Coupled coarray tensor CPD for DOA estimation with coprime L-shaped array. - In: IEEE signal processing letters, ISSN 1558-2361, Bd. 28 (2021), S. 1545-1549
Conventional canonical polyadic decomposition (CPD) approach for tensor-based sparse array direction-of-arrival (DOA) estimation typically partitions the coarray statistics to generate a full-rank coarray tensor for decomposition. However, such an operation ignores the spatial relevance among the partitioned coarray statistics. In this letter, we propose a coupled coarray tensor CPD-based two-dimensional DOA estimation method for a specially designed coprime L-shaped array. In particular, a shifting coarray concatenation approach is developed to factorize the partitioned fourth-order coarray statistics into multiple coupled coarray tensors. To make full use of the inherent spatial relevance among these coarray tensors, a coupled coarray tensor CPD approach is proposed to jointly decompose them for high-accuracy DOA estimation in a closed-form manner. According to the uniqueness condition analysis on the coupled coarray tensor CPD, an increased number of degrees-of-freedom for the proposed method is guaranteed.
https://doi.org/10.1109/LSP.2021.3099074
Agile multi-beam front-end for 5G mm-wave measurements. - In: International journal of microwave and wireless technologies, ISSN 1759-0795, Bd. 13 (2021), 7, S. 740-750
The 5th generation new radio (5G NR) standards create both enormous challenges and potential to address the spatio-spectral-temporal agility of wireless transmission. In the framework of a research unit at TU Ilmenau, various concepts were studied, including both approaches toward integrated circuits and distributed receiver front-ends (FEs). We report here on the latter approach, aiming at the proof-of-principle of the constituting FEs suitable for later modular extension. A millimeter-wave agile multi-beam FE with an integrated 4 by 1 antenna array for 5G wireless communications was designed, manufactured, and verified by measurements. The polarization is continuously electronically adjustable and the directions of signal reception are steerable by setting digital phase shifters. On purpose, these functions were realized by analog circuits, and digital signal processing was not applied. The agile polarization is created inside the analog, real-time capable FE in a novel manner and any external circuitry is omitted. The microstrip patch antenna array integrated into this module necessitated elaborate measurements within the scope of FE characterization, as the analog circuit and antenna form a single entity and cannot be assessed separately. Link measurements with broadband signals were successfully performed and analyzed in detail to determine the error vector magnitude contributions of the FE.
https://doi.org/10.1017/S1759078721000842
MNP-enhanced microwave medical imaging by means of pseudo-noise sensing. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 21 (2021), 19, 6613, insges. 23 S.
https://doi.org/10.3390/s21196613
Matrix pencil method for vital sign detection from signals acquired by microwave sensors. - In: Sensors, ISSN 1424-8220, Bd. 21 (2021), 17, 5735, insges. 24 S.
Microwave sensors have recently been introduced as high-temporal resolution sensors, which could be used in the contactless monitoring of artery pulsation and breathing. However, accurate and efficient signal processing methods are still required. In this paper, the matrix pencil method (MPM), as an efficient method with good frequency resolution, is applied to back-reflected microwave signals to extract vital signs. It is shown that decomposing of the signal to its damping exponentials fulfilled by MPM gives the opportunity to separate signals, e.g., breathing and heartbeat, with high precision. A publicly online dataset (GUARDIAN), obtained by a continuous wave microwave sensor, is applied to evaluate the performance of MPM. Two methods of bandpass filtering (BPF) and variational mode decomposition (VMD) are also implemented. In addition to the GUARDIAN dataset, these methods are also applied to signals acquired by an ultra-wideband (UWB) sensor. It is concluded that when the vital sign is sufficiently strong and pure, all methods, e.g., MPM, VMD, and BPF, are appropriate for vital sign monitoring. However, in noisy cases, MPM has better performance. Therefore, for non-contact microwave vital sign monitoring, which is usually subject to noisy situations, MPM is a powerful method.
