Methodology for benchmarking radio-frequency channel sounders through a system model. - In: IEEE transactions on wireless communications, Bd. 19 (2020), 10, S. 6504-6519
Development of a comprehensive channel propagation model for high-fidelity design and deployment of wireless communication networks necessitates an exhaustive measurement campaign in a variety of operating environments and with different configuration settings. As the campaign is time-consuming and expensive, the effort is typically shared by multiple organizations, inevitably with their own channel-sounder architectures and processing methods. Without proper benchmarking, it cannot be discerned whether observed differences in the measurements are actually due to the varying environments or to discrepancies between the channel sounders themselves. The simplest approach for benchmarking is to transport participant channel sounders to a common environment, collect data, and compare results. Because this is rarely feasible, this paper proposes an alternative methodology - which is both practical and reliable - based on a mathematical system model to represent the channel sounder. The model parameters correspond to the hardware features specific to each system, characterized through precision, in situ calibration to ensure accurate representation; to ensure fair comparison, the model is applied to a ground-truth channel response that is identical for all systems. Five worldwide organizations participated in the cross-validation of their systems through the proposed methodology. Channel sounder descriptions, calibration procedures, and processing methods are provided for each organization as well as results and comparisons for 20 ground-truth channel responses.
https://doi.org/10.1109/TWC.2020.3003617
Phasenabhängige Übertragungseigenschaften metamorpher HF-Leitungen. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Im Rahmen der Masterarbeit wurde Forschungsarbeit im Bereich der metamorphen Elektronik im Hinblick auf Hochfrequenzanwendung durchgeführt. Modellbildung und Simulation der Teststrukturen wurden mit der Simulationssoftware Keysight ADS durchgeführt. Damit wurde ein Modell für ein dehnbares Leitungssegment entwickelt, mittels dessen die Form der Leitungen für verschiedene Dehnungszustände modelliert und ihre Frequenzgangcharakteristik simuliert wurde. Der praktische Teil der Arbeit umfasste die Herstellung eines metamorphen Substrats mit Leitungsstrukturen in den Laboren des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN), TU Ilmenau und die Messung jeder der sechs Strukturen mit dem Netzwerkanalysator im ungedehnten Zustand und für verschiedene Dehnungswerte. Das Hauptziel der Masterarbeit war die Untersuchung des Einflusses der Dehnung auf die Übertragungseigenschaften von HF-Leitungen. Um die Leitungen in verschiedenen Dehnungszuständen simulieren zu können, wurden die Segmente neu als Halbkreissegmente gestaltet. Basierend auf den Ergebnissen der Forschungsarbeit können eine Reihe von Schlussfolgerungen gezogen werden: 1. Der Wert der Phasenkonstante ß steigt unter Dehnung an, dies ist besonders deutlich an der Struktur "P2P_v2" zu beobachten. 2. Die Struktur des Typs "P2P_v2" hat den kleinsten Absolutwert der Phasenkonstante ß, aber weist gleichzeitig die größte Änderung von der Anfangsposition (0% Dehnung) zur Endposition (50 % Dehnung) auf. Beispielsweise betrug für eine Frequenz von 1 GHz das Wachstum der simulierten Werte für die Phasenkonstante ß 0,601 bis 0,832. Im Vergleich dazu betrug bei derselben Frequenz die Änderung für die Leitung "H2H_0" nur 0,759 bis 0,857. 3. Diese signifikanten Unterschiede im Verhalten der "P2P_v2"-Leitung im Vergleich zu den anderen Leitungsgeometrien sind in ihrer Konstruktion begründet, die sich von anderen Leitungsstrukturen unterscheidet, nämlich ihr Aufbau aus Kreis- im Gegensatz zu den Mäandersegmenten der übrigen Leitungsvarianten. 4. Für Anwendungen, bei denen die absolute Änderung der Phasenkonstante möglichst klein sein soll, sollten daher eher die Strukturen "H2H_-100" und "P2P_20" verwendet werden, wenn man den Effekt der Phasenänderung in der Anwendung ausnutzen möchte, sollte man die Struktur "P2P_v2" wählen. Das größte Problem, das während dieser Arbeit auftrat, waren Qualitätsprobleme der hergestellten Teststrukturen. Speziell traten Kurzschlüsse zwischen Mittelleiter und Masseleitungen sowie auch Unterbrechungen einer der Mäanderleitungen auf. Das schwerwiegendste Problem war jedoch, dass sich die Kupferstrukturen bei Dehnung vom Substrat lösten. Eine mögliche Gegenmaßnahme, die Fixierung der Leiterbahnen mittels einer zusätzlichen dünnen Polymerschicht, für die auch schon Masken für den zusätzlich notwendigen Fotolithografieschritt erzeugt wurden, konnte wegen eines Defekts der Lithografieanlage nicht realisiert werden. Nach Reparatur dieser Anlage sollten die Leitungsstrukturen noch einmal in dieser Variante hergestellt werden. Dadurch wäre die Haftfähigkeit der Metallstrukturen wesentlich erhöht und zuverlässige Messungen der Leitungsstrukturen in verschiedenen Dehnungszuständen ermöglicht. Damit könnten die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse verifiziert werden.
