mit Profile die relativ niedrige Bewegungsdynamik haben. Die vorgeschlagenen Bewegungsprofile wurden in der GVF-105 Standard des Global VSAT Forums berücksichtigt. Die Standardisierung solcher Profile ist notwendig, um einen fairen Leistungsvergleich verschiedener Terminals zu garantieren und solche Geräte sicher zu identifizieren, welche Interferenzen im Satellitennetz verursachen. Dies bedeutet im Ergebnis einen Gewinn für die gesamte Satellitenindustrie.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000470
Compressive acquisition and processing of sparse analog signals. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2018. - 1 Online-Ressource (XV, 235 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Seit dem Aufkommen der ersten digitalen Verarbeitungseinheiten hat die Bedeutung der digitalen Signalverarbeitung stetig zugenommen. Heutzutage findet die meiste Signalverarbeitung im digitalen Bereich statt, was erfordert, dass analoge Signale zuerst abgetastet und digitalisiert werden, bevor relevante Daten daraus extrahiert werden können. Jahrzehntelang hat die herkömmliche äquidistante Abtastung, die durch das Nyquist-Abtasttheorem bestimmt wird, zu diesem Zweck ein nahezu universelles Mittel bereitgestellt. Der kürzlich explosive Anstieg der Anforderungen an die Datenerfassung, -speicherung und -verarbeitung hat jedoch die Fähigkeiten herkömmlicher Erfassungssysteme in vielen Anwendungsbereichen an ihre Grenzen gebracht. Durch eine alternative Sichtweise auf den Signalerfassungsprozess können Ideen aus der sparse Signalverarbeitung und einer ihrer Hauptanwendungsgebiete, Compressed Sensing (CS), dazu beitragen, einige dieser Probleme zu mindern. Basierend auf der Annahme, dass der Informationsgehalt eines Signals oft viel geringer ist als was von der nativen Repräsentation vorgegeben, stellt CS ein alternatives Konzept für die Erfassung und Verarbeitung bereit, das versucht, die Abtastrate unter Beibehaltung des Signalinformationsgehalts zu reduzieren. In dieser Arbeit untersuchen wir einige der Grundlagen des endlichdimensionalen CSFrameworks und seine Verbindung mit Sub-Nyquist Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Signalen. Obwohl es seit mehr als einem Jahrzehnt ein Schwerpunkt aktiver Forschung ist, gibt es noch erhebliche Lücken beim Verständnis der Auswirkungen von komprimierenden Ansätzen auf die Signalwiedergewinnung und die Verarbeitungsleistung, insbesondere bei rauschbehafteten Umgebungen und in Bezug auf praktische Messaufgaben. In dieser Dissertation untersuchen wir, wie sich die Anwendung eines komprimierenden Messkerns auf die Signal- und Rauschcharakteristiken auf die Signalrückgewinnungsleistung auswirkt. Wir erforschen auch Methoden, um die aktuelle Signal-Sparsity-Order aus den komprimierten Messungen abzuleiten, ohne auf die Nyquist-Raten-Verarbeitung zurückzugreifen, und zeigen den Vorteil, den sie für den Wiederherstellungsprozess bietet. Nachdem gehen wir zu einer speziellen Anwendung, nämlich der Sub-Nyquist-Abtastung und Verarbeitung von sparsen analogen Multibandsignalen. Innerhalb des Sub-Nyquist-Abtastung untersuchen wir drei verschiedene Multiband-Szenarien, die Multiband-Sensing in der spektralen, Winkel und räumlichen-Domäne einbeziehen.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000167
Over-The-Air Testing using Wave-Field Synthesis. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2018. - 1 Online-Ressource (211 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Moderne Kommunikationsgeräte, z. B. Smartphones und GPS-Empfänger streben einen hohen Integrationsgrad an, um Kosten, Platz und Energie zu sparen. Es existieren auch große Geräte, wie zum Beispiel Fahrzeuge mit integrierten Long Term Evolution-Antennen. Um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen, werden adäquate Testverfahren benötigt, die eine korrekte Funktionsweise aller Gerätekomponenten sicherstellen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Testverfahren einschließlich Kalibrierverfahren zu entwickeln, die reproduzierbare Testbedingungen erlauben, um vergleichbare Leistungstests von Kommunikationssystemen zu ermöglichen. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Der erste Teil beschäftigt sich mit Wellenfeldsynthese (WFS) für elektrisch kleine Geräte. Der zweite Teil präsentiert ein alternatives Testverfahren für elektrisch große Geräte, welches Wireless Cable (WLC) bezeichnet wird. Im WFS-Teil werden Simulationen durchgeführt, um die Anwendbarkeit der WFS für Over-The-Air-Tests in 2D und 3D zur Erzeugung ebener elektromagnetischer Wellen zu untersuchen. Ein Kalibrierverfahren wird für die 2D-WFS vorgestellt, um den Frequenzgang analoger Systemkomponenten zu entzerren. Das Kalibrierverfahren wird mit Hilfe der Metriken Error Vector Magnitude und Poynting Vector Angular Deviation verifiziert. Es werden zur Verifikation des gesamten WFS-Systems Messungen auf Basis von GPS durchgeführt, die mit kabelgebundenen Tests verglichen werden. Zur Demonstration der Vollständigen Mess- und Testprozedur werden verschiedene Mehrelement-Antennen unter identischen Messbedingungen verglichen. Einflüsse auf ein reales System durch Rauschen, Drift und Temperatureinfluss werden untersucht. Für 3D-WFS wird ein optimierender Algorithmus wird entwickelt und verifiziert, um Emulationsantennen auf einer Sphäre oder Hemisphäre optimal zu verteilen. Im Wireless Cable-Teil wird das gleichnamige Testverfahren vorgestellt, das als alternative Over-The-Air-Testmethode die Untersuchung großer Geräte erlaubt. Die Anwendbarkeit in nicht-reflexionsfreien Umgebungen wird demonstriert. Wie alle Over-The-Air-basierten Testverfahren berücksichtigt Wireless Cable auch Selbstinterferenz. Eine Langzeitstabilitätsanalyse wird durchgeführt, außerdem eine Verifikation der Anwendbarkeit eines realistischen Funkkanals für den Anwendungsfall Long Term Evolution.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2018000061
Microwave UWB sensors for measurements under non-stationary conditions : detection of human being beneath rubble for rescue applications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (124 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017