https://doi.org/10.3390/s21175735
Investigation of cloud and edge computing for Internet of Things. - Ilmenau. - 123 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit untersucht das Cloud- und Edge-Computing-Paradigma für das Internet der Dinge (IoT) und bewertet die Leistung der Edge- und Cloud-Computing-Funktionen für das IoT. Diese Arbeit trägt zu einer Literaturübersicht über den Stand der Technik des Edge- und Cloud-Computings bei. Das Edge- und Cloud-Computing wird auf den drei Aufbaumodellen Bare Metal, Virtualisierung und Containerisierung durchgeführt, und Microsoft Azure Cloud wird als Cloud-Plattform verwendet. Für die Edge- und Cloud-Computing-Modelle werden drei Anwendungsfälle basierend auf den Datenverarbeitungstechniken als generische Datenverarbeitungs-, Datenfilterungs- und Datenkomprimierungstechniken verwendet. Die Edge-Setups sind mit dem Azure IoT Hub verbunden, und Azure Stream Analytics wird zum Streamen und Überwachen der Daten vom Azure IoT Hub zum Azure Blob Storage verwendet. In dieser Arbeit wird das Cloud-basierte Publisher- und Subscriber-Paradigma verwendet, wobei der Edge-Server der Publisher, Azure IoT Hub als MQTT-Broker und Azure Stream Analytics der Subscriber ist. Die CI und CD (CI/CD) für die Smart-Home-Automatisierung wird als CI am Edge-Server und CD in der Azure-Cloud unter Verwendung von GitHub-Aktionen entworfen und implementiert. Die Leistung aller Edge- und Cloud-Computing-Modelle mit Use Cases wird anhand der Edge-to-Cloud (E-C)-Latenz, der Cloud-Verarbeitungslatenz und der Durchsatzparameter bewertet. Die Use-Case-Szenarien werden auch für die Datenverarbeitung evaluiert und verglichen. Darüber hinaus werden drei Edge-Computing-Modelle anhand des Systemparameters prozentuale CPU-Auslastung bewertet und verglichen. Die Leistungsbewertung zeigte, dass die Containerisierung im Vergleich zu Bare-Metal- und Virtualisierungs-Setups weniger Schwankungen in der Latenz- und Durchsatzverteilung aufweist. Die Auswertung der Anwendungsszenarien zeigt, dass die Datenkomprimierungstechnik besser geeignet ist, um die Cloud-Kosten zu reduzieren, ohne dass Sensordaten verloren gehen, obwohl die Datenfilterung sogar weniger Nachrichtenübertragung erfordert, aber viele Sensordaten gehen bei der Datenverarbeitung verloren. Die Bewertung der E-C-Latenz und des Durchsatzes von zwei Azure-Ressourcengruppen ergab, dass die Ressourcengruppe West USA aufgrund der großen geografischen Entfernung zum Edge-Server eine höhere Latenz und einen geringeren Durchsatz als die Ressourcengruppe West Europa aufweist.
Nachbildung plasmaphysikalischer Vorgänge bei der Wechselwirkung von Lichtbogen mit dielektrischen Flüssigkeiten. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der vorliegenden Arbeit wird die Nachbildung plasmaphysikalischer Vorgänge bei der Wechselwirkung von Lichtbögen mit dielektrischen Flüssigkeiten gemacht. Der Lichtbogen wirkt auf die Flüssigkeit mit einer hohen Temperatur und diese Arbeit widmet sich der experimentellen und numerischen Untersuchung der Erwärmung und der Evaporation von der Flüssigkeit. Das Hauptziel dieser Arbeit ist ein numerisches Modell für die Simulation des Siedens bei atmosphärischen Bedingungen in ANSYS Fluent zu entwickeln und die numerische Ergebnisse mit den experimentellen zu vergleichen. Es wurde zwei Flüssigkeiten experimentell untersucht: destilliertes Wasser und Ester "Midel 7131". Als Heizer wurde ein Wolframstäbchen gewählt. Ein Hochstromimpuls schafft im Stab eine hohe Temperatur. Die zeitliche Temperaturverläufe wurden gemessen und die Hochgeschwindigkeitsvideos aufgenommen. Numerische Ergebnisse wurden nur für das Wasser ermittelt.
