Direction finding on Bluetooth Low Energy 5.1. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Lokalisierungsdienste können in Proximity-Lösungen und Positionierungssysteme unterteilt werden. Proximity-Lösungen werden verwendet, um zu bestimmen, wie nah zwei Geräte aneinander. Positionierungssysteme hingegen werden verwendet, um den physischen Standort von Geräten zu bestimmen. Zu den allgemeinen Anwendungsfällen für Positionierungssysteme gehören Real Time Location Systems (RTLS) Applications. RTLS in Anwendungen wie Personen- oder Asset-Tracking eingesetzt. Für das vorliegende Projekt ist die gewählte Anwendung die Verfolgung von Assets in einem Lagerhaus. In diesem Zusammenhang könnte BLE 5.1 eine effiziente Lokalisierungsmethode für Innenräume bieten, die auf zwei verschiedenen Richtungsfindungs-Techniken Angle of Arrival (AoA) oder Angle of Departure (AoD) basiert. Für die aktuelle Arbeit wurde die Technik AoA ausgewählt, da sie für die gewählte Anwendung Assets Tracking in einem Lagerhaus besser geeignet ist, da die Tags einfach gehalten sein sollten und die Locators die schwere DoA-Verarbeitung durchführen sollten. Zusätzlich werden MUSIC und 2D-Unitary ESPRIT als DoA-Algorithmen für die entsprechende Implementierung und den Vergleich ausgewählt. Der größte Teil der derzeitigen Forschung zur Richtungsfindung bei BLE 5.1 konzentriert sich auf Uniform Linear Arrays (ULA), bei denen nur die Schätzung der Azimutwinkel möglich ist. Daher besteht der Beitrag des vorliegenden Projekts in der Evaluierung und Implementierung eines BLE 5.1-Peilsystems, das mit realen Referenzmessungen und einem anderen Peilsystem verglichen werden soll, wie es von der AoA-Lösung von Silicon Labs für Uniform Rectangular Array (URA) implementiert wurde, bei dem die Schätzung der Azimut- und Elevationswinkel möglich ist. Um diese Aufgabe zu erfüllen, werden in der vorliegenden Arbeit zunächst die Grundlagen von BLE 5.1 und DoA vorgestellt. Dann wird eine Implementierung des Direction Finding Systems vorgeschlagen, wobei alle Schritte vor der Winkelschätzung beschrieben werden. Als nächstes wird die Entwicklung eines Testbeds für die entsprechende Evaluierung des vorgeschlagenen Systems mit realen Referenzmessungen und der AoALösung von Silicon Labs vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden die experimentellen Ergebnisse des Testbeds vorgestellt. Abschließend werden die Schlussfolgerungen über ein neuartiges Direction Finding System für BLE 5.1 basierend auf den experimentellen Ergebnissen gezogen.
Investigation and evaluation of different channel models for wireless communication. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Bei der Untersuchung von drahtlosen Kanalmodellen oder anderen Kommunikationsprotokollen können die benötigten Leistungsparameter schnell durch Simulation ermittelt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Leistung verschiedener drahtloser Kanalmodelle in der Simulation zu untersuchen und die Differenz zwischen Simulation und tatsächlichen Messungen zu vergleichen. Es werden vier Szenarien entworfen, um die Signalübertragung unter Verwendung dieser drahtlosen Kanalmodelle in den entsprechenden Szenarien zu simulieren. Die Variation der empfangenen Signalleistung über die Entfernung wird dann beobachtet und die Leistungsunterschiede zwischen diesen Modellen werden verglichen. Schließlich wird der Received Signal Strength Indicator (RSSI) der Geräte, die das WiFi-Netzwerk nutzen, in einem realen Szenario zum Vergleich mit den simulierten Daten gemessen, um die Leistung weiter zu bewerten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass das gewählte Funkkanalmodell den Zustand des Funkkanals gut wiedergibt, obwohl es einige kleine Abweichungen von der praktischen Situation gibt.
