Calibration concept for a multinode MIMO channel sounding system. - Ilmenau. - 130 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Gegenstand der Arbeit ist ein Kalibrierkonzept für ein Multiple Input Multiple Output (MIMO) Messsystem zur Erfassung der Ausbreitungsbedingungen elektromagnetischer Wellen in mobilen Szenarien (Channel Sounder), welches z.B. für Kanalmessungen in Mobilfunkbändern eingesetzt wird. Messgröße ist die zeitvariante Kanalimpulsantwort bzw. der zeitvariante Kanalfrequenzgang. Dafür muss der Frequenzgang des Messsystems zuvor erfasst werden (Kalibrierung). Besondere Herausforderung bei dieser Arbeit ist, ein Kalibrierkonzept für einen Channel Sounder zu erarbeiten, der aus mehreren räumlich verteilten Stationen (Transceiver + Antennenarrays) besteht und das System über einen großen Dynamikbereich (die Empfänger sind mit einer automatic gain control, AGC, ausgestattet) zu vermessen. Beiträge zur Umsetzung eines solchen Konzepts finden sich in Form einer Kalibrier-Box, über welche bis zu vier Stationen verbunden werden können (back-to-back), aufwandsreduzierter Erfassung über den gesamten Dynamikbereich, Überlegungen zur Überwachung und Nachführung der Kalibrierung während der Messung sowie einer eigenständig im Antennenmessraum durchgeführten Antennenarraykalibrierung.
DDoS attacks detection and mitigation in SDN using deep learning approaches. - Ilmenau. - 83 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
SDN ist ein vielversprechender Ansatz zur Entwicklung traditioneller Netzwerke durch die Trennung der Steuerungsebene von der Datenebene. Aufgrund seiner neuen, einzigartigen Konzepte und Funktionen, bei denen ein zentraler Punkt, d.h. der SDN-Controller, für die Erstellung, Verwaltung und Fehlerbehebung der Netzwerke zuständig ist, erfordert SDN mehr Analysen, um seine Durchführbarkeit aus Sicherheitsgesichtspunkten zu gewährleisten. Das Konzept einer zentralisierten Ansicht ist ein Segen, der sich in einen Fluch verwandeln kann. Die Verfügbarkeit des SDN-Controllers durch das Starten von DDoS-Angriffen ins Visier zu nehmen, ist eine der wichtigsten und kritischsten Herausforderungen, die in SDN existieren. DDoS-Angriffe sind bekannte Cyber-Attacken, die sich auf die Erschöpfung von Ressourcen konzentrieren und die Nichtverfügbarkeit von Netzwerkdiensten verursachen. Das Ziel dieser Studie ist es, die DDoS-Angriffe auf das SDN-Netzwerk zu simulieren und die Effektivität der Verwendung von Deep-Learning-Modellen zur Erkennung und Entschärfung solcher Angriffe in einer SDN-Umgebung mit mehreren Controllern zu testen. Um die DDoS-Angriffe genau zu behandeln und zu analysieren und die tatsächlichen physischen Netzwerkumgebungen zu emulieren, wird der CICDDoS2019-Datensatz gewählt. Die experimentellen Ergebnisse erklärten, dass der DDoS-Angriff erkannt und abgeschwächt werden konnte, um die Nichtverfügbarkeit des SDN-Controllers zu verhindern. Darüber hinaus übertrifft die vorgeschlagene Methode die traditionellen Methoden des maschinellen Lernens.
