Accuracy assessment of simplified computation of active and passive magnetic shielding for optically pumped magnetometers. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 58 (2022), 9, 7401204, insges. 4 S.
A low residual environmental magnetic field is required for the proper operation of most optically pumped magnetometers (OPMs). This is achieved using a combination of passive and active magnetic shielding. Passive magnetic shielding often uses multiple layers of highly permeable materials. A realistic two-layer magnetically shielded room (MSR) for biomagnetic measurements is numerically studied using the finite element method. A measured B-H characteristic of Mumetal is used, which is linearly extrapolated from the Rayleigh region (RR) into the low magnetic field range. This extension of the magnetization curve yields no significant differences compared to using a constant permeability value for the low magnetic field range. Furthermore, we model the MSR with only one shield and apply a simple analytical method of images (MOI). The MOI yields on average a 100-fold reduction in computation time. The relative difference of the magnetic flux density computed with MOI and finite element method (FEM) is smaller than < 1% at the center of a spherical region of interest (ROI) with a radius of 0.3 m desired from the point of magnetoencephalography (MEG) using OPMs. The achieved accuracy of the MOI makes it suitable for the optimization of active shielding coils.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2022.3161736
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2022
Mit dem steigenden Grad der Automatisierung im Verkehr entwickeln sich Kommunikationstechniken. Im Bereich der Vehicle-to-Everything (V2X) Kommunikation entwickeln sich zwei konkurrierende Technologien. Das sind ITS-G5 und Celluar-V2X. Dadurch verändert sich die elektromagnetische Umwelt in Fahrzeugen. Diese wird in den Bereichen, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektromagnetische Umweltverträglichkeit (EMVU) abgesichert. Zur Erfassung von ITS-G5-Signalen im Innenbereich von Fahrzeugen wurde die Sonde LSProbe 1.2 der Firma Lumiloop GmbH angeschafft. Die Sonde wird in Betrieb ge-nommen und mithilfe des Spektrumsanalysator SRM 3006 von Narda Safety Test So-lutions verifiziert. Ein vorhandenes Messverfahren wird auf das neue System adaptiert. Anschließend finden Messungen im Fahrzeuginneren statt. Die LSProbe 1.2 ist nur bedingt zu Erfassung von ITS-G5-Signalen im Fahrzeug ge-eignet. Da die Empfindlichkeit der Sonde bei 5,9GHz bei 1V/m liegt, können Signale von der Dachantenne nicht erfasst werden. Dia Adaption des Messverfahrens war möglich, die gewünschten EMVU Parameter können ermittelt werden. Es ist eine genaue Aufnahme der Messergebnisse über lange Zeiträume möglich. Dadurch sind Erkenntnis zum Signalverlauf gewonnen worden. Die Pulse und Pausen-zeiten variieren zwischen zwei aufeinanderfolgenden Signalen. Dennoch können Gruppierungen erkannt werden, in denen sich das Signal meist bewegt. Verschiedene Verkehrsszenarien sind deutlich im Verlauf erkennbar.
Reflection design methods for reconfigurable intelligent surfaces-aided dynamic TDD systems. - In: 2022 IEEE 12th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2022), S. 36-40
Dynamic time-division-duplexing (DTDD) and reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have been proposed recently as solutions to meet the small cells traffic fluctuations and to tune the wireless propagation channels in real-time, respectively. However, to the best of the authors' knowledge, there has been no work so far considering the integration of both techniques. Therefore, we consider in this paper an RIS-aided DTDD wireless system and propose two non-iterative methods to design the RIS reflection vector with the objective of maximizing the system spectral efficiency, while reducing the cross-link interference. Numerical results are presented showing the efficiency of the proposed methods as compared to some baseline schemes. It is shown that the integration of RIS in DTDD systems has great potential in improving communication efficiency while reducing the impact of cross-link interference.
https://doi.org/10.1109/SAM53842.2022.9827850
Enhanced computation of the coupled block-term decomposition in multilinear rank terms. - In: 2022 IEEE 12th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM), (2022), S. 400-404
Coupled tensor decompositions proved to be a valuable tool for many signal processing applications, including biomedical data analysis, source separation, data fusion, and many others. In this paper, we present an algorithm to calculate the coupled (BTD) of multiple three-dimensional tensors with a coupled mode and possibly an unknown rank structure. The proposed approach is composed of three main parts, the first is an extension of the linear regression of global eigenvalues (LaRGE) technique to estimate the number of blocks and sum of multilinear ranks in the coupled tensors. The second part accounts for the calculation of the preliminary multilinear factors of the coupled BTD by means of the semi-algebraic framework for approximate CP decompositions via simultaneous matrix diagonalizations (SECSI). The last part contains the final refinement procedures that return the estimated BTD factors. Moreover, we provide some synthetic data simulations showing that the proposed algorithm demonstrates more stable and accurate results than the schemes from the literature.
https://doi.org/10.1109/SAM53842.2022.9827801
Combining AI/ML and PHY layer rule based inference - some first results. - In: 2022 IEEE 23rd International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communication (SPAWC), (2022), insges. 5 S.
