Equivalence of aperture reduction in element space and constrained combination of DFT beams in beamspace. - In: IEEE ICASSP 2023 conference proceedings, (2023), insges. 5 S.
In this paper, we present an analytical proof of equivalence of the signal processing in the reduced aperture element space and in beamspace produced by the combination of multiple adjacent DFT beams with a subsequent constraining of the resulting magnitudes. This link finds applications in millimeter wave (mmWave) communications and radars that are typically equipped with a small number of RF chains and employ hybrid beamforming with analog phase shifters. This result unifies the transceiver designs, reduces complexity, and proves the applicability of state-of-the-art beamspace-based methods. It has a special implication for channel estimation at the initial stage when terminals acquire coarse estimates of the Sectors-of-Interest (SoIs). We show that the constrained groups of beams are equivalent to DFT beamformers of a smaller size aperture and present a closed-form expression of the corresponding effective aperture length as a function of the number of beams. We also derive an approximation of this expression to find the indices of the active array elements in a closed form. Finally, we verify this theory and analyze the accuracy of the proposed approximation using numerical simulations.
https://doi.org/10.1109/ICASSP49357.2023.10096523
Multi-environment based meta-learning with CSI fingerprints for radio based positioning. - In: 2023 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), (2023), insges. 6 S.
Radio based positioning of a user equipment (UE) based on deep learning (DL) methods using channel state information (CSI) fingerprints have shown promising results. DL models are able to capture complex properties embedded in the CSI about a particular environment and map UE’s CSI to the UE’s position. However, the CSI fingerprints and the DL models trained on such fingerprints are highly dependent on a particular propagation environment, which generally limits the transfer of knowledge of the DL models from one environment to another. In this paper, we propose a DL model consisting of two parts: the first part aims to learn environment independent features while the second part combines those features depending on the particular environment. To improve transfer learning, we propose a meta learning scheme for training the first part over multiple environments. We show that for positioning in a new environment, initializing a DL model with the meta learned environment independent function achieves higher UE positioning accuracy compared to regular transfer learning from one environment to the new environment, or compared to training the DL model from scratch with only fingerprints from the new environment. Our proposed scheme is able to create an environment independent function which can embed knowledge from multiple environments and more effectively learn from a new environment.
https://doi.org/10.1109/WCNC55385.2023.10118753
Framework for simulation models and algorithms in ISAC networks. - In: 2023 IEEE 3rd International Symposium on Joint Communications & Sensing (JC & S), (2023), insges. 6 S.
In Integrated Sensing and Communications (ISAC), radar and communications functionalities share the same radio channel and radio resources. This sharing allows the deployment of both functionalities at a low cost without additional frequency bands and infrastructure. Because radar and communications have different radio resource requirements, new radio access and radio resource management (RRM) methods are required in a shared system. To develop and evaluate new ISAC methods, this paper presents a modular simulation framework for the system level and link level of ISAC networks. The main components of the framework are the data storage, the simulators, and the algorithms. This paper presents the framework's architecture, the integrated simulation models for channel and signal simulation, and the integrated algorithms for multiple radar target localization and data transmission.