UWB (Ultra-Wide Band) -Radar ist eine vielversprechende Möglichkeit, Menschen unter eingestürzten Gebäuden zu lokalisieren. Diese Arbeit widmet sich unterschiedlichen Wegen diese Anwendung zu verbessern. Zu Beginn wird umfassend analysiert, wie kleine unregelmäßige Bewegungen vom Radar erfasst werden. Es wird festgestellt, dass minimale Objektbewegungen im Bereich weniger Mikrometer detektierbar sind, was viel weniger ist, als die Atembewegung eines Menschen. Weiterhin wird dargestellt, dass für die Erfassung von sehr kleinen Objektbewegungen ein sehr geringer Jitter notwendig ist. Daher wird in dieser Arbeit ein MLBS (Maximum Length Binary Sequence) Radar mit sehr geringem Jitter verwendet. Zusätzlich wird eine quantitative Bewertung der Durchschnittswertbildung vorgenommen. Als ein Hauptergebnis wurden die genauen Bedingungen für die Geschwindigkeit der Datenerfassung ermittelt, die notwendig sind, um bei gegebener Objektgeschwindigkeit die blockweise Durchschnittswertbildung für die Erfassung kleiner Objektbewegungen zu verbessern. Eine Analyse, wie kleine periodische Bewegungen sich äußern wird gegeben. Die mathematischen Betrachtungen bestätigen, dass die menschliche Atmung vorwiegend Sinusanteile enthält, die hauptsächlich an den Taktflanken auftreten. Daher ist der Stand der Technik zur Erfassung von Atembewegungen gerechtfertigt. Analysen zeigen aber, dass Signaleigenschaften existieren, die eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik zulassen. Weitergehend wird dargestellt, dass theoretisch zwei Typen von Harmonischen in den Radardaten vorhanden sind, die von der Standard-FFT nicht berücksichtigt werden. Diese Harmonischen werden genutzt, um mittels der Bispectrum-Slice-Technik das Signal zu verstärken. Es wird der Schluss gezogen, dass dieser Ansatz in der Praxis die Detektierbarkeit nur verbessert, wenn die Level der Harmonischen groß genug sind. Eine weitere Signaleigenschaft, die in der horizontalen Standard FFT (Fast Fourier Transform) Technik nicht berücksichtigt wird, ist die Spreizung der Laufzeit in der Atmungssignatur. Es werden Algorithmen vorgestellt, die dieses Phänomen nutzen, um das Auffinden verschütteter Personen zu verbessern. Es wird die Leistungsfähigkeit dieser Algorithmen theoretisch analysiert und praktisch mit simulierten und gemessenen Radardaten überprüft. Es zeigt sich, dass sich der Störabstand durch diesen Ansatz gegenüber den Standardtechniken um mehrere dB verbessert. Eines der Hauptprobleme beim Suchen von Überlebenden sind bewegte Objekte im Strahlengang der Antenne. In dieser Arbeit werden zwei Algorithmen zur Beseitigung dieser Störung vorgeschlagen. Beide Methoden nutzen die Tatsache, dass Atembewegungen im Radargramm sehr spezifisch ausgeprägt sind und sich daher sehr gut von anderen Signalkomponenten unterscheiden lassen. Beide Algorithmen funktionieren sehr gut mit simulierten und gemessenen Radardaten. Abschließend wird die Positionsbestimmung einer verschütteten Person beschrieben. Es wird ein entsprechender Algorithmus dargestellt und mit Messdaten in 2D und 3D getestet. Es kann der Schluss gezogen werden, dass die Positionsbestimmung erfolgreich durchgeführt werden kann, indem die Methoden der Ankunftszeitbestimmung und Differenzankunftszeitbestimmung kombiniert werden.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000737
Quasi-deterministic channel modeling and experimental validation in cooperative and massive MIMO deployment topologies. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (XXII, 151 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017
Das enorme Wachstum des mobilen Datenaufkommens wird zu substantiellen Veränderungen in mobilen Netzwerken führen. Neue drahtlose Funksysteme müssen alle verfügbaren Freiheitsgrade des Übertragungskanals ausnutzen um die Kapazität zu maximieren. Dies beinhaltet die Nutzung größerer Bandbreiten, getrennter Übertragungskanäle, Antennenarrays, Polarisation und Kooperation zwischen Basisstationen. Dafür benötigt die Funkindustrie Kanalmodelle, welche das wirkliche Verhalten des Übertragungskanals in all diesen Fällen abbilden. Viele aktuelle Kanalmodelle unterstützen jedoch nur einen Teil der benötigten Funktionalität und wurden nicht ausreichend durch Messungen in relevanten Ausbreitungsszenarien validiert. Es ist somit unklar, ob die Kapazitätsvorhersagen, welche mit diesen Modellen gemacht werden, realistisch sind. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuen Kanalmodell eingeführt, welches korrekte Ergebnisse für zwei wichtige Anwendungsfälle erzeugt: Massive MIMO und Joint-Transmission (JT) Coordinated Multi-Point (CoMP). Dafür wurde das häufig verwendete WINNER Kanalmodell um neue Funktionen erweitert. Dazu zählen 3-D Ausbreitungseffekte, sphärische Wellenausbreitung, räumliche Konsistenz, die zeitliche Entwicklung von Kanälen sowie ein neues Modell für die Polarisation. Das neue Kanalmodell wurde unter dem Akronym "QuaDRiGa" (Quasi Deterministic Radio Channel Generator, dt.: quasideterministischer Funkkanalgenerator) eingeführt. Um das Modell zu validieren wurden Messungen in Dresden und Berlin durchgeführt. Die Messdaten wurden zunächst verwendet um die Modellparameter abzuleiten. Danach wurden die Messkampagnen im Modell nachgestellt um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nachzuweisen. Essentielle Leistungsindikatoren wie z.B. der Pfadverlust, die Laufzeitstreuung, die Winkelstreuung, der Geometriefaktor, die MIMO Kapazität und die Dirty-Paper-Coding Kapazität wurden für beide Datensätze berechnet. Diese wurden dann miteinander sowie mit Ergebnissen aus dem Rayleigh i.i.d. Modell und dem 3GPP-3D Kanalmodell verglichen. Für die Messungen in Dresden erzeugt das neue Modell nahezu identische Ergebnisse wenn die nachsimulierten Kanäle anstatt der Messdaten für die Bestimmung der Modellparameter verwendet werden. Solch ein direkter Vergleich war bisher nicht möglich, da die vorherigen Modelle keine ausreichend langen Kanalsequenzen erzeugen können. Die Kapazitätsvorhersagen des neuen Modells sind zu über 90% korrekt. Im Vergleich dazu konnte das 3GPP-3D Model nur etwa 80% Genauigkeit aufweisen. Diese Vorhersagen konnten auch für das Messszenario in Berlin gemacht werden, wo mehrere Basisstationen zeitgleich vermessen wurden. Dadurch konnten die gegenseitigen Störungen mit in die Bewertung eingeschlossen werden. Die Ergebnisse bestätigen die generelle Annahme, dass es möglich ist den Ausbreitungskanal sequenziell für einzelne Basisstationen zu vermessen und danach Kapazitätsvorhersagen für ganze Netzwerke mit der Hilfe von Modellen zu machen. Das neue Modell erzeugt Kanalkoeffizienten welche ähnliche Eigenschaften wie Messdaten haben. Somit können neue Algorithmen in Funksystemen schneller bewertet werden, da es nun möglich ist realistische Ergebnisse in einem frühen Entwicklungsstadium zu erhalten.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000330