Preventing denial of service attacks on Internet of Things devices. - Ilmenau. - 116 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) bietet Bürgern, Organisationen und Unternehmen erhebliche Vorteile, und im Allgemeinen wird die Lebensqualität erheblich verbessert. Diese positiven Auswirkungen sind jedoch durch schwerwiegende Cybersicherheitsprobleme bedroht. Aufgrund der eingeschränkten Ressourcen auf IoT-Geräten können sie in den meisten Fällen nicht die Vorteile einer starken Sicherheit nutzen, die dazu führt, dass gefährdete Geräte als Angriffsquellen oder als Angriffsziele ausgewählt werden. Einige Beispiele für diese Angriffe sind Mirai, BrickBot und BASHLITE, die in IoT-Netzwerken weit verbreitet sind. In der IoT-Umgebung sind Publish/Subscribebasierte Protokolle von Interesse, und unter diesen Protokollen ist MQTT aufgrund seiner zahlreichen positiven Aspekte eines der beliebtesten. In dieser Arbeit wird das Protokoll MQTT in einem SDN-Netzwerk verwendet. DoS-Angriffe in Netzwerk-, Transportund Anwendungsebenen werden im IoT-MQTT-Netzwerk angewendet. In der Netzwerkund Transportschicht werden bekannte Flooding-Angriffe implementiert und für die Anwendungsschicht werden MQTT-basierte DoS-Angriffe entworfen und bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein entropiebasiertes Erkennungsframework vorgeschlagen, um die Angriffsquelle zu erkennen. Plaintext- und TLS -Authentifizierungsmethoden werden verwendet, um die Clientauthentifizierung zu sichern. Angriffstypen werden für beide Authentifizierungen ausgeführt, und das vorgeschlagene Erkennungsframework wird auch gegen diese Angriffe bewertet. Der Angriffseffekt wird für beide Authentifizierungsszenarien berücksichtigt. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass unser Erkennungsmodul die Angriffspräsenz unmittelbar nach dem Start erkennen kann.
Olfactory data analysis based on coupled CP decomposition of EEG-MEG signals. - Ilmenau. - 139 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In dieser Arbeit untersuchen wir die Reaktion des Gehirns auf eine olfaktorische Stimulation in zeitlichen, räumlichen und Frequenzbereichen. Alle Teilnehmer haben einen normalen Geruchssinn und die Signale des Gehirns wurden gleichzeitig mittels Elektroenzephalogramm (EEG) und Magnetoenzephalogramm (MEG) aufgezeichnet. Die Zeit-Frequenz-Charakteristiken jeder Elektrode wurden mittels Morlet-Wavelet berechnet und mit Hilfe der Tensor-Zerlegungsmethode wurden starke Komponenten, d.h. physiologisch bedeutsame Oszillationen, aus den mehrdimensionalen Daten extrahiert. In der Studie wurden die Daten von 19 gesunden Probanden (männlich und weiblich) im Altersbereich zwischen 50-70 Jahren verwendet. Die bioelektrischen Signale wurden zusammen mit 60 Kanälen EEG und 306 Kanälen Ganzkopf-MEG-System von Elektra Neuromag gemessen. Als stimulierender Geruch wurde Phenylethylalkohol (PEA) verwendet. In der Vorverarbeitung wurden die Signale von externem Rauschen und elektrischen Störungen gefiltert, über alle Einzelstimulationen gemittelt und von schlechten Kanälen (d.h. Artefakten) entfernt. Für die Zeit-Frequenz-Analyse (TFA) der Kanäle verwendeten wir das Morlet-Wavelet. Um die internen Beziehungen und die Struktur der Signale zu identifizieren sowie die Dimensionalität der Daten für die anschließende Analyse zu reduzieren, haben wir die Tensor-basierte Signalverarbeitung angewendet. Um die Ordnung des Modells zu bestimmen, wurde eine neuartige Methode getestet, die auf der Analyse der globalen Eigenwerte basiert. Als Tensor-Dekompositionen untersuchen wir die Kanonische Polyadische Dekomposition (CPD) unter Verwendung des SECSI (Semi-Algebraic framework for approximate CP decomposition via SImultaneous matrix diagonalization) Frameworks. Außerdem analysieren wir gemeinsam Signale mit der gekoppelten CPD unter Verwendung einer Erweiterung des SECSI-Frameworks.
