Entwicklung eines Integrators in 0.13 [my]m SiGe Technologie für ein Compressed Sensing Millimeterwellen Front-End. - Ilmenau. - 58 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Das Design und die Simulationsergebnisse einer analogen, breitbandigen, hochdynamischen, schnell rücksetzbaren Integrator-Schaltung wurden vorgestellt. Diese soll in einem Hochfrequenz Compressed Sensing Empfänger verwendet werden. Die Entwicklung eines geeigneten Integrators ist für für den integrierten Aufbau eines Random Demodulator Empfängers wichtig. Der Integrator ist differentiell aufgebaut und beinhaltet zusätzlich zwei Schaltungsteile für das Halten und Zurücksetzen der integrierten Ausgangswerte. Eine spezielle negative Widerstandsgeneratorschaltung, realisiert durch ein kreuzgekoppeltes Transistorpaar, um die geforderte Integrationszeit von 4 ns bis 40 ns ohne nennenswerte Sättigungseffekte zu erreichen. Die Schaltung wurde in 130 nm SiGe BiCMOS Technologie von IHP in Cadence Virtuoso auf Schaltplanlevel aufgebaut. Durch Simulationen wurde die Funktionalität der Schaltung unter den vorgegebenen Rahmenbedingungen geprüft.
IEEE access special section editorial: millimeter-wave and terahertz propagation, channel modeling, and applications. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 9 (2021), S. 67660-67666
The demand for ever-increasing wireless data transmission rates and throughput area-densities, especially with regard to microcellular networks, internet access, back-hauling, inter-device transmission, and sensing applications, has spurred the exploration of new spectra in the millimeter-wave (30-300 GHz) and terahertz bands (0.1-10 THz), and the study of techniques for multi-Gigabit transmission based on very high-gain antennas [items 1) and 2) in the Appendix].
https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3076326
Locally optimal subsampling strategies for full matrix capture measurements in pipe inspection. - In: Applied Sciences, ISSN 2076-3417, Bd. 11 (2021), 9, 4291, S. 1-14
In ultrasonic non-destructive testing, array and matrix transducers are being employed for applications that require in-field steerability or which benefit from a higher number of insonification angles. Having many transmit channels, on the other hand, increases the measurement time and renders the use of array transducers unfeasible for many applications. In the literature, methods for reducing the number of required channels compared to the full matrix capture scheme have been proposed. Conventionally, these are based on choosing the aperture that is as wide as possible. In this publication, we investigate a scenario from the field of pipe inspection, where cracks have to be detected in specific areas near the weld. Consequently, the width of the aperture has to be chosen according to the region of interest at hand. On the basis of ray-tracing simulations which incorporate a model of the transducer directivity and beam spread at the interface, we derive application specific measures of the energy distribution over the array configuration for given regions of interest. These are used to determine feasible subsampling schemes. For the given scenario, the validity/quality of the derived subsampling schemes are compared on the basis of reconstructions using the conventional total focusing method as well as sparsity driven-reconstructions using the Fast Iterative Shrinkage-Thresholding Algorithm. The results can be used to effectively improve the measurement time for the given application without notable loss in defect detectability.
https://doi.org/10.3390/app11094291
Improving the performance of a radio-frequency localization system in adverse outdoor applications. - In: EURASIP journal on wireless communications and networking, ISSN 1687-1499, (2021), 123, S. 1-26
In outdoor RF localization systems, particularly where line of sight can not be guaranteed or where multipath effects are severe, information about the terrain may improve the position estimate's performance. Given the difficulties in obtaining real data, a ray-tracing fingerprint is a viable option. Nevertheless, although presenting good simulation results, the performance of systems trained with simulated features only suffer degradation when employed to process real-life data. This work intends to improve the localization accuracy when using ray-tracing fingerprints and a few field data obtained from an adverse environment where a large number of measurements is not an option. We employ a machine learning (ML) algorithm to explore the multipath information. We selected algorithms random forest and gradient boosting; both considered efficient tools in the literature. In a strict simulation scenario (simulated data for training, validating, and testing), we obtained the same good results found in the literature (error around 2 m). In a real-world system (simulated data for training, real data for validating and testing), both ML algorithms resulted in a mean positioning error around 100 ,m. We have also obtained experimental results for noisy (artificially added Gaussian noise) and mismatched (with a null subset of) features. From the simulations carried out in this work, our study revealed that enhancing the ML model with a few real-world data improves localization’s overall performance. From the machine ML algorithms employed herein, we also observed that, under noisy conditions, the random forest algorithm achieved a slightly better result than the gradient boosting algorithm. However, they achieved similar results in a mismatch experiment. This work’s practical implication is that multipath information, once rejected in old localization techniques, now represents a significant source of information whenever we have prior knowledge to train the ML algorithm.