A contribution to efficient direction finding using antenna arrays. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (x, 177 Seiten, 25.09 MB)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017
Sicherlich gibt es nicht den einen Algorithmus zur Schätzung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Wellen. Statt dessen existieren Algorithmen, die darauf optimiert sind Hunderte Pfade zu finden, mit uniformen linearen oder kreisförmigen Antennen-Arrays genutzt zu werden oder möglichst schnell zu sein. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit letzterer Art. Wir beschränken uns jedoch nicht auf den reinen Algorithmus zur Richtungsschätzung (RS), sondern gehen das Problem in verschiedener Hinsicht an. Die erste Herangehensweise befasst sich mit der Beschreibung der Array-Mannigfaltigkeit (AM). Bisherige Interpolationsverfahren der AM berücksichtigen nicht inhärent Polarisation. Daher wird separat für jede Polarisation einzeln interpoliert. Wir übernehmen den Ansatz, eine diskrete zweidimensionale Fouriertransformation (FT) zur Interpolation zu nutzen. Jedoch verschieben wir das Problem in den Raum der Quaternionen. Dort wenden wir eine zweidimensionale diskrete quaternionische FT an. Somit können beide Polarisationszustände als eine einzige Größe betrachtet werden. Das sich ergebende Signalmodell ist im Wesentlichen kompatibel mit dem herkömmlichen komplexwertigen Modell. Unsere zweite Herangehensweise zielt auf die fundamentale Eignung eines Antennen-Arrays für die RS ab. Zu diesem Zweck nutzen wir die deterministische Cramér-Rao-Schranke (Cramér-Rao Lower Bound, CRLB). Wir leiten drei verschiedene CRLBs ab, die Polarisationszustände entweder gar nicht oder als gewünschte oder störende Parameter betrachten. Darüber hinaus zeigen wir auf, wie Antennen-Arrays schon während der Design-Phase auf RS optimiert werden können. Der eigentliche Algorithmus zur RS stellt die letzte Herangehensweise dar. Mittels einer MUSIC-basierte Kostenfunktion leiten wir effiziente Schätzer ab. Hierfür kommt eine modifizierte Levenberg- bzw. Levenberg-Marquardt-Suche zum Einsatz. Da die eigentliche Kostenfunktion hier nicht angewendet werden kann, ersetzen wir diese durch vier verschiedene Funktionen, die sich lokal ähnlich verhalten. Diese Funktionen beruhen auf einer Linearisierung eines Kroneckerproduktes zweier polarimetrischer Array-Steering-Vektoren. Dabei stellt sich heraus, dass zumindest eine der Funktionen in der Regel zu sehr schneller Konvergenz führt, sodass ein echtzeitfähiger Algorithmus entsteht.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000020
GSM passive coherent location signal processing : impact on system performance. - Hamburg : GCA-Verlag, 2016. - xviii, 214 Seiten. - (Fraunhofer series advances in sensor data and information fusion ; Band 8)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
ISBN 3-89863-264-4
Passiv-Radar, auch PCL-System genannt (engl. Passive Coherent Location), wurde in den letzten Jahren intensiv untersucht. Solche Systeme verzichten auf eigene Sendeeinheiten und verwenden stattdessen die kommerziell verfügbaren Sender als Gelegenheitsbeleuchter. In der Tat erhöht die Fülle der aktuell vorhandenen Sender die Attraktivität von PCL-Systemen. FM, DAB, DVB-T sowie GSM-Sender sind potenzielle Kandidaten, welche als Gelegenheitsbeleuchter für PCL verwendet werden können. Dabei spielen die Wellenform sowie die Netzinfrastruktur eine wesentliche Rolle bei der Leistungsfähigkeit der einzelnen Systeme. Während zahlreiche FM, DAB und DVB-T-basierte PCL-Systeme unterschiedlicher Reifegrade vorhanden sind, wurde GSM als mögliche Beleuchtungsart selten berücksichtigt. Dies liegt wesentlich an der durch die Wellenform bedingten groben Entfernungsauflösung sowie an der relativ niedrigen Sendeleistung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, genau diese Lücke in der Radarwelt zu schließen und ein PCL-Konzept vorzustellen, welches die bekannten Nachteile kompensiert. Dieses Konzept basiert auf der Fusion von mehreren dislozierten GSM-Sendern. Dabei profitiert es von der hohen Dichte des GSM-Netzes. Die intelligente Ausnutzung der Sender-Diversität ist eine zentrale Säule des entwickelten Konzeptes und erlaubt eine signifikante Verbesserung der Positionsgenauigkeit und des Entdeckungsbereichs. In der vorliegenden Arbeit liegt der Fokus auf Signalverarbeitungsverfahren. Allerdings werden zum besseren Verständnis alle Aspekte eines GSM-basierten PCL-Systems betrachtet: Anforderungen bezüglich der Antenne und der Empfangshardware, Trackingverfahren, sowie Datenfusion- und Systemmanagementaspekte. Zunächst wird die Wellenform von GSM-Signalen untersucht, um daraus spezifische Radar-Charakteristika zu extrahieren. Dies erlaubt, eine realistische Abschätzung der Leistungsfähigkeit sowie Begrenzungen des Systems anzugeben. Anschließend wird ein Systemkonzept vorgestellt mit dem Ziel, die erkannten Nachteile zu kompensieren. Das Konzept basiert auf einer linearen und äquidistanten Gruppenantenne (engl. Uniform Linear Array, ULA), aus der alle Signale durch Signalverarbeitungsmethoden im Raum- und Zeitbereich parallel extrahiert werden können. Somit ist der Einsatz von zusätzlichen Referenzantennen (für jeden GSM-Sender) nicht notwendig. Aus Gründen der Vergleichbarkeit mit anderen Aktiv-Radar-Systemen, wurden zuerst konventionelle Signalverarbeitungsmethoden benutzt. Das implementierte angepasste Filter (engl. Matched Filter, MF), welches im Allgemein in Radarsystemen eingesetzt wird, ist durch die Autokorrelationseigenschaft der GSM-Signale in der Entfernungsauflösung und in der Entdeckung von schwachen Zielen im Clutter-Bereich limitiert. Alternative nicht-angepasste Methoden werden in dieser Arbeit vorgeschlagen. Obwohl zahlreiche Methoden zur Verbesserung der Entfernungs-, Winkel- sowie Dopplerschätzung verwendet werden können, liegt der Fokus auf der Verbesserung der Entfernungsschätzung, was hier das Kernproblem darstellt. Die hierfür vorgeschlagenen Methoden werden an die GSM-Signalstruktur angepasst und eine Analyse bezüglich der Leistungsfähigkeit gegenüber dem MF wird anhand von Simulationen durchgeführt. Außerdem wird die Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Konzeptes durch Evaluation von aus Experimenten gewonnenen Realdaten untermauert und es wird die Robustheit der vorgeschlagenen Methoden untersucht.