In 3GPP New Radio (NR) Release 18 we see the first study item starting in May 2022, which will evaluate the potential of artificial intelligence and machine learning (AI/ML) methods for Radio Access Network (RAN) 1, i.e., for mobile radio PHY and MAC layer applications. We use the profiling method for an accurate iterative estimation of the parameters of the dominant multipath components, as it promises a large channel prediction horizon. We investigate options to partly or fully replace some functionalities of rule based PHY layer algorithms by AI/ML inferences, with the goal to achieve either a higher performance, lower latency, or reduced processing complexity. We provide first results for noise reduction, then a combined scheme for model order selection, compare options to infer multipath component start parameters, and provide an outlook on a possible channel prediction framework.
https://doi.org/10.1109/SPAWC51304.2022.9833980
Transfer learning capabilities of untrained neural networks for MIMO CSI recreation. - In: 2022 IEEE International Conference on Communications, (2022), S. 1288-1293
Machine learning (ML) applications for wireless communications have gained momentum on the standardization discussions for 5G advanced and beyond. One of the biggest challenges for real world ML deployment is the need for labeled signals and big measurement campaigns. To overcome those problems, we propose the use of untrained neural networks (UNNs) for MIMO channel recreation/estimation and low over-head reporting. The UNNs learn the propagation environment by fitting a few channel measurements and we exploit their learned prior to provide higher channel estimation gains. Moreover, we present a UNN for simultaneous channel recreation for multiple users, or multiple user equipment (UE) positions, in which we have a trade-off between the estimated channel gain and the number of parameters. Our results show that transfer learning techniques are effective in accessing the learned prior on the environment structure as they provide higher channel gain for neighbouring users. Moreover, the proposed UNN channel state information (CSI) estimators are under-parameterized and can further enable low-overhead CSI reporting.
https://doi.org/10.1109/ICC45855.2022.9838738
Reliable deep learning based localization with CSI fingerprints and multiple base stations. - In: 2022 IEEE International Conference on Communications, (2022), S. 3214-3219
Deep learning (DL) methods have been recently proposed for user equipment (UE) localization in wireless communication networks, based on the channel state information (CSI) between a UE and multiple base stations (BSs) in the uplink. With the CSI from the available BSs, UE localization can be performed in different ways. On the one hand, a single neural network (NN) can be trained for the UE localization by considering the CSI from all the available BSs as one overall fingerprint of the user’s location. On the other hand, the CSI at each BS can be used to obtain an estimate of the UE’s position with a separate NN at each BS, and then the position estimates of all BSs are combined to obtain an overall estimate of the UE position. In this work, we show that UE localization with the latter approach can achieve a higher positioning accuracy. We propose to consider the uncertainty in the UE localization at each BS, such that overall UE’s position is determined by combining the position estimates of the different BSs based on the uncertainty at each BS. With this approach, a more reliable position estimate can be obtained in case of variations in the channel.
https://doi.org/10.1109/ICC45855.2022.9838535
Modeling of superconducting detectors for simulation with circuit analysis programs. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Der Nachweis, die Erzeugung und die Manipulation einzelner Photonen sind in vielen Bereichen der Quantenoptik von entscheidender Bedeutung. Einzelphotonendetektoren auf der Basis von supraleitenden Nanodrähten (SNSPDs) haben sich in letzter Zeit zu einer vielversprechenden Technologie für die Zählung von Infrarotphotonen entwickelt. In dieser Arbeit wird ein supraleitender Detektor, insbesondere ein supraleitender Nanodraht-Einzelphotonendetektor, untersucht und mit einem Schaltungsanalyseprogramm wie WRspice modelliert, um Photonenpulse effektiv zu erfassen. Der SNSPD wird durch verschiedene Parameterwerte elektrisch charakterisiert, und es wird auch abgeschätzt, wie sich die Parameter auf den Timing-Jitter, die Anstiegs- und Abklingzeiten auswirken. Das in WRspice implementierte elektrische Modell des SNSPD wird dann an eine nachfolgende Signalverarbeitungsstufe angeschlossen, hauptsächlich an ein einheitliches Array von galvanisch gekoppelten SQUIDs, um eine Verstärkung der SNSPD-Ausgangssignale zu erreichen.