https://doi.org/10.1186/s13638-021-02001-6
Hochintegrierte signalverarbeitende Strukturen mit Memristoren. - Ilmenau. - 59 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Als hauptsächliche Forschungsmethode der Memristor-Anwendung kann Crossbar-Array-Struktur in der Datenspeicherung, neuronalen Netzwerktraining und Mustererkennung eingesetzt werden. Der Dot-product-Engine von Crossbar-Array kann den Systemraum effektiv sparen und die Systemgröße stark reduzieren.Es handelt sich um Hochintegrierte signalverarbeitende Strukturen. Dieser Beitrag untersucht das mathematische Grundmodell von Memristor, analysiert die grundlegenden Eigenschaften von Memristor, führt die Struktur und das Arbeitsprinzip von Memristor Crossbar-Array ein und diskutiert den Arbeitsgang von Datenspeicherung und -nutzung. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Erforschung von Dot-product-Engine basierend auf Memristor und Crossbar-Array-Struktur. Modellierung und Simulation von Memristor Crossbar-Array und Dot-product-Engine. Der Speicher des Memristor-Zustands im Crossbar-Array-System wird untersucht.Um das Problem zu lösen, dass der interne Zustand des Memristors durch das Eingangssignal während der Verwendung des Dot-product-Engine verändert werden kann, wird die Methode der Zugabe von umgekehrter Spannung zur Änderung des magnetischen Flussstroms Null gewählt, um den Fehler zu verringern und die entsprechende Pulsbreite herauszufinden, um die Genauigkeit der Berechnung des Dot-product-engine zu verbessern.
Estimation bounds of beat signal in the R-mode localization system. - In: IEEE access, ISSN 2169-3536, Bd. 9 (2021), S. 69278-69286
The R-Mode system is a terrestrial navigation system currently under development, which exploits existing means of medium frequency radio transmission. The positioning and timing performance depends on the estimation of the signals' phase offset, from which the ranging information is derived. For an analogous problem such as the single-tone phase estimation, the Cramér-Rao bound (CRB) describes the minimal achievable performance in the mean squared error sense. For R-Mode, the problem involves the estimation of the phase offset for a beat signal, which can be described as the difference of phase estimation for the two aiding carriers next to the signal. This estimates are not statistically independent for finite observation, as we show in this paper. The effect becomes stronger for short observation times, which are important for a near real time application. In this contribution, we are interested in phase offset estimation for the signal models relevant to R-Mode: a beat signal and a beat signal combined with an MSK signal. A closed-form lower CRB is proposed for the aforementioned signal models phase estimation, as well as a generalization of the bound for the phase-difference estimation. Based on this derivation, optimized bit sequences are shown to improve performance of the estimates. The validity of the proposal is verified based on a simulation setup. Measurements acquired during a measurement campaign serve to further justify the usefulness of the bound. Some possible applications of such a bound are R-Mode coverage prediction and the associated phase estimators' performance.
https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3076845
CSI-based localization with CNNs exploiting phase information. - In: 2021 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), (2021), insges. 6 S.
In this paper we study the use of the Channel State Information (CSI) as fingerprint inputs of a Convolutional Neural Network (CNN) for localization. We examine whether the CSI can be used as a distinct fingerprint corresponding to a single position by considering the inconsistencies with its raw phase that cause the CSI to be unreliable. We propose two methods to produce reliable fingerprints including the phase information. Furthermore, we examine the structure of the CNN and more specifically the impact of pooling on the positioning performance, and show that pooling over the subcarriers can be more beneficial than over the antennas.
https://doi.org/10.1109/WCNC49053.2021.9417561
Joint channel, data, and phase-noise estimation in MIMO-OFDM systems using a tensor modeling approach. - In: 2021 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, (2021), S. 4460-4464
In this work, we propose a two-stage tensor-based receiver for joint channel, phase-noise (PN), and data estimation in MIMO-OFDM systems. First, we cast the received signal at the pilot subcarriers as a third-order PARAFAC model. Based on this model, we propose a closed-form algorithm based on the LS-KRF (Least Squares - Khatri-Rao Factorization) that estimates the channel gains and the phase-noise terms through multiple rank-one factorizations. From the estimated channel, the second stage of the receiver consists of data estimation based on a ZF (Zero-Forcing) receiver that capitalizes on the tensor structure of the received signal at the data subcarriers via a Selective Kronecker Product (SKP) approach. Our numerical simulations show that the proposed receiver achieves an improved performance compared to the state-of-art receivers.