On channel modelling for land mobile satellite reception, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: IX, 194 S., 9,21 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
Parallel als Druckausg. erschienen
In modernen Satellitenrundfunksystemen werden Methoden wie Zeitdiversität (Empfang von zeitlich verteilter Information) und Winkeldiversität (Empfang von mehreren Satelliten mit unterschiedlichen Positionen) angewandt, um die geforderte Dienstequalität für den mobilen Empfang zu gewährleisten. Zur Untersuchung der Ausbreitungseffekte des landmobilen Satellitenkanals sowohl der Wirksamkeit von Diversität werden statistische Modelle benötigt, die den zeitlichen Signalschwund des Empfangssignals nachbilden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Kanalmodell für den Mehrsatellitenempfang entwickelt, welches genaue Versorgungsvorhersagen mit Zeit- und Winkeldiversität erlaubt. Grundlage ist ein Einsatellitenmodell, welches großräumige Schwankungen im Kanal durchdie Zustände 'gut' und 'schlecht' definiert, und den langsamen und schnellen Signalschwund gemäß einer variablen Loo-Verteilung beschreibt, deren Parameter nach jedem Zustandswechsel stochastisch bestimmt werden. Für die Zustandsmodellierung mit zwei Satelliten wird ein 'semi-Markov Modell für korrellierte Zustandssequenzen' erarbeitet. Damit können, unter Berücksichtigung der Statistiken der Einzelkanäle und deren Korrelationskoeffizient, die Zustandswahrscheinlichkeiten und -längen exakt simuliert werden. Für die Zustandsmodellierung mit drei Satelliten wird ein 'Master-Slave'-Ansatz entwickelt. Dabei sind die Zustandssequenzen zweier 'Slaves' bedingt abhängig zur 'Master'-Sequenz. Der 'Master-Slave'-Ansatz ermöglicht die Parametrisierung eines Dreisatellitenmodells. Zur Beschreibung des langsamen und schnellen Signalschwunds im Mehrsatellitenkanal wirddie Wechselbeziehung zwischen synchron gemessenen Satellitensignalen näher untersucht. Es stellt sich heraus dass weitere Signalkorrelationen berücksichtigt werden sollten, die erstmalig im neuen LMS-Kanalmodell implementiert werden. Die Simulationssergebnisse werden in Statistiken erster und zweiter Ordnung den Messdaten gegenübergestellt. Im Vergleich zu bestehenden Modellen werden Verbesserungen nach Berücksichtigung von Diversität deutlich. Die Parameter für das Mehrsatellitenkanalmodell wurden aus umfassenden Messkampagnen abgeleitet und gewährleisten die Signalsimulation für verschiedene Umgebungen und Satellitenpositionen. Abschließend wird das Kanalmodell für einen ersten Vergleich verschiedener Satellitenkonfigurationen mit Zeit- und Winkeldiversität angewandt.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26568
Wideband MIMO radio channel modelling, 2015. - Online-Ressource (PDF-Datei: XXVIII, 245 S., 20,03 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2015
Parallel als Druckausg. erschienen
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Klasse der stochastischen geometrie-basierten Kanalmodelle, die einen guten Kompromiss zwischen Komplexität und Realismus bieten. Die flexible Struktur des geometrie-basierten stochastischen Kanalmodells ermöglicht eine generische Darstellung der unterschiedlichen Ausbreitungsszenarien, so dass dieses Modell für die Simulation von heterogenen Netzwerken geeignet ist. Da die Parametrisierung des zweiseitig richtungsaufgelösten Modells keine Information über die Positionen der Streuobjekte relativ zu dem Sende-und Empfangsantennen erfordert, ist es möglich, ein Modell zu entwerfen, welches nicht explizit die Position der Streuer während der Synthese bestimmt. Die Entwicklung eines solchen Modells, welches für die Beschreibung der physikalischen Wellenausbreitung nur die parametrische Dimensionen verwendet, begann mit dem 3GPP Spatial Channel Modell und es während der verschiedenen WINNER Projekte weiterentwickelt. Die betrachteten Modelle nutzen diese Parameter wie "Delay Spread", "Winkelstreuung", "Shadowing", etc. um die Leistungsverteilung in den verschiedenen Kanaldimensionen zu quantifizieren. Deren statistischen Eigenschaften (statistische Verteilungen und Korrelationsfunktionen) werden auf der Ebene der Ausbreitungsszenarien charakterisiert und stellen damit den wichtigsten Teil des Modells dar. Die Repräsentation der Messdaten/Kanaleigenschaften in WINNER spezifischen parametrischen Dimensionen und deren weitere Abstraktion als multivariaten normalverteilten Prozess ermöglicht eine einfache Quantifizierung der Szenarioähnlichkeit basierend auf einer relativen Entropiemetrik. Dieses Ähnlichkeitsmaß kann dann genutzt werden, um die erforderliche Anzahl von unterschiedlichen Klassen an Referenzszenario zu minimieren, welches die Komplexität des Gesamtmodells reduziert. Die vereinfachte Parametrierung des 3GPP Spatial Channel Modell führt zu einer schwachen Konsistenz der räumlich-zeitlichen Kanalevolution. Die Ursache liegt in der abstrahierten Ausbreitungsumgebung, also dem Fehlen von vordefinierten Streuobjekten. Im WINNER -Modell werden die Intra-Zell-Korrelationen ausgenutzt um Ähnlichkeiten von benachbarten Positionen mobiler Endgerät zu erzwingen. Die Intra-Zell-Korrelationen sind aber immer noch nicht angemessen vertreten und reproduziert durch dieses Modell. Hier sind weitere zukünftige Arbeiten notwendig. Diese Doktorarbeit schlägt eine Modellerweiterung für kooperative (Down)Links vor, hierbei wird die Interaktion der Large Scale Parameter durch eine Begrenzung des Dynamikbereichs der Empfänger eingeführt.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=26059
Dirty RF signal processing for mitigation of receiver front-end non-linearity, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: XII, 224 S., 6,50 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
Parallel als Druckausg. erschienen
Moderne drahtlose Kommunikationssysteme stellen hohe und teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Hardware der Funkmodule, wie z.B. niedriger Energieverbrauch, große Bandbreite und hohe Linearität. Die Gewährleistung einer ausreichenden Linearität ist, neben anderen analogen Parametern, eine Herausforderung im praktischen Design der Funkmodule. Der Fokus der Dissertation liegt auf breitbandigen HF-Frontends für Software-konfigurierbare Funkmodule, die seit einigen Jahren kommerziell verfügbar sind. Die praktischen Herausforderungen und Grenzen solcher flexiblen Funkmodule offenbaren sich vor allem im realen Experiment. Eines der Hauptprobleme ist die Sicherstellung einer ausreichenden analogen Performanz über einen weiten Frequenzbereich. Aus einer Vielzahl an analogen Störeffekten behandelt die Arbeit die Analyse und Minderung von Nichtlinearitäten in Empfängern mit direkt-umsetzender Architektur. Im Vordergrund stehen dabei Signalverarbeitungsstrategien zur Minderung nichtlinear verursachter Interferenz - ein Algorithmus, der besser unter "Dirty RF"-Techniken bekannt ist. Ein digitales Verfahren nach der Vorwärtskopplung wird durch intensive Simulationen, Messungen und Implementierung in realer Hardware verifiziert. Um die Lücken zwischen Theorie und praktischer Anwendbarkeit zu schließen und das Verfahren in reale Funkmodule zu integrieren, werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wird ein erweitertes Verhaltensmodell entwickelt, das die Struktur direkt-umsetzender Empfänger am besten nachbildet und damit alle Verzerrungen im HF- und Basisband erfasst. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit des Algorithmus unter realen Funkkanal-Bedingungen untersucht. Zusätzlich folgt die Vorstellung einer ressourceneffizienten Echtzeit-Implementierung des Verfahrens auf einem FPGA. Abschließend diskutiert die Arbeit verschiedene Anwendungsfelder, darunter spektrales Sensing, robuster GSM-Empfang und GSM-basiertes Passivradar. Es wird gezeigt, dass nichtlineare Verzerrungen erfolgreich in der digitalen Domäne gemindert werden können, wodurch die Bitfehlerrate gestörter modulierter Signale sinkt und der Anteil nichtlinear verursachter Interferenz minimiert wird. Schließlich kann durch das Verfahren die effektive Linearität des HF-Frontends stark erhöht werden. Damit wird der zuverlässige Betrieb eines einfachen Funkmoduls unter dem Einfluss der Empfängernichtlinearität möglich. Aufgrund des flexiblen Designs ist der Algorithmus für breitbandige Empfänger universal einsetzbar und ist nicht auf Software-konfigurierbare Funkmodule beschränkt.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=24447
Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: XIII, 228 S., 1,66 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
Parallel als Druckausg. erschienen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungskonzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichsentzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-MeanSquared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein-und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-InputMultiple-Output (MIMO) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungenerzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDASC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierungauch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektionsschritteberücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion.Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytischeBerechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semianalytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeitdes iterativen Systems.Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- undLeistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit festerLeistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) desiterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierunguntersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegeldes Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängersoptimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist.