https://doi.org/10.1109/JCS57290.2023.10107507
DeModulation Reference Signal (DM-RS) densification in 5G-NR downlink. - Ilmenau. - 84 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Demodulation Referenzsignale (DM-RS) ermöglichen die kohärente Demodulation von physikalischen Kanälen in Systemen der fünften Generation (5G NR). Für multi-Layer-Übertragungen von physikalischen Kanälen ist jeder Layer assoziiert mit einem DMRS-Port, der im Zeit-Frequenzgrid des Transportblocks des physikalischen Kanals eingebettet ist. Ein Ziel dieser Arbeit ist die Erhöhung der Anzahl der verfügbaren DMRS-Ports eines 5G-Systems ohne die Erhöhung des DMRS-Overheads. Dieses erlaubt einer Basisstation (gNodeB) mehr Nutzer zu bedienen und erhöht die spektrale Effizienz von Uplink- oder Downlink-Übertragungen. In 5G Rel.15 werden bis zu 12 orthogonale DMRS-Ports unterstützt. In 3GPP Rel.18 wird die Erhöhung der DMRS-Ports bei gleichbleibendem Overhead untersucht. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Anzahl der DMRS-Ports untersucht sowie bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit in Link- und Systemlevel-Simulationen miteinander verglichen. Zwei Methoden werden hierzu miteinander verglichen: längere Orthogonale Cover Codes (FD-OCC) als in 3GPP Rel. 15 und dünn-besetzte DMRS Resource-Allokationen im Frequenzbereich. Das FD-OCC ermöglicht die Orthogonalisierung von verschiedenen DMRS-Ports in der Code-Domain, wobei die DMRS-Sequenzen zu gleichen Zeit-Frequenz-Ressourcen gemappt werden. Für FD-OCC werden Hadamard- und Diskrete-Fourier-Transforms (DFT)-Ansätze untersucht. Ergebnisse aus Linklevel-Simulationen belegen, dass die erweiterten FD-OCC Ansätze eine ähnliche Performance wie die vorhandenen Rel. 15 Strukturen bzgl. der Kanalschätzung aufweisen. Eine dünnbesetzte Allokation der DMRS führt zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit bei Kanälen mit hohem Delay-Spread. Der Vergleich verschiedener FD-OCC-Längen für verdichtete DMRS-Strukturen mit Rel.15-Länge-2-OCC-Sequenz über verschiedene Interferenzniveaus hinweg wird ebenfalls in der Arbeit vorgestellt, um den Einfluss der Interferenz auf die verwendete OCC-Art und -Länge zu analysieren.
VANET-based traffic light management for an emergency vehicle. - In: Ubiquitous networking, (2023), S. 129-137
Wireless communications have affected our lifestyle in the last decades. It is helpful to improve quality of life for communities. Communications among vehicles usually take place in vehicular ad-hoc networks (VANETs). Vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure (V2I) communications are aspects of communications in the transportation which are growing rapidly. They can play a pivotal role in the transportation field. Management of traffic lights (TLs) is crucial to control traffic flow especially at an intersection. The goal of this paper is to manage the TLs at an intersection when an emergency vehicle (EV) is approaching. First, we simulate an intersection which includes TLs via simulation of urban mobility (SUMO). Later, we simulate VANETs communication to manage the TLs at the intersection when the EV is coming with the help of objective modular network testbed in C++ (OMNeT++) and vehicles in network simulation (Veins). Finally, the impact of V2I communication on delivery efficiency of the emergency service is investigated. Simulation results show an improvement in delivery efficiency of the emergency service.
Configurable pseudo noise radar imaging system enabling synchronous MIMO channel extension. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 23 (2023), 5, 2454, insges. 27 S.
In this article, we propose an evolved system design approach to ultra-wideband (UWB) radar based on pseudo-random noise (PRN) sequences, the key features of which are its user-adaptability to meet the demands provided by desired microwave imaging applications and its multichannel scalability. In light of providing a fully synchronized multichannel radar imaging system for short-range imaging as mine detection, non-destructive testing (NDT) or medical imaging, the advanced system architecture is presented with a special focus put on the implemented synchronization mechanism and clocking scheme. The core of the targeted adaptivity is provided by means of hardware, such as variable clock generators and dividers as well as programmable PRN generators. In addition to adaptive hardware, the customization of signal processing is feasible within an extensive open-source framework using the Red Pitaya® data acquisition platform. A system benchmark in terms of signal-to-noise ratio (SNR), jitter, and synchronization stability is conducted to determine the achievable performance of the prototype system put into practice. Furthermore, an outlook on the planned future development and performance improvement is provided.
