Wave field synthesis methods for non-uniform antenna distributions. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Angesichts der schnell wachsenden Anforderungen an höheren Datenraten und Zuverlässigkeit mobiler Kommunikationssysteme erfordern MIMO-Geräte umfangreiche Tests, um sicherzustellen, dass sie die Anforderungen der Standards erfüllen, für die sie entwickelt wurden. Es wird deutlich, dass für diese Tests effiziente und kostengünstige Methoden eingesetzt werden müssen. Derzeit werden unter anderem Tests mit elektrischer Verbindung, Radiated Two-Stage (RTS) und Wave Field Synthesis (WFS) eingesetzt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Möglichkeit der Verwendung ungleichmäßiger Antennenverteilungen in der WFS-Methode zu untersuchen, um die Auswirkungen der Verwendung hoher Frequenzen während Tests abzuschwächen. Darüber hinaus sollte auch die Kapazität der in der Facility for Over-The-Air Research and Testing (FORTE) des FraunhoferInstituts für Integrierte Schaltungen (IIS) vorhandenen Hardware für die Durchführung von WFS bei Frequenzen bis zu 6 GHz überprüft werden, da bisher nur Frequenzen unter 3 GHz Verwendung fanden. Bevor auf die Diskussionen über das Hauptziel der Arbeit eingegangen wird, werden Hintergrundinformationen zur Theorie, zum Stand der Technik und zur Hardware von WFS vorgestellt, begleitet von Simulationen. Von dort aus wird die WFS-Hardware bei FORTE vorgestellt und auch deren Leistung für Frequenzen bis 6 GHz untersucht. Eine ungleichmäßige 2D-Verteilung von Antennen basierend auf der Verteilung der aus dem Kanalmodell erhaltenen Direction of Arrival (DoA)-Winkel wird vorgeschlagen, ihre Leistung während Wave Field Synthesis (WFS) simuliert und mit einer gleichmäßigen Antennenverteilung verglichen. Außerdem werden praktische WFS-Experimente mit der bei Facility for Over The-Air Research and Testing (FORTE) vorhandenen Hardware sowohl bei 1 GHz als auch bei 5,6 GHz durchgeführt, um die Leistung des Systems bei höheren Frequenzen zu zeigen und auch die Ergebnisse aus den Simulationen zu bestätigen.
Implementierung eines Over-The-Air-Update Mechanismus für LoRa-basierte Sensornetze. - Ilmenau. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2024
Firmware Updates für eingebettete Geräte im Internet of Things sind essenziell um Bugs und Sicherheitsprobleme zu beheben, sowie um sie weiter zu optimieren und längere Laufzeiten bei Batteriebetrieb zu ermöglichen. In manchen Umgebungen ist es schwer, diese auf die Geräte zu spielen, weil die Geräte sich in schwer erreichbaren Positionen befinden, man aber direkten Zugriff auf das Gerät braucht, damit man die neue Firmware mit einem Programmiergerät flashen kann. Das Ziel war es somit, Firmware Updates Over-the-Air für LoRa-basierte Netzwerke zu implementieren. LoRaWAN selbst eignet sich nicht sonderlich dafür, da es geringe Datenraten verwendet. Dementsprechend musste diskutiert werden, ob es der bessere Ansatz in Bezug auf Updatedauer, Energieverbrauch und Benutzbarkeit ist, Bluetooth als Out-of-Band-Ansatz für das Update zu verwenden. Es hat sich herausgestellt, dass der Ansatz mit Bluetooth in vielen Fällen aktuell der bessere ist.