http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=20875
Localization of active nodes within distributed ultra-wideband sensor networks in multipath environments, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: XVII, 167 S., 28,77 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
Enth. außerdem: Thesen
Die Lokalisierung, welche auch als Geolokalisierung bezeichnet wird, ist eine der unterstützenden Technologien in diesem Bereich der drahtlosen Sensor Netzwerken (Wireless Sensor Networks, WSN). Bisherige Geolokalisierungssysteme, wie das Global Positioning System (GPS), sind nicht für den Indoor-Bereich entwickelt worden und können keine genauen Positionen innerhalb eines Indoor-Szenarios ermitteln bzw. schätzen. Daher besteht für Indoor-Anwendungen ein Bedarf für neue Lokalisierungsmethoden und Systeme. Einer der vielversprechendsten Technologien im Bereich der Lokalisierung und des Tracking (Location and Tracking, LT) ist das Ultra-Breitband-Technologie (Ultra-Wideband, UWB), welches neben der präzisen Distanzschätzung auch eine genaue Lokalisierung von Objekten und eine Echtzeit-Datenübertragung erlaubt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Analyse und die Entwicklung von praktikablen Lokalisierungsalgorithmen innerhalb verteilter UWB-Sensornetzwerke unter Berücksichtigung von Mehrwege-Signalausbreitung. In dieser Arbeit wird ein neuer Lokalisierungsalgorithmus vorgestellt und seine einzelnen Schritte ausführlich diskutiert. Der Algorithmus ist wie folgt aufgebaut: Entfernungsbestimmung, Non-Line of Sight (NLOS) Identifizierung, Positionsbestimmung, Entfernungskorrektur und -tracking, Positionsschätzung, und Positions-Tracking. Für jeden dieser Schritte wurden existierende Algorithmen analysiert und ein praktikabler Algorithmus wurde vorgeschlagen. Die Mehrwege-Signalausbreitungskomponenten stellen die Hauptfehlerquelle bei der Positionsbestimmung dar. Innerhalb dieser Arbeit werden zwei neue adaptive schwellwert-basierte Time-of-Arrival (TOA) Schätzverfahren, die CFAR-basierte Methode und die Maximum Probability of Detection (MPD)-basierte Methode, vorgeschlagen, welche die Robustheit bei Mehrwege-Signalausbreitung und NLOS Situationen verbessert. Die Anwendung von TOA Schätzverfahren bei der Positionsbestimmung kann zu großen Abweichungen führen aufgrund der Mehrwege- und NLOS Bedingungen. Ein beliebter Ansatz dies zu verbessern ist, zwischen den Line of Sight (LOS) und den NLOS Knoten zu unterscheiden und somit die nachteiligen Effekte der NLOS Schätzergebnisse zu umgehen. Ein neues Verfahren zur Identifizierung von NLOS Knoten wird vorgeschlagen. Es basiert auf der Bestimmung von NLOS Kanal-Bedingungen durch den Vergleich des mittleren quadratischen Fehlers der geschätzten Entfernung mit der Varianz der geschätzten LOS Entfernung, wobei für Fälle mit weniger als drei verfügbaren LOS Knoten eine statistische Auswertung von kreisförmigen Pfaden erfolgt. Für die Bestimmung der Position, wurden verschiedene herkömmliche Verfahren zur Positionsbestimmung untersucht und analysiert. Um die Genauigkeit der Positionsschätzung zu erhöhen wird während der Lokalisierung auch das Tracken bewegter Knoten mit berücksichtigt. In dieser Arbeit werden verschiedene Tracking-Algorithmen diskutiert, und ein besonderes Augenmerk wird auf der Kalman Filter bezahlt. Die hier vorgestellten Algorithmen werden analysiert, diskutiert und verifiziert mit Hilfe von Daten generiert durch ein Ray-Tracing-Tool und realen Daten generiert mit Hilfe des Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Channel Sounder-System am eines Indoor-Szenarios.
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M-sequence based ultra-wideband radar and its application to crack detection in salt mines, 2011. - Online-Ressource (PDF-Datei: 241 S., 34,5 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2011
Parallel als Druckausg. erschienen
Die vorliegende Dissertation beschreibt einen innovativen ultra-breitband (UWB)elektromagnetischen Sensor basierend auf einem Pseudo-Rauschverfahren. Der Sensor wurde für zerstörungsfreies Testen in zivilen Anwendungen entwickelt. Zerstörungsfreies Testen entwickelt sich zu einem immer wichtiger werdenden Bereich in Forschung und Entwicklung. Neben unzähligen weiteren Anwendungen und Technologien, besteht ein primäres Aufgabenfeld in der Überwachung und Untersuchung von Bauwerken und Baumaterialien durch berührungslose Messung aus der Ferne. Diese Arbeit konzentriert sich auf das Beispiel der Auflockerungszone im Salzgestein. Der Hintergrund und die Notwendigkeit, den Zustand der oberflächennahen Salzschichten in Salzminen kennen zu müssen, werden beleuchtet und die Messaufgabe anhand einfacher theoretischer Überlegungen beschrieben. Daraus werden die Anforderungen für geeignete UWB Sensoren abgeleitet. Die wichtigsten Eigenschaften sind eine sehr hohe Messband breite sowie eine sehr saubere Systemimpulsantwort frei von systematischen Gerätefehlern. Beide Eigenschaften sind notwendig, um die schwachen Rückstreuungen der Auflockerungen trotz der unvermeidlichen starken Oberflächenreflexion detektieren zu können. Da systematische Fehler bei UWB Geräten technisch nicht von vorne herein komplett vermeidbar sind, muss der Sensor eine Gerätekalibrierung erlauben, um solche Fehler möglichst gut zu unterdrücken. Aufgrund der genannten Anforderungen und den Nebenbedingungen der Messumgebung unter Tage, wurde aus den verschiedenen UWB-Technologien ein Prinzip ausgewählt, welches pseudozufällige Maximalfolgen als Anregungssignal benutzt. Das M-Sequenzkonzept dient als Ausgangpunkt für zahlreiche Weiterentwicklungen. Ein neues Sendemodul erweitert dabei die Messbandbreite auf 12˜GHz. Die äquivalente Abtastrate wird um den Faktor vier auf 36˜GHz erhöht, ohne den geringen Abtastjitter des ursprünglichen Konzepts zu vergrössern. Weiterhin wird die Umsetzung eines Zweitormesskopfes zur Erfassung von S-Parametern sowie einer automatische Kalibriereinheit beschrieben. Etablierte Kalibrierverfahren aus dem Bereich der Netzwerkanalyse werden kurz rekapituliert und die Adaption des 8-Term Verfahrens mit unbekanntem Transmissionsnormal für das M-Sequenzsystem beschrieben. Dabei werden Kennwerte vorgeschlagen, die dem Bediener unter Tage einfach erlauben, die Kalibrierqualität einzuschätzen und Hinweise auf mögliche Gerätefehler oder andere Probleme zu bekommen. Die Kalibriergenauigkeit des neuen Sensors im Labor wird mit der eines Netzwerkanalysators verglichen. Beide Geräte erreichen eine störungsfreie Dynamik von mehr als 60˜dB in den Systemimpulsantworten für Reflexion und Transmission. Der neu entwickelte UWB Sensor wurde in zahlreichen Messungen in Salzminen in Deutschland getestet. Zwei Messbeispiele werden vorgestellt - ein sehr alter, kreisrunder Tunnel sowie ein ovaler Tunnelstumpf, welcher kurz vor den Messungen erst aufgefahren wurde. Messaufbauten und Datenverarbeitung werden beschrieben. Schließlich werden Schlussfolgerungen und Vorschläge für zukünftige Arbeiten mit dem neuen M-Sequenzsensor sowie der Messung von Auflockerungen im Salzgestein diskutiert.