https://doi.org/10.3390/s23052454
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2023
In dieser Bachelorarbeit wird die Winkelschätzung durch Datenfusion von räumlich getrennten, inkohärenten Radarsensoren untersucht. Im ersten Schritt wurde der Ansatz im Proof of Concept Kapitel validiert und ein dichtes, mehrlagiges Netzwerk wurde ausgewählt. Die Szenarien wurden einfach gehalten, um weiteres Verkomplizieren zu ermöglichen, wenn der Ansatz vielversprechende Ergebnisse erzielt. Danach wurden verschiedene Netzwerk-Layouts getestet, in denen die Größe der Lagen verändert wurde und Dropout-Lagen hinzugefügt wurden. Die Ergebnisse für Szenarien mit einem Ziel sahen vielversprechend aus, der Fehler war konstant niedrig. Das führte zu der Einführung eines zweiten Zieles, was das Ergebnis sofort verschlechterte. Zusammenfassend war die Leistung schlechter, als die gewöhnlicher Winkel-Schätz-Algorithmen. Um die Ergebnisse zu verbessern, wurde dem Netzwerk Distanz-Information hinzugefügt, was die Ergebnisse nicht gravierend verbesserte. Die verschiedenen Ansätze und deren Leistung wird am Ende evaluiert.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In der Automobilindustrie werden verschiedene architektonische Sicherheitsmuster entwickelt, um sicherheitskritische Systeme zu entwerfen. Bei autonom fahrenden Fahrzeugen (ADV) entwickeln sich die Fahrzeugsysteme vom Fahrer zum fahrerlosen System. Daher ist die Sicherheit eine der wichtigsten Anforderungen von ADV. Bei ADV kann es zu Situationen wie Sensor- oder Softwarefehlern kommen, die die Funktionalität des Fahrzeugs beeinträchtigen. Dieser Fehler muss rechtzeitig behoben werden, um einige der Risikobedingungen zu entschärfen. Dies kann mit dem Anwendungsfall des telegesteuerten Fahrens geschehen, bei dem die Kontrolle des Fahrzeugs vom Fahrzeug auf den menschlichen Fahrer übertragen wird. Die zugrundeliegenden Technologien erfüllen jedoch noch nicht die Sicherheitsanforderungen. Darüber hinaus verwenden technologische Fortschritte wie softwaredefinierte Fahrzeuge (SDV) eine Cloud-basierte Anwendungsentwicklung von Fahrzeugsoftware unter Verwendung containerbasierter Technologien. Kubernetes (K8s) ist eine Orchestrierungslösung, die containerisierte Anwendungen verwalten kann. Sie wurde jedoch ursprünglich nicht für Sicherheitsanwendungen entwickelt und entspricht nicht den Sicherheitsaspekten der ADV. Um den Sicherheitsaspekten der ADV gerecht zu werden, wurde ein Konzept entwickelt, das das M-aus-N-Sicherheitsmuster in K8s realisiert. Zunächst werden die Sicherheit im Automobilbereich, der Anwendungsfall des telegesteuerten Fahrens und dessen Sicherheitsanforderungen, K8s und deren Eigenschaften sowie die Sicherheitsmuster im Automobilbereich vorgestellt. Darüber hinaus werden die sicherheitsunterstützenden Merkmale von K8s analysiert, um die Sicherheitsmuster innerhalb von K8s zu realisieren, indem die Sicherheitsanforderungen des Anwendungsfalls des ferngesteuerten Fahrens berücksichtigt werden, und es werden ihre Grenzen aufgezeigt. Auf diese Weise wurde ein Konzept zur vollständigen Realisierung des M-aus-N-Sicherheitsmusters innerhalb von K8s erstellt, implementiert und das Konzept anhand von Bewertungsparametern wie End-to-End-Lieferzeit und Fehlererkennungszeit auf seine Leistung hin bewertet. Abschließend wird festgestellt, dass das entwickelte Konzept dazu beiträgt, das M-aus-N-Sicherheitsmuster innerhalb der K8s zu realisieren, und dass es bei Auftreten eines Fehlers die notwendige Fehlerreaktion zur Sicherung der Anwendung ermöglicht. Es erhöht jedoch die Ende-zu-Ende-Lieferzeit, indem es eine Verzögerung verursacht, die die Leistung beeinträchtigt.