Discrete dual-band RF frontend module for GNSS receiver. - Ilmenau. - 57 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In den letzten Jahrzehnten erlebt die Welt eine rasante Entwicklung der globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS). Einige von ihnen, wie das Global Positioning System (GPS), das Global Navigation Satellite System (GLONASS), das BeiDou Navigation Satellite System (BDS), sind derzeit voll funktionsfähig. Andere befinden sich derzeit noch in der Entwicklung oder in einer teilweisen Betriebsphase. Das europäische Globale Navigationssatellitensystem (Galileo) hat seinen Betrieb aufgenommen und wird eine breite Palette von Diensten anbieten. GNSS ist ein wesentlicher Bestandteil vieler kommerzieller und sicherheitskritischer Anwendungen, z.B. beim autonomen Fahren, wo die genaue Position bekannt sein muss. Ein entscheidender Aspekt dieser Anwendungen ist die Robustheit der Systeme gegen Jamming- und Spoofing-Angriffe. Vor diesem Hintergrund ist es von entscheidender Bedeutung, GNSS-Empfänger zu entwickeln, die unempfindlich gegenüber solchen Angriffen sind. Dies gilt sowohl für das Design des analogen HF-Frontends als auch für die Implementierung digitaler Algorithmen, die Störsignale erkennen und von der Positionsbestimmung ausschließen können. Die hier vorgestellte Arbeit konzentriert sich auf die Definition, das Design und die Messung einer GNSS-Empfängerkette, die aus kritischen Komponenten wie einem Hochfrequenz-Low-Noise-Verstärker (RF-LNA), einem SAW-Filter (Surface Acoustic Wave), einem Mischer, einem ZF-Verstärker und einem externen ZF-Filter besteht und auf diskreten, handelsüblichen Komponenten (COTS) basiert. Da der anwendungsspezifische integrierte Schaltkreis (ASIC) so ausgelegt ist, dass er auf zwei GNSS-Frequenzbändern gleichzeitig arbeitet, d.h. auf dem GPS/Galileo L1/E1- und dem L5/E5a-Band, besteht der Empfänger aus zwei Einzelfrequenzketten. Daher konzentriert sich diese Arbeit in erster Linie auf die lineare Budgetsimulation von HF-Parametern wie Verstärkung und Rauschzahl und die Messung wichtiger HF-Parameter wie Verstärkung, Empfängerbandbreite, Rauschzahl, Unterdrückung von Out-of-Band-Signalen und 1-Dezibel(dB)-Kompressionspunkt unter Verwendung von Datenblatt-Werten aller konstituierenden Elemente der Empfängerkette, so dass sich mit dem ASIC vergleichbare Spezifikationen ergeben. Die Software Advanced Design System (ADS) wurde zur Simulation und zum Entwurf des Leiterplattenlayouts verwendet. Die Leiterplatte wurde mit einem flammhemmenden FR-4-Epoxid-Substrat hergestellt. Der Formfaktor der Platine beträgt 107 x 52 x 15 Kubikmillimeter (mm3), der Formfaktor der externen ZF-Filterplatine 62 x 32 x 10 mm3. Für das GPS/Galileo L1/E1-Band, einschließlich des externen ZF-Filters, wurden die Verstärkung und die Rauschzahl mit 77,5 Dezibel (dB) und 1,2 dB gemessen. Die maximalen 1-dB-Kompressionspunkte am Ausgang und der minimale Wert der Verstärkung wurden mit 12,5 - Dezibel Milliwatt (dBm) bzw. -10,7 dBm gemessen. Die Bandbreite des Empfängers wurde mit etwa 11,2 MHz (Megahertz) gemessen. Für Out-of-Band-Signale bei 1590 MHz und 1560 MHz können Signale bis zu -57 dBm unterdrückt werden. Ebenso wurden für das GPS/Galileo L5/E5a-Band einschließlich des externen ZF-Filters eine Verstärkung und ein Rauschmaß von 78 dB bzw. 1,1 dB gemessen. Die 1-dB-Kompressionspunkte am Ausgang beim maximalen und minimalen Wert der Verstärkung wurden mit 13,8 dBm bzw. -9,2 dBm gemessen. Die Bandbreite des Empfängers wurde mit 19 MHz gemessen. Für ein Out-of-Band-Signal bei 1161 MHz und 1191 MHz können Signale bis zu -60 dBm unterdrückt werden.
Vehicle classification in intelligent transport systems: an overview, methods and software perspective. - In: IEEE open journal of intelligent transportation systems, ISSN 2687-7813, Bd. 2 (2021), S. 173-194
https://doi.org/10.1109/OJITS.2021.3096756
Two-step machine learning approach for channel estimation with mixed resolution RF chains. - In: 2021 IEEE International Conference on Communications workshops (ICC workshops), (2021), insges. 6 S.