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Propagation measurement based study on relay networks, 2010. - Online-Ressource (PDF-Datei: 169 S., 6865 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
Parallel als Druckausg. erschienen
Von der nächsten Generation von Mobilfunksystemen erwartet man eine umfassende Versorgung mit breitbandigen Multimediadiensten. Um die dafür erforderliche flächendeckende Versorgung mit hohen Datenraten zu gewährleisten, können Relay-Netzwerke einen wesentlichen Beitrag liefern. Hierbei werden Netzwerkstationen mit Relay-Funktionalität in zellulare Netzwerke integriert. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung Relay-basierter Netzwerke unter Verwendung von Ausbreitungsmessungen. Die Arbeit deckt Fragen zur Kanalmodellierung, Systemevaluierung bis hin zur Systemverifikation ab. Zunächst wird ein auf Funkkanalmessungen beruhendes experimentelles Kanalmodell für Relay-Netzwerke vorgestellt. Im Weiteren werden technische Verfahren für Mehrfachzugriffs-Relay-Netzwerke MARN diskutiert. Die erreichbare Systemleistung wurde unter Verwendung von Rayleigh-Kanälen innerhalb einer Systemsimulation bestimmt und im Anschluss mit realen Kanälen, die sowohl direkt aus Funkkanalmessungen als auch indirekt aus dem bereits erwähnten Kanalmodell abgeleitet wurden, verifiziert. Bisherige Arbeiten zur Modellierung breitbandiger Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Kanäle berücksichtigen nicht oder nur sehr stark vereinfacht die Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links und werden damit der vermaschten und räumlich weit verteilten Topologie von Relay-Netzwerken gerecht. In der vorliegenden Dissertation erfolgte daher eine experimentelle Untersuchung zu den Korrelationseigenschaften von Large-Scale-Parametern LSP, die unter Verwendung von Funkkanalmessdaten aus urbanen Umgebungen und aus Innenräumen abgeleitet wurden. Die Ergebnisse hierzu fanden Eingang in das vom WINNER-Projekt entwickelte Kanalmodell. Sie erlauben damit eine realistischere Simulation von Relay-unterstützten Netzen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen technische Verfahren dar, die eine Erhöhung der Systemleistung in MARN mit unbekannter Interferenz UKIF versprechen. Im Einzelnen handelt es sich um die Mehrfachzugriffs-Kodierung MAC - die eine verbesserte Signaltrennung auf der Empfängerseite und eine Erhöhung des Datendurchsatzes erlaubt, den Entwurf eines Relay-Protokolls zur Erhöhung der Systemeffizienz, einen Minimum Mean Square Error (MMSE) Algorithmus zur Unterdrückung unbekannter Interferenzen bei Erhaltung der MAC-Signalstruktur mehrerer Mobilstationen MS, und ein fehlererkennungsbasiertes Signalauswahlverfahren zur Diversitätserhöhung. Die vorgenannten Verfahren werden in einer Systemsimulation zunächst mit Rayleigh-Kanälen evaluiert und demonstrieren die erzielbare theoretische Leistungssteigerung. Die Berücksichtigung realer Funkkanäle innerhalb der Systemsimulation zeigt allerdings, dass die theoretische Systemleistung so in der Realität nicht erreichbar ist. Die Ursache hierfür ist in den idealisierten Annahmen theoretischer Kanäle zu suchen. Für die Entwicklung künftiger Relay-Netzwerke bieten die in dieser Arbeit aufbereiteten Erkenntnisse hinsichtlich der Langzeitkorrelationseigenschaften zwischen den Links einen wertvollen Beitrag für die Abschätzung ihrer Systemleistung auf der Basis eines verbesserten Kanalmodells.
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Blind localization of mobile terminals in urban scenarios. - Ilmenau : ISLE, 2010. - XVII, 167 S. : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2010
ISBN 978-3-938843-58-1
Im Rahmen dieser Dissertation wurde das Problem der Blinden Lokalisierung von Mobilfunkterminals in städtischen Gebieten untersucht. Lokalisierung von Mobilfunkterminals stellt prinzipiell kein neues Themengebiet dar. Es sind die Randbedingungen, z.B. "blinde Lokalisierung" und "urbanes Gelände", die dieses Thema in eine neuartige und wenig erforschte Aufgabenstellung verwandeln. Als erstes wird daher in der Arbeit eine detaillierte Beschreibung und Klassifikation der vorliegenden Lokalisierungsaufgabe präsentiert. Die Besonderheit des entwickelten Lokalisierungsverfahrens besteht darin, dass es die Mehrwegeausbreitung explizit ausnutzt. Diese Eigenschaft ist in der drahtlosen Kommunikation, beim Radar und vielen anderen funkbasierten Technologien bekannt. Es ist naheliegend, dass die zeitlich-räumliche Struktur des Mobilfunkkanals positionsrelevante Information des Mobilfunkterminals enthält. Diese Information reicht allerdings nicht aus, um eine eindeutige Positionsschätzung des Mobiles zu gewährleisten. Zusätzliche Information über die Geometrie der umliegenden Reflektoren, d.h. ihre Position, Maße, Orientierung, in Kombination mit dem Ray-Tracing-Algorithmus erlauben, den Informationsmangel zu überwinden. Der wichtigste Beitrag dieser Arbeit ist das Framework für Lokalisierung der Mobilfunkterminals. Es stellt eine flexible und adaptive Prozedur bestehend aus zwei Bearbeitungsschritten dar. Im ersten Schritt erfolgt die Berechnung der Likelihood-Funktion, für die zwei Definitionen vorgeschlagen worden sind. Ihre Unterschiede, Vor- und Nachteile in der Anwendung usw. werden anhand synthetischer Daten im Laufe der numerischen Untersuchungen aufgezeigt. Dabei werden die synthetischen Daten mit Hilfe einer eigens dafür entwickelten experimentellen Umgebung generiert. Die eigentliche Positionsschätzung erfolgt im zweiten Bearbeitungschritt des Lokalisierungsframeworks. Es werden Bayessche und Fischersche Formalismen vorgestellt. Dabei wird insbesondere die rekursive Schätzung in den Mittelpunkt gestellt. Sie ermöglicht es, die Information über die Parameter oder Zustände eines dynamischen Systems in Echtzeit zu extrahieren. Somit ist sie für Lokalisierungs- und Trackinganwendungen sehr gut geeignet. Zwei Bayessche rekursive Schätzverfahren wurden implementiert, um das bewegte Mobilfunkterminal zu verfolgen. Es wurde weiterhin eine optionale Vorverarbeitungsprozedur entwickelt, die die Verfolgung von den Parametern der Mehrwegekomponenten über die Zeit beinhaltet. Die bei der blinden Lokalisierung erreichbare Genauigkeit wurde anhand von CRLB analysiert. Anschließend wurde das Framework für Lokalisierung der Mobilfunkterminals an Messdaten verifiziert.