https://doi.org/10.1109/ICASSP39728.2021.9414541
Analysis of link adaptation in multi-transmit-receive point communication. - Ilmenau. - 76 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Es wird angenommen, dass sich der Bedarf an Kapazität in zukünftigen Mobilfunknetzen vervielfacht, welches anspruchsvolle Anforderungen an das System-Layout sowie die Planung des Systems stellt. Die Kommunikation mittels Multi-Transmit-Receive Points (MTRPs) ist eine der am vielversprechenden Lösungen im Bereich 5G. Motiviert durch die laufenden Diskussionen im Standardisierungsgremium des Partnerschaftsprojekts der 3. Generation (3GPP) werden in dieser Masterarbeit Verfahren zum Senden und Empfangen über mehrere getrennte Basisstationen mit dynamischer Koordination untersucht mit dem Ziel der Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit an den Zellrändern. In dieser Arbeit werden zunächst Ansätze für den Downlink eines MTRP-Systems vorgestellt mit der Annahme eines "zero-delay" Backhauls zwischen den TRPs. Zunächst beschäftigt sich die Arbeit mit verschiedenen Multi-TRP-Übertragungskonzepten - Joint Processing (JP), Dynamic Point Selection (DPS) und Dynamic TRP Association (DTA). Anschließend wird eine Übersicht zu dem aktuellen Stand der Standardisierungsaktivitäten für diese Verfahren gegeben. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell für eine vollständige 5G-NR-Abwärtsverbindung für MTRP-Systeme erstellt. Die Ergebnisse zeigen erhebliche Leistungssteigerungen bei den Zelldurchsätzen für JT und DPS gegenüber einem 3GPP Release 15 5G New Radio (NR) Systems mit unterschiedlichen Rückkopplungsschemata. Es zeigt auch, dass die MTRP-Kommunikation ein verbessertes Mobilitätsmanagement in realen Netzwerken ermöglichen kann.
A framework for quality of service in Vehicle-to-Pedestrian safety communication. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2021. - 1 Online-Ressource (xvii, 141 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Die Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern (V2X) hat sich zu einem wichtigen Mechanismus zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz des Straßenverkehrs entwickelt. Obwohl die V2X-Kommunikation prinzipiell die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V), zwischen Fahrzeug und Infrastruktur (V2I) sowie zwischen Fahrzeug und Fußgänger (V2P) umfasst, sind Ansätze zur V2P-Kommunikation weiterhin in einem sehr frühen Stadium und lassen einen umfassenden Ansatz für die Entwicklung von V2P-Systemen vermissen. V2P umfasst im Detail die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und einer Vielzahl von gefährdeten Verkehrsteilnehmern (VRUs), wie beispielsweise Fußgänger, Radfahrer oder Mopeds. V2X-Systeme wurden ursprünglich nur für V2V- und V2I-Kommunikation entwickelt, wobei ausschließlich die Fahrzeugeigenschaften im Fokus standen. Ein effektives V2P-Systemdesign muss jedoch auch die Eigenschaften von VRUs berücksichtigen, die bei der Berücksichtigung der V2P-Kommunikation in einem V2X-System viele Fragen aufwerfen. Diese Dissertation befasst sich mit drei Aspekten im Zusammenhang mit der Entwicklung eines V2P-Systems. Der erste Aspekt betrifft die systematische Konzeption eines V2P-Systems nach einem ganzheitlichen Ansatz. Diese Dissertation schlägt einen V2P-Entwurfsrahmen vor, der auf verschiedenen Eingangsgrößen basiert, die für die Entwicklung eines effektiven V2P-Systems erforderlich sind. Dieser Entwurfsrahmen verbessert das Verständnis der V2P-Systemanforderungen und trägt dazu bei, den Entwurfsprozess systematischer zu gestalten. Der zweite Aspekt betrifft die Leistung des V2X-Netzes, wenn eine große Anzahl von VRUs präsent ist. Diese Dissertation schlägt hierfür MC-COCO4V2P vor, einen energieeffizienten Clustering-Mechanismus für Fußgänger zur Eindämmung der Netzüberlastung. MC-COCO4V2P verbessert die Netzleistung, indem die Anzahl der von Fußgängern generierten Sicherheitsmeldungen reduziert wird. Damit wird zudem die Batterielebensdauer der von den Fußgängern genutzten Geräte verbessert. Der dritte Aspekt betrifft die Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einem Fußgänger, die kurz vor einem Zusammenstoß stehen. Diese Dissertation stuft eine so wichtige Kommunikation als diejenige ein, die selbst beim Austausch anderer kritischer Sicherheitsnachrichten die höchste Priorität bekommt. Es wird ein Mechanismus vorgeschlagen, der es den umgebenden Verkehrsteilnehmern ermöglicht, ihre Kommunikationspriorität vorübergehend zu verringern. Dies führt zu einem bevorzugten Medienzugriff für die durch eine Kollision gefährdeten Verkehrsteilnehmer, was zu einer höheren Dienstgüte (QoS) für deren Kommunikation führt.
https://doi.org/10.22032/dbt.47972