Iterative reconstruction for ultrasound tomography in non-destructive testing. - Ilmenau. - 77 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit Ultraschall von Prüfobjekten mit komplexer Geometrie. Die Untersuchung derartiger Prüfobjekte ist eine Herausforderung. Eine mögliche Herangehensweise für die Bildgebung ist die Handprüfung mit flexiblen Ultraschallarrays, die jedoch häufig zu Fehlern durch bspw. Lufteinschlüsse führen. Eine Alternative ist die Nutzung von Ultraschalltomographie (UT), welche in der medizinischen Bildgebung für die Abbildung weicher Gewebe genutzt wird. Die Anwendung dieser Technologie für ZfP ist jedoch aufgrund der deutlich größeren Schallgeschwindigkeitsvariation nicht ohne Weiteres möglich. In Folge dessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der Untersuchung der Umsetzbarkeit einer solchen Messmethode für ZfP, welche es erlauben würde, komplexe Prüfkörper ohne Vorwissen automatisiert zu prüfen. Hierfür soll das Prüfobjekt in einer kreisförmigen Apertur platziert werden. Die Rekonstruktion wird in zwei Schritten mit der Total Focusing Method (TFM) durchgeführt. Im ersten Schritt wird die Außenkontur des Prüfkörpers ermittelt, im zweiten wird eine Abbildung des Innenlebens erreicht. Für den zweiten Schritt ist eine Schätzung der Kontur und Lage des Prüfkörpers notwendig, die über einen Autofocusing-Algorithmus erreicht wird. Diese Vorgehensweise wird für verschiedene Materialien und Einstellungen evaluiert. Es wird beobachtet, dass die Schallgeschwindigkeitsunterschiede zwischen Koppelmittel und Objekt eine entscheidende Rolle spielen. Weiterhin wird gezeigt, dass kleine Schätzfehler der Kontur zu großen Abbildungsfehlern führen. Eine Lösung für das Erreichen einer guten Abbildungsqualität wird diskutiert. Die Arbeit liefert erste Untersuchungen und Grundlagen für die weitere Entwicklung von UT für die ZfP.
An efficient off-grid compressed sensing method for DoA estimation. - Ilmenau. - 37 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021
In den letzten Jahren wurden mehrere auf komprimierter Erfassung "Compressed Sensing (CS)" basierende Methoden zur Schätzung der Empfangsrichtung "direction-of-arrival (DoA)" vorgeschlagen. Die meisten davon leiden jedoch unter der Gitterfehlanpassung "grid mismatch" aufgrund der Diskretisierung (Abtastung) des kontinuierlichen Winkelbereichs. Obwohl einige existierende CS-basierte Methoden ein solches Problem vermeiden können, indem sie die DoA-Parameter direkt aus dem kontinuierlichen Winkelbereich schätzen, leiden sie unter einer hohen Rechenkomplexität und haben daher nur begrenzte Anwendungen in der Praxis. In dieser Arbeit schlagen wir eine neue CS-basierte Methode vor, die als Gradient Orthogonal Matching Pursuit (GOMP) bezeichnet wird. Konkret approximieren wir zunächst die Lenkvektoren unter Verwendung der Taylorreihe erster Ordnung. Auf diese Weise wird jeder Lenkvektor zu einer Funktion eines approximierten Winkels (On-Grid) und eines Phasenfehlers, der den Abtastfehler zwischen dem wahren und dem approximierten Winkel erfasst. Zu diesem Zweck wird das Off-Grid-DoA-Schätzungsproblem für jedes Quellsignal in zwei Teilprobleme aufgeteilt: Eines zur Schätzung des besten On-Grid-Winkels und ein weiteres zur Schätzung des Phasenfehlers. Um das erste Problem zu lösen, verwenden wir die bekannte On-Grid-Schätzungsmethode "Orthogonal Matching Pursuit (OMP)". Auf der anderen Seite schlagen wir zur Lösung des zweiten Problems eine neuartige iterative Methode vor, die auf dem Gradientenverfahren basiert, das eine monotone und schnelle Konvergenzrate hat. Es werden numerische Beispiele durchgeführt, um die Effektivität der vorgeschlagenen GOMP-Methode zu beweisen. Insbesondere wird gezeigt, dass GOMP eine hohe Schätzgenauigkeit auch in schwierigen Szenarien hat, z.B. bei niedrigem Signal- Rausch-Verhältnis und kleiner Anzahl von Momentaufnahmen. Darüber hinaus wird nachgewiesen, dass GOMP eine höhere Stabilität gegenüber verschiedenen Systemparametern aufweist als die State-of-the-Art-Methoden.