Massive MIMO is one of the main features of 5G mobile radio systems. However, it often leads to high cost, size and power consumption. To overcome these issues, the use of constrained radio frequency (RF) frontends has been proposed, as well as novel precoders, e.g., a multi-antenna, greedy, iterative and quantized precoding algorithm (MAGIQ). Nevertheless, the best performance of MAGIQ assumes accurate channel knowledge per antenna element, for example, from uplink sounding reference signals. In this context, we propose an efficient uplink channel estimator by applying machine learning (ML) algorithms. In a first step a conditional generative adversarial network (cGAN) predicts the radio channels from a limited set of full resolution RF chains to the rest of the low resolution RF chain antenna elements. A long-short term memory (LSTM) neural network extracts further phase information from the low resolution RF chain antenna elements. Our results indicate that our proposed ML approach is competitive with traditional Unitary Tensor-ESPRIT in scenarios with various closely spaced multipath components (MPCs).
https://doi.org/10.1109/ICCWorkshops50388.2021.9473491
Evaluation of publish/subscribe over LoRaWAN. - Ilmenau. - 89 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Masterarbeit zielt darauf ab, das Publish/Subscribe-Messaging über LoRa/LoRaWAN anzuwenden und zu bewerten. Die theoretischen Grundlagen von LoRa/LoRaWAN und MQTT werden beschrieben. Um MQTT über LoRaWAN zu evaluieren, wird ein mögliches Modell simuliert und die Leistungsfähigkeit auf Basis der Parameter Spreizungsfaktor, Anzahl der Endgeräte, Länge der Nutzdaten, QoS-Level und Anzahl der Publish/Subscribe-Clients evaluiert. Darüber hinaus werden Experimente von MQTT über LoRaWAN mit kommerzieller Hardware (The Things Gateway, RAK7258) mit den gleichen Parametern durchgeführt und gemessen. Das Things Gateway verwendet einen öffentlichen Server (TTN), um Nachrichten an den Benutzer zu veröffentlichen. RAK7258 integriert einen privaten Server, so dass der Benutzer die Parameter (z.B. die QoS-Stufe) konfigurieren kann. Die Analyse der Ergebnisse zeigt, dass die Länge der Nutzdaten, der QoS-Level und die Anzahl der Publish/Subscribe-Clients die Schlüsselfaktoren hinsichtlich der MQTT-Latenz sind und dass der Spreizungsfaktor die Umlaufzeit (Round Trip Time, RTT) signifikant beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die RTT- und MQTT-Latenz bei RAK7258 niedriger ist als die bei The Things Gateway. Der Einsatz eines Gateways mit einem integrierten privaten Server und Broker (d.h. RAK7258) schneidet somit im quantitativen Vergleich besser ab als der Einsatz eines Gateways mit einem öffentlichen Server (d.h. The Things Gateway).
Investigation of real-time ethernet over Time Sensitive Network (TSN) for industrial communication network. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit wurde mit Hilfe der Firma Indu-Sol GmbH in Schmölln mit modernster Ausstattung durchgeführt. Sie befasst sich mit der Untersuchung der industriellen Ethernet-Kommunikation und dem damit verbundenen Ethernet-Switching für die Echtzeit-Datenübertragung. Sie konzentriert sich vor allem auf die Switch-Schaltlatenz von Echtzeitframes und die Analyse von negativen Auswirkungen von Best-Effort-Frames auf die Schaltlatenz von Profinet-IO Frames. Dabei wurden die Switche Promesh P10 und Promesh P20 der Firma Indu-Sol, sowie der Marvell Link Street hinsichtlich ihrer Switching-Latenz näher untersucht. Die Promesh P10 und P20 Switche wurden verwendet, um die PNIO-Daten zu modellieren und die Switching-Effekte von Best-Effort-Frames auf PNIO-Frames näher zu beleuchten. Außerdem kamen die Time Sensitive Network-Protokolle 802.1 Qav (Egress Policy) und 802.1 Qbv (Time Aware Shaping) im Marvel Link Street zum Einsatz, um zu untersuchen, inwieweit sich durch ihren Einsatz die Auswirkungen von Best-Effort-Frames auf Echtzeit-Frames überwinden lassen um somit niedrigere und zuverlässige Latenzzeiten im industriellen Ethernet zu erreichen. Der Marvell-Switch wurde so programmiert, dass er zwischen Echtzeit- und Best-Effort-Frames unterscheidet, den Ausfall von Echtzeit-Frames vermeidet und gleichzeitig eine zuverlässige Latenzzeit bietet.