Analysis of parameter steadiness in blockwise multipath estimation. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Die Analyse des Verhaltens einer Kanal ist eine sehr wichtige Untersuchung des MIMO-Systems (Multiple Input Multiple Output). Mit zunehmender Kanalfrequenz, sowie dem Ziel, mehr Benutzerzahlen und einen größeren Signalabdeckungsbereich anzustreben, werden die Eigenschaften der Kanalmodellierung komplexer. Um die Leistung dieser fortschrittlichen Technologie zu untersuchen, haben wir einige Parameter des Ausbreitungssignals gemessen und sie mit dem RIMAX-Algorithmus berechnet, um einige weitere Parameter zu ermitteln. Das Thema dieser Arbeit ist die Analyse der Stabilität dieser Parameter, die bereits vom RIMAX-System geschätzt wurden. Der Zeitaufwand für das RIMAX-System zur Schätzung großer Datenmengen ist hoch. Daher werden die Daten in Blöcke aufgeteilt, um sie gleichzeitig parallel zu verarbeiten. Da der genannte Algorithmus iterativ aufgebaut ist, muss er mehrere Datenschnappschüsse verarbeiten um einzuschwingen. Damit die geschätzten Parameter an den Blockübergängen dennoch stetig verlaufen, werden die einzelnen Blöcke überlappend definiert. Nach der Schätzung werden die Datenblöcke in der ursprünglichen Reihenfolge ohne die überlappenden Daten wieder zusammengefügt. Die geschätzten Parameter sollten über die gesamte Zeitdauer hinweg stabil sein. Daher stellt die Stabilität des geschätzten Parameters die Leistung der Datentrennungsschätzungsverarbeitung dar. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Bewertung der Parameterstabilität durch drei verschiedene Algorithmen und verwenden den Mehrwegkomponenten- abstand (MCD) als quantitativen Standard. Der MCD ist ein wichtiger Schritt zur Mehrwege-Clustering-Erkennung, die auf der Grundlage von Verzögerung, Ankunfts- und Abgangswinkeln berechnet wird, die die Parameter von Mehrwegekomponenten (MPC) sind. Zunächst verwenden wir MCD, um den Tracking-Parameter PathID zu analysieren, der vom RIMAX-Algorithmus geschätzt wird, um das Ergebnis zu beobachten. Die MCD-Werte von PathID zeigen eine signifikante Eigenschaft, dass es an den Blockrändern Extremwerte gibt und sich die Werte an den anderen Position im Blockinneren langsam ändern. Dann verwenden wir den ungarischen Algorithmus, um die MPCs nachfolgender Snapshots zuzuweisen, um die MCD-Werte zu erhalten. Die MCD-Werte zeigen die gleiche Tendenz wie die PathID, allerdings sind die MCD-Gesamtwerte kleiner als die PathIDs. Schließlich verwenden wir den Kalman-Filter, um den Tracking-Prozess erneut auszuführen un dann die MCD-Werte des Kalman-Filters zu berechnen. Die Ergebnisse zeigen für die Parameter keine Blockkanten mehr und die MCD-Werte sind extrem niedrig. Durch den Vergleich der MCD-Werte durch drei verschiedene Algorithmen, den PathID und den ungarischen Algorithmus, wird die Stabilität in den Blöcken der Parameter überprüft, die vom RIMAX-Algorithmus ausgewertet werden. Der Kalman-Filter kann die Stabilität der Parameter insgesamt sicherstellen, aber der Zeitaufwand ist höher als vom ungarischen Algorithmus berechnet.
Simulation und Leistungsbewertung von 5G-Campusnetzen für das Internet of Things. - Ilmenau. - 117 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024
Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wie Flexibilität, Skalierbarkeit, massive Objektkonnektivität usw., die speziell auf die Bedürfnisse von Industrieumgebungen zugeschnitten sind, werden 5G-Campusnetze für die Industrie zunehmend attraktiv. Allerdings ist der Antrag für den Betrieb eines solchen 5G-Campusnetzes sehr komplex und kostspielig. Ziel dieser Masterarbeit war es daher, verschiedene Netzwerksimulatoren zu untersuchen und einen auszuwählen, in dem eine Simulation durchgeführt und ausgewertet wird, um die Frage zu beantworten, unter welchen Randbedingungen ein 5G-Campus-Netzwerk sehr gut für die IoT-Umgebung geeignet ist und, mehr noch, wo es Nachteile oder Einschränkungen gibt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde ein 5G-Campusnetz für IoT-Anwendungen mit einer Kapazität von 100 IoT-Geräten mit Hilfe des OMNeT++-Netzwerksimulators simuliert und anschließend die Leistung dieses Campusnetzes anhand definierter Parameter - Anzahl der IoT-Gateways, Paketgröße und Frequenzband - beurteilt. Anhand der Analyse der Simulationsergebnisse konnten wir dann feststellen, dass die 5G-SA-Verbreitung für die Implementierung von Campusnetzen mit enormer Kapazität geeignet ist. So wurden Handlungsempfehlungen und Rahmenbedingungen für die Implementierung von 5G-IoT-Campusnetzen definiert. Diese Arbeit unterstreicht die Perspektiven für zukünftige Forschungsziele, darunter die Untersuchung und Optimierung der Energieeffizienz von 5G-Geräten und batteriebetriebenen IoT-Geräten. Schließlich bietet sie einen praktischen Leitfaden für den effizienten Einsatz und die Optimierung von 5G-Campusnetzen in der Umgebung des Internets der Dinge.