5G mm-wave over-the-air measurements of an agile multi-beam front-end. - In: 2020 50th European Microwave Conference, (2021), S. 153-156
A millimeter wave agile multi-beam front-end with an integrated 4 by 1 antenna array for 5th generation wireless communications is analyzed by antenna and digital communication measurements. The front-end core comprises a compact low-temperature co-fired ceramic multilayer module with a foot-print area of 74 mm × 74 mm. An over-the-air gain of 50.4 dB and a noise figure of 4.9 dB were measured. Link measurements with broadband single-carrier QAM and OFDM signals result in a data rate of 3.2 Gb/s for 400 MHz bandwidth SC-256QAM modulation with 1.2% error vector magnitude of the front-end determined by a detailed analysis.
https://doi.org/10.23919/EuMC48046.2021.9338199
A hardware-efficient hybrid analog-digital beamforming structure for millimeter wave systems. - Ilmenau. - 61 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In Millimeterwellen (mmWave)-Systemen mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) wurden hybride analog-digitale (HAD) Strahlformungsarchitekturen als wirtschaftliche und effiziente Lösung eingeführt, da sie den Stromverbrauch senken können, indem die erforderliche Anzahl von Hochfrequenzketten (RF) reduziert wird. Im Vergleich zu den vollständig verbundenen (FC) HAD Strahlformungsarchitekturen reduzieren die unterverbundenen (SC) Architekturen die Anzahl der erforderlichen Phasenschieber erheblich, indem jede RF-Kette mit einer Teilmenge von Antennenelementen verbunden wird. Daher sind SC Architekturen praktischer als FC Architekturen. Währenddessen kann die auf Subarrays (SA) basierende Verarbeitungsstrategie, bei der jeder Datenstrom unter Verwendung einer einzelnen RF-Kette verarbeitet wird, die Komplexität der Basisbandverarbeitung weiter reduzieren und erfordert einen geringeren Stromverbrauch im Vergleich zur auf Vollarrays (FA) basierenden Verarbeitung. Daher wird in dieser Arbeit eine hardwareeffiziente SC-Struktur mit SA-basierter Verarbeitungsstrategie für mmWave-MIMO-Systeme betrachtet. In dieser Arbeit werden zwei Algorithmen vorgeschlagen, nämlich ein HAD-Vorcodierungsdesign basierend auf der Ratenmaximierung für FA-FC- und FA-SC-Strukturen und ein HAD-Zero-Forcing-Vorcodierungsdesign für SA-SC-Strukturen. Beide vorgeschlagenen Schemata sind für Einzelbenutzer (SU)- und Mehrbenutzer (MU)-MIMO-Systeme anwendbar. Die Leistung der vorgeschlagenen HAD-Strahlformungsstrukturen wird im Hinblick auf die spektrale Effizienz (SE) und die Energieeffizienz (EE) mit anderen HAD-Strahlformungslösungen verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigen dass im SU-Fällen die SA-SC-Struktur eine zufriedenstellende SE erzielen kann, jedoch eine höhere EE als die FC- und FD-Strukturen aufweist. Im MU-Fällen, es erreicht jedoch nicht nur eine niedrigere SE, sondern auch eine niedrigere EE aufgrund begrenzter Array-Gewinne und Verlust von Freiheitsgraden. Im Gegensatz dazu kann gemäß dem angewandten Stromverbrauchsmodell in einigen Szenarien die FD-Struktur die HAD-Strukturen in Bezug auf SE und EE übertreffen.