Testbed for surface detection with ultrasound. - Ilmenau. - 51 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2022
Bei der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall geht es um die Erkennung und Lokalisierung von Fehlern. Der Messaufbau umfasst einen Positionierer, der die Position und Ausrichtung eines Ultraschallkopfes zu einer zu prüfenden Probe steuert. Wenn der Positionierer seine Anfangsausrichtung zur Probe nicht kennt, ist eine Kalibrierung erforderlich, bei der eine optimale Ausrichtung des Schallkopfs gefunden werden muss. Um Informationen über das Innere der Probe zu erhalten, muss der Schall in die Probe in einem optimalen Winkel eindringen, um die Energie des reflektierte Signal zu maximieren. Um die Entwicklung von neuen Kalibriermethoden zu unterstützen, wird in dieser Arbeit der Aufbau der physikalischen Hardware mit einem Raytracer nachgebildet, um so in Simulationen eine schnellere Entwicklung von Kalibriermethoden zu ermöglichen. Das vorgestellte Raytracer-Modell ermöglicht die Simulation von Messungen und geometrischen Elementen, die den physikalischen Messaufbau nachbilden. Die Ultraschallwellenfelder werden durch einen diskreten Satz von Strahlen ersetzt, unter der Annahme, dass die Betriebsfrequenz hoch und das Medium homogen ist. Die Amplitude und die Laufzeit jedes empfangenen Strahls über den Sensorbereich werden zur Modulation der Impulsform verwendet, die wiederum einen Träger moduliert, und das Gesamtfeld wird durch Summierung aller skalierten, zeitverschobenen Kopien des Signals berechnet. Auf diese Art lassen sich auch die Form des Sendeimpulses und der Öffnungswinkel programmieren, was eine Vorteil im Vergleich zu echten Messungen darstellt. Der virtuelle Messaufbau ermöglicht die Analyse von Kalibrierungsalgorithmen und ermöglicht Aussagen über Kombinationen von Parameterwerten, die in einer realen Umgebung funktionieren könnten. In dieser Arbeit werden stochastische Approximationsalgorithmen untersucht, indem verschiedene Testszenarien eingerichtet werden, um die Leistungsmetriken Konvergenzgeschwindigkeit, Genauigkeit und Robustheit zu der Algorithmen zu bewerten. Die Kalibrierungsalgorithmen automatisieren die Kalibrierung und verkürzen die Messzeit im Vergleich zur manuellen Kalibrierung, bei der der Prüfkopf in jeden Winkel bewegt und die Messung abgewartet werden muss. Die Kalibrierungsalgorithmen sind völlig unabhängig von der Datenquelle und funktionieren sowohl in simulierten als auch in realen Messumgebungen.
Conformal electromagnetic wave propagation using primal mimetic finite elements. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xxv, 135 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
Elektromagnetische Wellenausbreitung bildet die physikalische Grundlage für unzählige Anwendungen in verschiedenen Bereichen der heutigen Welt. Um räumliche Szenarien zu modellieren, muss der kontinuierliche Raum in geeigneter Weise in ein Rechengebiet umgewandelt werden. Üblich diskretisierte Modelle – welche auf verschiedenen Größen beruhen – berücksichtigen die Beziehungen zwischen Feldvariablen mittels Relationen, welche durch partielle Differentialgleichungen repräsentiert werden. Um mathematische Beziehungen zwischen abhängigen Variablen in zweckdienlicher Art nachzubilden, schaffen hyperkomplexe Zahlensysteme ein passendes alternatives Rahmenwerk. Dieser Ansatz bezweckt das Einbinden bestimmter Systemeigenschaften und umfasst zusätzlich zur Modellierung von Feldproblemen, bei denen alle Variablen vorkommen, auch vereinfachte Modelle. Um eine wettbewerbsfähige Alternative zur üblichen numerischen Behandlung elektromagnetischer Felder in beobachtungsorientierter Weise darzubieten, wird das elektrische und magnetische Feld elektromagnetischer Wellenfelder als eine zusammengefasste Feldgröße, eingebettet im Funktionenraum, verstanden. Dieses Vorgehen ist intuitiv, da beide Felder in der Elektrodynamik gemeinsam auftreten und direkt messbar sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist in zwei Ziele untergliedert. Auf der einen Seite wird ein umformuliertes Maxwell-System in einer metrikfreien Umgebung mittels dem sogenannten „bikomplexen Ansatz“ umfassend untersucht. Auf der anderen Seite wird eine mögliche numerische Implementierung hinsichtlich der Finite-Elemente-Methode auf modernem Wege durch Nutzung der diskreten äußeren Analysis mit Fokus auf Genauigkeitsbelange bewertet. Hinsichtlich der numerischen Genauigkeitsbewertung wird demonstriert, dass der vorgelegte Ansatz grundsätzlich eine höhere Exaktheit zeigt, wenn man ihn mit Formulierungen vergleicht, welche auf der Helmholtz-Gleichung beruhen. Diese Dissertation trägt eine generalisierte hyperkomplexe alternative Darstellung von gewöhnlichen elektrodynamischen Ausdrucksweisen zum Themengebiet der Wellenausbreitung bei. Durch die Nutzung einer direkten Formulierung des elektrischen Feldes in Verbindung mit dem magnetischen Feld wird die Rechengenauigkeit von Randwertproblemen erhöht. Um diese Genauigkeitserhöhung zu erreichen, wird eine geeignete Erweiterung der de Rham-Kohomologie unterbreitet.
https://doi.org/10.22032/dbt.52276