Untersuchung der Aufladung von Isolierstoffen durch Coronaentladungen bei hoher Mischspannung. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der vorliegenden Arbeit wird die Aufladung von festen Isolierstoffen, die mit Mischspannung als Überlagerung einer Gleich- und einer Wechselspannung beansprucht werden, untersucht. Als Isolierstoffprobe wird Polyethylen eingesetzt, das infolge von in Luft auftretenden Koronaentladungen in einer Spitze-Isolierstoff-Platte-Anordnung aufgeladen wird. Ein Versuchsaufbau ermöglicht dabei die Messung des Potentials einer geschirmten Sonde oberhalb der aufgeladenen Isolierstoffprobe. Zur eindeutigen Beschreibung der Aufladung werden die gemessenen Potentiale in Oberflächenladungsdichten umgerechnet. Der Fokus liegt auf den Abhängigkeiten der Oberflächenladungsdichte von elektrischen Parametern der Mischspannung (Frequenz und Amplitude der AC-Spannung, DC-Spannung) und geometrischen Parametern der verwendeten Anordnung (Abstand zwischen der Spitze und der Isolieroberfläche, Dicke der Isolierstoffprobe). Zur Interpretation der Messergebnisse wurden Plasma-Simulationen zur Entstehung von Koronaentladungen und Bildung von Raumladungen in COMSOL Multiphysics durchgeführt.
Fully digital and hybrid beamforming design for millimeter-wave MIMO-OFDM two-way relaying systems. - In: 2021 IEEE Statistical Signal Processing Workshop (SSP), (2021), S. 296-300
https://doi.org/10.1109/SSP49050.2021.9513786
Time-instance zero-crossing precoding with quality-of-service constraints. - In: 2021 IEEE Statistical Signal Processing Workshop (SSP), (2021), S. 121-125
https://doi.org/10.1109/SSP49050.2021.9513848
Data driven hybrid algorithms for preprocessing of manually acquired ultrasound NDT data. - Ilmenau. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Ultraschallprüfung (UP) ist eine Zerstörungsfreie Prüfmethode, die zur Lokalisation von Fehlern in Bauteilen genutzt wird. Obwohl in einigen Fällen automatisiert werden kann, ist händische Arbeit oft eine Notwendigkeit. Um die Zuverlässigkeit der Hand-aufgenommenen UP (HaUP) zu erhöhen, können Assistenzsysteme integriert werden. Ein solches System speichert die Messdaten und die Messposition und nutzt sie, um ein visuelles Feedback zu erzeugen, welches durch Post-processing Methoden verbessert werden kann. Konventionelle Methoden zur Nachbearbeitung, wie zum Beispiel die synthetic aperture focusing technique (SAFT), verbessern häufig die HaUP Daten nicht. Ein möglicher Grund ist, dass die nötige räumliche Abtastung durch das HaUP Verfahren nicht erreicht werden kann. Bei Anwendung des SAFT Algorithmus auf solche HaUP Daten kann es deshalb, bei der Rekonstruktion, zu räumlichen Aliasing kommen. Mit dem Ziel räumliches Aliasing zu verhindern, werden in dieser Arbeit, als Pre-processing Schritt, UP Daten von fehlenden Positionen prognostiziert und interpoliert. Wir schlagen eine an Daten orientierte hybride Vorgehensweise vor, um die räumlich-zeitlich diskreten Daten zu interpolieren. Dabei werden die Frequenzantworten mehrerer Zeitreihen mit einer minimalen mittleren quadratischen Fehlereinschätzung prognostiziert. Dafür wird, im Raum-Frequenz Bereich, das statistische Moment zweiter Ordnung eingeschätzt, welches durch ein deep neural network berechnet wird. Diese Methode kann die Varianz der Vorhersagen berechnen, welche genutzt werden können, um wichtige Messpositionen vorzuschlagen. Theoretisch ist die vorgestellte Methode robust genug, um nicht nur auf UP Daten, sondern auf eine Vielzahl von Datensätzen angewendet werden zu können. Um die Validität der vorgeschlagenen Methode zu überprüfen wurden Simulationen durchgeführt, bei denen die automatisierten UP Daten unregelmäßig abgetastet waren. Insgesamt berechnet die vorgestellte Interpolation eine bessere Vorhersage, als eine andere gängige Methode. Zusätzlich erzeugt der vorgestellte Pre-processing Algorithmus, bei geeigneten Datensätzen (0,61 Sample/ Wellenlänge2) eine verbesserte Rekonstruktions-Auflösung. Weiterhin hat sich gezeigt, dass das Messen, in einem Gebieten mit hoher Varianz, zu einer höheren Rekonstruktions-Auflösung führt, was auf die Nützlichkeit des Messpositionsvorschlags hinweist.