Evaluierung und Implementierung eines TSN Stacks auf einer FPGA Plattform. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Echtzeitleistung und Determinismus sind entscheidend für den erfolgreichen Einsatz von paketvermittelten Netzwerken in der industriellen Steuerung. Mit dem Aufkommen des Industrial Internet of Things (IIoT) und der damit verbundenen Datenflut werden Fragen der Verkehrspriorisierung und der Bandbreite immer wichtiger. Kommunikationsnetzwerke für Steuerungsanwendungen haben immer ein gewisses Maß an Echtzeitanforderungen. Daher wird das Time-Sensitive Networking (TSN) eingeführt. TSN basiert auf Standard-Ethernet mit dem Zusatz von Zeitsynchronisation, Bandbreitenreservierung, zeitbewusstem Scheduling und nahtloser Redundanz, um eine Echtzeit- und zuverlässige Netzwerkdatenübertragung zu erreichen. Ein FPGA dient als flexibles Hardwaremodul, das verschiedene Schnittstellen und Algorithmen individuell implementieren kann. Daher kann die Verwendung eines FPGA zur Implementierung von TSN leichter auf aktuelle industrielle Netzwerke angewendet werden. Xilinx Vivado stellt einen TSN IP-Core zur Verfügung. In der vorliegenden Arbeit wurde ein FPGA-Design erstellt und in diesem ein TSN IP-Core integiert. Anschließend wurde ein Embedded Linux Image generiert, welches die Verwendung der vom FPGA bereit gestellten TSN-Funktionalität erlaubt. Zum Beispiel Synchronisationsleistung und Traffic-Shaping-Funktionen. Ein FPGA mit integrierter TSN-Funktionalität wurde dann getestet und mit der in Linux Traffic Control implementierten TAS-Funktionalität verglichen. Die Synchronisationsleistung, der Durchsatz und die Scheduling-Funktionen von PC und FPGA wurden mit verschiedenen Verbindungsmethoden getestet. Die Testergebnisse zeigen, dass einige der im TSN enthaltenen Protokolle durch die Verwendung des Xilinx TSN IP-Core implementiert werden können. Die im FPGA implementierten Zeitsynchronisations- und Scheduling-Funktionen können Übertragungsverzögerungen und Jitter des geplanten Datenverkehrs effektiv reduzieren. Aufgrund der Begrenzung der CPU-Leistung im SoC in diesem Experiment kann die Durchsatzmessung kein Gigabit erreichen, aber der niedrige Stromverbrauch und die Flexibilität des FPGA sind durch den PC nicht zu ersetzen.
Conditional and unconditional Cramér-Rao bounds for near-field localization in bistatic MIMO radar systems. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 69 (2021), S. 3220-3234
The location estimation problem has been attracting a lot of research interest in recent years due to its significance for different areas of signal processing. This paper deals with a bistatic MIMO radar system where the targets are located in the near-field region. In this work, we derive the Cramér-Rao bound (CRB) for bistatic MIMO radar systems using the exact spherical wavefront model to evaluate the performance of target parameter estimation algorithms. The conditional and unconditional CRBs are derived for a system with one and multiple targets. For the one target system, we provide an analytical inversion of the Fisher Information Matrix (FIM) and obtain closed-form analytical non-matrix expressions of the CRB corresponding to the Cartesian and spherical coordinates of the targets. We compare the derived conditional and unconditional CRB with the performance of state-of-the-art localization algorithms and analyse the dependence of the CRB on various system parameters.
https://doi.org/10.1109/TSP.2021.3082469
Enable software-defined radios for real-time MIMO channel sounding. - In: To measure is to know, (2021), insges. 5 S.
This paper describes a field-programmable gate array (FPGA)-based implementation of a switched multiple input multiple output (MIMO) channel sounder realization by use of software-defined radio (SDR) hardware (NI USRP-2954, X310 series with UBX 160 daughterboard). Essential basic functionalities are the synchronous switching of the antenna elements at both link ends and an integrated automatic gain control (AGC) at the receiver. To meet the high timing requirements in the switched MIMO setup, an FPGA-based AGC is introduced. The detector of the AGC is based on a sample-by-sample calculation of the average and maximum of the I/Q samples within a sliding window. The used SDR hardware allows a minimum AGC update interval of approx. 14 [my]s and a timing accuracy of the antenna switching of 5 ns. Our setup demonstrates the applicability of state-of-the-art SDRs as a sounding system for continuous acquisition of the time-variant, directional mobile radio channel.
https://doi.org/10.1109/I2MTC50364.2021.9460077