Location based resource allocation for V2X communication . - Ilmenau. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation spielt eine sehr wichtige Rolle für die Zukunft der autonomen Kommunikation, die die Kommunikation zwischen Fahrzeugen, Infrastruktur, Netzwerk und Fußgänger ermöglicht. Sidelink-Übertragungen im autonomen Modus ermöglichen dem Fahrzeug eine direkte Kommunikation ohne Basisstation für Anwendungsfälle der öffentlichen Sicherheit. Generation (5G) ist die Weiterentwicklung von Long Term Evolution (LTE), die fortschrittliche Anwendungsfälle und verschiedene Dienste mit strengen Anforderungen an Latenz, Zuverlässigkeit und Unterstützung hoher Datenraten unterstützt. Um diese strengen Anforderungen für autonomes Fahren zu unterstützen, ist ein effizientes Ressourcenzuweisungsschema erforderlich. New Radio (NR) verwendet eine auf LTE basierende Ressourcenzuweisung, bei der die Benutzergeräte (UE) den Kanal kontinuierlich abtasten, um die freien Ressourcen für die Übertragung zu erkennen. Obwohl die Erkennung eine bessere Zuverlässigkeit als die zufällige Zuweisung bietet, benötigen wir einen zuverlässigen Mechanismus, um der hochmobilen Umgebung auf der Autobahn gerecht zu werden. Die standortbasierte Ressourcenzuweisung wurde in LTE-V2X als optionale Funktion zur Unterstützung der Ressourcenzuweisung eingeführt. Jetzt, mit NR-V2X, das verschiedene Cast-Typen unterstützt, d.h. Broadcast, Groupcast und Unicast, kann untersucht werden, ob die standortbasierte Ressourcenzuweisung eine praktikable Option ist oder nicht. Daher verwenden wir in dieser Arbeit die standortbasierte Ressourcenzuweisung mit Sensing für Broadcast und Groupcast, um die Auswirkungen der standortbasierten Aufteilung des Ressourcenpools zu analysieren. Zusätzlich werden die Auswirkungen verschiedener Parameter wie unterschiedliche Fahrzeuggeschwindigkeiten, Zonengröße und Quality of Service (QoS) untersucht.
Over-the-air vehicle-in-the-loop test system for installed-performance evaluation of automotive radar systems in a virtual environment. - In: 2020 17th European Radar Conference, (2021), S. 278-281
Automotive millimeter-wave radar systems are key to automated and connected driving technologies. It is necessary to validate their functional performance in the installed state thoroughly, reliably, and efficiently under realistic conditions before deploying them in real-world traffic. Field-operational tests are the ultimate phase of verification and validation of radar sensors. This approach offers the highest degree of realism yet consuming enormous resources and associated risks. Additionally, these drive tests are neither sufficiently reproducible nor controllable. On the other hand, computer simulation-based closed-loop test approaches overcome these limitations, but lack physically realistic environments. Therefore, over-the-air testing approaches have gained great relevance in this context. In earlier work, we proposed an advanced system concept using an over-the-air vehicle-in-the-loop (OTA/ViL) approach for evaluating the installed performance of fully operational automotive radar systems. In this paper, we present the complete test system in a closed loop in a virtual electromagnetic environment with realistic radar target echoes. An exemplary traffic scenario is considered to validate the performance of the implemented test system. Initial measurements provide promising results.
https://doi.org/10.1109/EuRAD48048.2021.00078