Limitations of experimental channel characterisation, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: 274 S., 15,6 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2008
Enth. außerdem: Thesen
In dieser Dissertation wird die Experimentelle Kanalcharakterisierung und deren Grenzen in realenAusbreitungsumgebungen untersucht. Dies beinhaltet die Aufzeichnung der mehrdimensionalenbreitbandigen Kanalmatrix mit einem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Channel-Sounderunter Verwendung von Antennenarrays auf der Sende- und Empfangsseite. Um den Funkkanalmit Hilfe der Parameter Sendewinkel (DoD), Empfangswinkel (DoA), Laufzeit (TDoA) und denkomplexen polarimetrischen Pfadgewichten zu charakterisieren, werden hochauflösende Parameterschätzverfahrenverwendet. Die Genauigkeit dieser Parameterschätzergebnisse in ъrealen Messumgebungenwird durch eine Vielzahl von Fehlerquellen begrenzt. Diese Genauigkeitsgrenzen derParameterschätzung werden anhand zahlreicher Simulationen und Messungen analysiert. Fehlerquellenim gesamten Verarbeitungsablauf werden untersucht.Dazu gehören die Einschränkungendurch das Messsystem, systematische Fehler bei der Kalibrierung praktischer Antennenarrays sowieUnzulänglichkeiten des Funkkanalmodells des hochauflösenden Parameterschätzers. Darüber hinauswerden die Auswirkungen der Parametrierung bzw. Ableitung geometrisch basierter Kanalmodelleauf der Grundlage von Parameterschätzergebnissen mit begrenzter Genauigkeit aufgezeigt.Mit Messungen in typischen Ausbreitungsumgebungen kann der Funkkanal immer nur in Abhängigkeitder Messantennen beschrieben werden. Als Ziel wird jedoch eine antennenunabhängige Beschreibungdes Funkkanals angestrebt. Daher ist es notwendig, die Sende- und Empfangswinkel derspekularen Ausbreitungspfade mittels hochauflösender Parameterschätzverfahren zu bestimmen.Der gradientenbasierte Maximum Likelihood (ML) Parameterschätzer RIMAX, auf dem diese Arbeitaufbaut, verwendet ein Datenmodell, das den Funkkanal und das Messsystem inklusive derAntennenarrays beschreibt. Im Gegensatz zu anderen ML-Parameterschätzern wird ein Funkanalmodellangewendet, welches spekulare Reflektionen und verteilte diffuse Streuungen berücksichtigt.Für die Modellierung des Messsystems wird ein effizientes und exaktes Modell der gemessenenpolarimetrischen Richtcharakteristika benötigt. Das hier vorgeschlagene Modell, die so genannteEffective Aperture Distribution Function (EADF), beschreibt die Antennenrichtcharakteristikaanalytisch und basiert im Wesentlichen auf der zweidimensionalen (2D) Fouriertransformation derperiodischen Richtcharakteristika. Im Gegensatz zu anderen Verfahren können auf der Grundlageder EADF die Antennencharakteristika und ihre Ableitungen mit geringem Aufwand und hoherGenauigkeit berechnet werden. Für eine exakte Messung der Richtcharakteristika eines Antennenarrayswird ein vollpolarimetrisches 2D-Kalibrierverfahren vorgeschlagen. Mit diesem Verfahrenwird der komplette Messaufbau kalibriert. Dazu gehören der MIMO Channel-Sounder, die dualpolarisierte Referenzhornantenne und alle Hochfrequenzkomponenten außer dem zu untersuchendenAntennenarray. Im Zusammenhang mit der Arraykalibrierung wird ein gradientenbasierterML-Parameterschätzer entwickelt, mit dem eine bei der Kalibriermessung auftretende Phasenabweichungkorrigiert wird.Des Weiteren wird ein leistungsstarkes Verfahren zur Bewertung praktischer Antennenarrays auf derBasis der EADFs gemessener Richtcharakteristika vorgeschlagen. Die Cramér-Rao-Schranken der Winkelparameter in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnisses werden mit dem EADF-Modellanalytisch berechnet. Der Vorteil des EADF-Modells besteht darin, dass die Richtcharakteristikaeines realen Antennenarrays unter Einbeziehung aller störenden Einflussgrößen beschrieben werden.Das vorgeschlagene Bewertungsverfahren wird anhand von Messungen im Antennenmessraum verifiziert.Das Modell des Messsystems inklusive der Antennenarrays,welches für die Parameterschätzungverwendet wird, kann das reale System nur begrenzt beschreiben. Es wurden Schätzergebnisse vonzahlreichen Messungen analysiert. Hierbei musste festgestellt werden, dass Fehler bei der Modellierungzu teilweise unglaubwürdigen Schätzergebnissen führen. Genauer untersucht werden Fehlerin Bezug auf die Antennenarrays und das Messsystem.Erstere werden hervorgerufen durchsystematische Fehler bei der Arraykalibrierung und durch die Verwendung unvollständiger Datenmodelle(z.B. Nichtberücksichtigung der polarimetrischen Eigenschaften der Antennen). Letztereentstehen einerseits durch Phasenrauschen und andererseits durch ungeeignete Kalibrierung. Eswird nachgewiesen, dass die Verwendung ungenauer Modelle zur Schätzung von Artefakten führt.Diese Schätzfehler äußern sich in Abweichungen und/oder in einer künstlichen Aufspreizung derWinkelschätzungen der spekularen Anteile. Es werden geeignete Methoden vorgeschlagen, um dieAuswirkungen von Modellfehlern weitestgehend zu vermeiden bzw. zu korrigieren. Betont werdenmuss jedoch, dass einige Fehler unvermeidbar sind.Die Auswirkungen aller unvermeidbaren Fehler auf die Experimentelle Kanalcharakterisierung inkomplexen Ausbreitungsumgebungen werden im letzten Teil dieser Arbeit dargestellt. Es wird gezeigt,unter welchen Bedingungen die geschätzten spekularen Anteile sowie die geschätzten verteiltendiffusen Streuanteile glaubwürdig und physikalisch relevant sind. Die Untersuchungen basieren auf ъrealistischen Simulationen des Funkkanals (Ray-Tracing) und auf Messungen. Diese Synthesegarantiert Glaubwürdigkeit und Aussagefähigkeit der in der Arbeit gewonnenen Ergebnisse.Die Resultate dieser Dissertation sind speziell für Wissenschaftler auf dem Gebiet der Parameterschätzungsowie Funkkanalmodellierung von Interesse und können wie folgt zusammengefasstwerden: die Entwicklung eines Modells zur exakten und effizienten Beschreibung der Richtcharakteristikavon Antennenarrays,ein Verfahren zur Bewertung praktischer Antennenarrays, die Sensibilisierung für Modellfehler und deren Auswirkungen auf die Parameterschätzergebnisseund die Bestimmung der Grenzen Experimenteller Kanalcharakterisierung unter Berücksichtigungaller unvermeidbarer Fehlerquellen.