Dynamic routing for mobile IoT networks based on software-defined networking. - Ilmenau. - 119 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In unserer Studie entwickelten wir ein drahtloses Sensornetzwerk, das speziell für Pflegeheime ausgelegt ist, um den Komfort und die Gesundheitsüberwachung älterer Menschen zu verbessern. Dieses Netzwerk umfasst tragbare Sensoren für Vitalzeichen und Umgebungssensoren für Temperatur und Luftfeuchtigkeit, um die spezifischen Bedürfnisse von Pflegeheimen zu adressieren. In Anbetracht der Energiebeschränkungen und Mobilität dieser Sensoren haben wir Software Defined Networking (SDN) integriert, um die Netzwerktopologie effektiv zu verwalten. SDN trennt Steuerungs- und Datenebenen, was eine flexiblere Netzwerkverwaltung ermöglicht und komplexe Rechenaufgaben an den SDN-Controller verlagert. Diese Integration von SDN mit Wireless Sensor Networks (WSN) ermöglicht eine effiziente globale Nachrichtenverwaltung, minimiert den Energieverbrauch und balanciert die Energie der Knoten, um so die Routing-Pfade zum Sink-Knoten im Pflegeheimsystem zu optimieren. Wir führten einen Nachbarschaftserkennungsmechanismus unter den Knoten ein, um die Netzwerkkonnektivität aufzubauen und zu erhalten, und berichteten diese Informationen an den SDN-Controller. Dieses System ermöglicht es dem SDN-Controller, Probleme wie Verbindungsunterbrechungen, Bewegungen mobiler Knoten und Pseudo-Totknoten zu überwachen und anzugehen, wodurch die Netzwerkstabilität erhöht wird. Mit einem variablen Längen-Genetischen Algorithmus (VLGA) wählt unser Netzwerk intelligent Clusterköpfe aus und berechnet Routing-Pfade mit dem Dynamischen Dual-Gewicht Dijkstra-Algorithmus, um Netzwerkressourcen effektiv zu verwalten. Unsere Validierungstests mit Python und Mininet-WiFi zeigten, dass der DDWGA-Algorithmus traditionelle genetische Algorithmen in Bezug auf Energieeffizienz übertrifft, insbesondere bei der Verlängerung der Lebensdauer der ersten und letzten ausfallenden Knoten. DDWGA zeigte auch eine überlegene Netzwerkstabilität und einen geringeren Anteil an Pseudo-Totknoten im Vergleich zum EEHTC-Algorithmus. Zusätzlich bestätigte unsere Implementierung in Mininet-WiFi die Wirksamkeit des Algorithmus in realen Szenarien, obwohl wir eine erhöhte Datenpaket-Overhead aufgrund kürzerer Zyklusperioden feststellten. Unsere Ergebnisse hoben auch die Bedeutung der Knotendichte für die Energieeffizienz hervor, wobei höhere Dichten effizienter waren. In Zukunft zielen wir darauf ab, die Betriebseffizienz unseres Netzwerks weiter zu verfeinern. Die Optimierung der Berichtsfrequenzen der Knoten basierend auf ihrer Geschwindigkeit wird ein Schwerpunkt sein. Auch planen wir, die Mobilität der Knoten als Faktor in den genetischen Algorithmus zur Auswahl der Clusterköpfe einzubeziehen, wobei Knoten mit geringerer Bewegungsgeschwindigkeit eher für die Auswahl des Clusterkopfes in Betracht gezogen werden. Außerdem planen wir, Strategien zur Leistungszuweisung zu erforschen, um das Verhältnis von Pseudo-Totknoten weiter zu reduzieren, möglicherweise durch die Zuweisung unterschiedlicher Anfangsenergieniveaus basierend auf der Nähe der Knoten zum Sink-Knoten. Dieser Ansatz könnte zu einer effizienteren Energienutzung führen und die Gesamtlebensdauer des Netzwerks verlängern.
Fill level measurements using an M-sequence UWB radar. - In: International journal of microwave and wireless technologies, ISSN 1759-0795, Bd. 15 (2023), 1, S. 74-81
Due to increasingly complex and automated manufacturing processes, the demands on the control parameters of these processes are also increasing. In many applications, such a parameter is the fill quantity, whose precise determination is of ever growing importance. This paper shows with which accuracy and precision an M-sequence ultra-wideband radar can determine levels in small metallic and non-metallic containers with contact-based and contactless measurements. First, the principle of level measurement using guided wave radar is explained and the measurement setup is described. Afterward, the measurement results are shown and discussed. The measurements show that the level can be measured with an accuracy of better than 0.5 mm. In addition, level fluctuations can be detected with a precision of 3 μm. Based on the results of the guided wave radar, the possibilities of volumetric contactless measurement using an electrically small patch antenna are discussed. A particular challenge in contactless level measurement is the high number of multipath components, which strongly influence the accuracy. In addition, there are near-field effects when measuring close to the antenna. Exploiting these near-field effects, an additional method to accurately determine the full state of the container is investigated.
https://doi.org/10.1017/S1759078722000502