CAI2M2: a centralized autonomous inclusive intersection management mechanism for heterogeneous connected vehicles. - In: IEEE open journal of vehicular technology, ISSN 2644-1330, Bd. 5 (2024), S. 230-243
https://doi.org/10.1109/OJVT.2024.3354393
Analytical performance assessment of 2-D Tensor ESPRIT in terms of physical parameters. - In: IEEE open journal of signal processing, ISSN 2644-1322, Bd. 5 (2024), S. 122-131
In this paper, we present an analytical performance assessment of 2-D Tensor ESPRIT in terms of physical parameters. We show that the error in the r -mode depends only on two components, irrespective of the dimensionality of the problem. We obtain analytical expressions in closed form for the mean squared error (MSE) in each dimension as a function of the signal-to-noise (SNR) ratio, the array steering matrices, the number of antennas, the number of snapshots, the selection matrices, and the signal correlation. The derived expressions allow a better understanding of the difference in performance between the tensor and the matrix versions of the ESPRIT algorithm. The simulation results confirm the coincidence between the presented analytical expression and the curves obtained via Monte Carlo trials. We analyze the behavior of each of the two error components in different scenarios.
https://doi.org/10.1109/OJSP.2023.3337729
An improved GPU-optimized fictitious surface charge method for transcranial magnetic stimulation. - In: IEEE transactions on magnetics, ISSN 1941-0069, Bd. 60 (2024), 3, 5100104, insges. 4 S.
The fictitious surface charge method (FSCM) is used for the calculation of the induced electrical field in magnetic stimulation. The method was embedded and optimized in Python. It was designed to allow for the computation of large problems. An element-wise Jacobi method was combined with vectorized matrix operations to increase the parallelization capabilities and enable GPU computing. The induced fields are compared against an analytical solution for a homogeneous sphere and a FEM solution on a realistic head model. The results for both cases show that the normalized root mean square error of less than 0.5% can be achieved with the integral-free FSCM even on low-performance computer hardware.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2023.3334747
A framework for developing and evaluating algorithms for estimating multipath propagation parameters from channel sounder measurements. - In: IEEE transactions on wireless communications, Bd. 23 (2024), 5, S. 4424-4441
A framework is proposed for developing and evaluating algorithms for extracting multipath propagation components (MPCs) from measurements collected by channel sounders at millimeter-wave frequencies. Sounders equipped with an omni-directional transmitter and a receiver with a uniform planar array (UPA) are considered. An accurate mathematical model is developed for the spatial frequency response of the sounder that incorporates the non-ideal cross-polar beampatterns for the UPA elements. Due to the limited Field-of-View (FoV) of each element, the model is extended to accommodate multi-FoV measurements in distinct azimuth directions. A beamspace representation of the spatial frequency response is leveraged to develop three progressively complex algorithms aimed at solving the single-snapshot maximum likelihood estimation problem: greedy matching pursuit (CLEAN), space-alternative generalized expectation-maximization (SAGE), and RiMAX. The first two are based on purely specular MPCs whereas RiMAX also accommodates diffuse MPCs. Two approaches for performance evaluation are proposed, one with knowledge of ground truth parameters, and one based on reconstruction mean-squared error. The three algorithms are compared through a demanding channel model with hundreds of MPCs and through real measurements. The results demonstrate that CLEAN gives quite reasonable estimates which are improved by SAGE and RiMAX. Lessons learned and directions for future research are discussed.
https://doi.org/10.1109/TWC.2023.3318532
Shut off! - hybrid BICMOS logic for power-efficient high speed circuits. - In: SMACD 23, (2023), insges. 4 S.
Power efficiency is crucial, especially in high-speed systems, where conventional approaches like clock gating cannot be employed readily. Special logic families, such as Positive Emitter-Coupled Logic (PECL), push the technological frontier, promising even more speed at the expense of an even more strained power budget. We propose a novel hybrid of PECL and Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) logic to introduce Function Shut-off (FSO), realizing a shut-off at the level of functional blocks and logic primitives inside complex logic cells. Using this approach, we realize a high-speed Linear Feedback Shift Register (LFSR) in a SiGe technology, extending the State of the Art (SOTA) by adding reconfigurability, which is required for its use as sequence generator in Compressed Sensing (CS) applications. We present measurements showing successful fabrication and performance of the packaged die at 20.4 GHz. In this LFSR, employing FSO reduces the supply current by a factor of up to four (depending on the chosen configuration) and reduces active area by 17%.
https://doi.org/10.1109/SMACD58065.2023.10192217
Characterization of propagation in an industrial scenario from sub-6 GHz to 300 GHz. - In: IEEE Xplore digital library, ISSN 2473-2001, (2023), S. 1475-1480
We perform simultaneous multi-band ultra-wideband dual-polarized double-directional measurements at sub-6 GHz (center frequency, 6.75 GHz), mmWave (74.25 GHz), and sub-THz (305.27 GHz) in line of sight (LOS) and non-LOS in a small industrial scenario (machine room). The aim is to characterize the propagation at THz taking as a reference the lower bands and identifying shared and distinguishing features. The spatial/temporal analysis of the measurements shows strong similarities in multi-path components (MPCs) between the different bands. Moreover, high order reflections have been identified at THz. Overall, the results indicate that THz channels exhibit significant multipath, with some specular MPCs unique to the band and with lower contribution by the diffuse components. Finally, path-loss has also been computed and compared with existing multi-band models.
https://doi.org/10.1109/GCWkshps58843.2023.10464485