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Estimation of radio channel parameters : models and algorithms, 2005. - XVI, 194 S = 6,12 MB : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2005
Parallel als Druckausg. erschienen
Diese Dissertation behandelt die Schätzung der Modellparameter einer Momentanaufnahme des Mobilfunkkanals. Das besondere Augenmerk liegt zum einen auf der Entwicklung eines generischen Datenmodells für den gemessenen Funkkanal, welches für die hochauflösende Parameterschätzung geeignet ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines robusten Parameterschätzers für die Bestimmung der Parameter des entworfenen Modells aus Funkkanalmessdaten. Entsprechend dieser logischen Abfolge ist auch der Aufbau dieser Arbeit.Im ersten Teil wird ausgehend von einem aus der Literatur bekannten strahlenoptischen Modell eine algebraisch handhabbare Darstellung von beobachteten Wellenausbreitungspfaden entwickelt. Das mathematische Modell erlaubt die Beschreibung von SISO (single-input-single-output)-Übertragungssystemen, also von Systemen mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne, als auch die Beschreibung von solchen Systemen mit mehreren Sende- und/oder Empfangsantennen. Diese Systeme werden im Allgemeinen auch als SIMO- (single-input-multiple-output), MISO- (multiple-input-single-output) oder MIMO-Systeme (multiple-input-multiple-output) bezeichnet. Im Gegensatz zu bekannten Konzepten enthält das entwickelte Modell keine Restriktionen bezüglich der modellierbaren Antennenarrayarchitekturen. Dies ist besonders wichtig in Hinblick auf die möglichst vollständige Erfassung der räumlichen Struktur des Funkkanals. Die Flexibilität des Modells ist eine Grundvoraussetzung für die optimale Anpassung der Antennenstruktur an die Messaufgabe. Eine solche angepasste Antennenarraystruktur ist zum Beispiel eine zylindrische Anordnung von Antennenelementen. Sie ist gut geeignet für die Erfassung der räumlichen Struktur des Funkkanals (Azimut und Elevation) in so genannten Outdoor-Funkszenarien. Weiterhin wird im ersten Teil eine neue Komponente des Funkkanaldatenmodells eingeführt, welche den Beitrag verteilter (diffuser) Streuungen zur Funkübertragung beschreibt. Die neue Modellkomponente spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung eines robusten Parameterschätzers im Hauptteil dieser Arbeit. Die fehlende Modellierung der verteilten Streuungen ist eine der Hauptursachen für die begrenzte Anwendbarkeit und die oft kritisierte fehlende Robustheit von hochauflösenden Funkkanalparameterschätzern, die in der Literatur etabliert sind. Das neue Datenmodell beschreibt die so genannten dominanten Ausbreitungspfade durch eine deterministische Abbildung der Pfadparameter auf den gemessenen Funkkanal. Der Beitrag der verteilten Streuungen wird mit Hilfe eines zirkularen mittelwertfreien Gaußschen Prozesses beschrieben. Die Modellparameter der verteilten Streuungen beschreiben dabei die Kovarianzmatrix dieses Prozesses. Basierend auf dem entwickelten Datenmodell wird im Anschluss kurz über aktuelle Konzepte für Funkkanalmessgeräte, so genannte Channel-Sounder, diskutiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden in erster Linie Ausdrücke zur Bestimmung der erzielbaren Messgenauigkeit eines Channel-Sounders abgeleitet. Zu diesem Zweck wird die untere Schranke für die Varianz der geschätzten Modellparameter, das heißt der Messwerte, bestimmt. Als Grundlage für die Varianzabschätzung wird das aus der Parameterschätztheorie bekannte Konzept der Cramér-Rao-Schranke angewandt. Im Rahmen der Ableitung der Cramér-Rao-Schranke werden außerdem wichtige Gesichtspunkte für die Entwicklung eines effizienten Parameterschätzers diskutiert. Im dritten Teil der Arbeit wird ein Schätzer für die Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip entworfen. Nach einer kurzen Übersicht über existierende Konzepte zur hochauflösenden Funkkanalparameterschätzung wird die vorliegende Schätzaufgabe analysiert und in Hinsicht ihres Typs klassifiziert. Unter der Voraussetzung, dass die Parameter der verteilten Streuungen bekannt sind, lässt sich zeigen, daß sich die Schätzung der Parameter der Ausbreitungspfade als ein nichtlineares gewichtetes kleinstes Fehlerquadratproblem auffassen lässt. Basierend auf dieser Erkenntnis wird ein generischer Algorithmus zur Bestimmung einer globalen Startlösung für die Parameter eines Ausbreitungspfades vorgeschlagen. Hierbei wird von dem Konzept der Structure-Least-Squares (SLS)-Probleme Gebrauch gemacht, um die Komplexität des Schätzproblems zu reduzieren. Im folgenden Teil dieses Abschnitts wird basierend auf aus der Literatur bekannten robusten numerischen Algorithmen ein Schätzer zur genauen Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter abgeleitet. Im letzten Teil dieses Abschnitts wird die Anwendung unterraumbasierter Schätzer zur Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter diskutiert. Es wird ein speichereffizienter Algorithmus zur Signalraumschätzung entwickelt. Dieser Algorithmus ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung von mehrdimensionalen Parameterschätzern wie zum Beispiel des R-D unitary ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) zur Bestimmung von Funkkanalparametern aus MIMO-Funkkanalmessungen. Traditionelle Verfahren zur Signalraumschätzung sind hier im Allgemeinen nicht anwendbar, da sie einen zu großen Speicheraufwand erfordern. Außerdem wird in diesem Teil gezeigt, dass ESPRIT-Algorithmen auch zur Parameterschätzung von Daten mit so genannter versteckter Rotations-Invarianzstruktur eingesetzt werden können. Als Beispiel wird ein ESPRIT-basierter Algorithmus zur Richtungsschätzung in Verbindung mit multibeam-Antennenarrays (CUBA) abgeleitet. Im letzten Teil dieser Arbeit wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer für die neue Komponente des Funkkanals, welche die verteilten Streuungen beschreibt, entworfen. Ausgehend vom Konzept des iterativen Maximum-Likelihood-Schätzers wird ein Algorithmus entwickelt, der hinreichend geringe numerische Komplexität besitzt, so dass er praktisch anwendbar ist. In erster Linie wird dabei von der Toeplitzstruktur der zu schätzenden Kovarianzmatrix Gebrauch gemacht. Aufbauend auf dem Schätzer für die Parameter der Ausbreitungspfade und dem Schätzer für die Parameter der verteilten Streuungen wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer entwickelt (RIMAX), der alle Parameter des in Teil I entwickelten Modells der Funkanalmessung im Verbund schätzt. Neben den geschätzten Parametern des Datenmodells liefert der Schätzer zusätzlich Zuverlässigkeitsinformationen. Diese werden unter anderem zur Bestimmung der Modellordnung, das heißt zur Bestimmung der Anzahl der dominanten Ausbreitungspfade, herangezogen. Außerdem stellen die Zuverlässigkeitsinformationen aber auch ein wichtiges Schätzergebnis dar. Die Zuverlässigkeitsinformationen machen die weitere Verarbeitung und Wertung der Messergebnisse möglich.
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Messung der spektralen Korrelation zyklostationärer Prozesse. - Ilmenau : ISLE, 2001. - XII, 97 S Zugl.: Ilmenau : Techn. Univ., Diss, 2001
ISBN 3932633660
Literaturverz. S. 93 - 97
Zu Struktur und Aufbau von Meßsystemen, 1991. - 122 Bl. Ilmenau : Techn. Hochsch., Diss., 1991
Enth. außerdem: Thesen