Characterization of GPS disciplined oscillators using a laboratory GNSS simulation testbed. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 4 S.
This paper introduces a testbed to characterize the performance of GPS disciplined oscillators using a GNSS signal simulator and a measurement system based on software-defined radios and digital signal processing that allows to examine the stability of up to four devices with sub-nanosecond precision, time-coherently for 1 PPS and 10 MHz signals, in a controllable laboratory environment with reproducible and adjustable GNSS signal settings over a long-term observation period. To demonstrate the effectiveness of this method, four devices of one specific low-cost GPSDO type available to the authors are characterized and compared in terms of their positional accuracy and their time and frequency stability in steady state and during stabilization.
https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234932
Measurement of drift and jitter of network synchronized distributed clocks. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 8 S.
We propose a measurement setup for simultaneous measurement of drift and jitter of network synchronized distributed clocks using only off-the-shelf components. A network interface card with hardware timestamping capability and a local GPS-synchronized PTP grandmaster combined with appropriate post-processing enable absolute time measurement with sub-microsecond accuracy. The setup is explained in detail and its use exemplified by a 34 day measurement campaign. By polling a selection of globally distributed, GPS-synchronized NTP servers, delay asymmetry measurements were enabled. A detailed analysis of results illustrates the time-variant statistical properties of the jitter.
https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234926
Evaluation and comparison of various auto-configuration approaches for OPC-UA PubSub nodes. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Die Anforderung Funktionen aus der IIOT und der Digitialisierung in der Industrie einzuführen um agiler und effizienter zu werden, erfordert große Datenübertragungsmengen. Open Platform Communication Unified Architecture (OPC UA) ist eine vielseitige Technologie für den sicheren, zuverlässigen und interoperablen Datentransport in einer industriellen Umgebung. In dem kürzlich eingeführten OPC UA PubSub-Schema werden die teilnehmenden Knoten derzeit manuell konfiguriert, da im Standard kein automatischer Konfigurationsmechanismus angegeben ist. Die automatische Konfiguration ist wichtig, um das volle Potenzial des PubSub-Ansatzes auszuschöpfen, indem dynamische und skalierbare Netzwerkänderungen ermöglicht und Informationen zu möglichen Änderungen in Bezug auf verfügbare Informationen bereitgestellt werden. In dieser Arbeit werden drei Ansätze zur automatischen Konfiguration vorgeschlagen, nachdem die vorhandenen Mechanismen zur automatischen Konfiguration, die OPC UA-Standards und das manuelle Konfigurationsverfahren für OPC UA PubSub-fähige Knoten umfassend untersucht wurden. Die vorgeschlagenen Ansätze werden mit dem OMNeT ++ - Netzwerksimulator simuliert und verglichen. Der Vergleich jedes Ansatzes wird auf der Grundlage des Nachrichtenaufwands während der Konfiguration und der erforderlichen Konfigurationszeit durchgeführt, um die Leistung hinsichtlich Zuverlässigkeit, Energieeffizienz und Skalierbarkeit zu analysieren. Basierend auf den Ergebnissen wird der vielversprechendste Ansatz auf realen OPC-UA-Knoten implementiert und verifiziert. Die Implementierung auf realer Hardware und Simulation zeigt ähnliche Ergebnisse, was die Eignung des gewählten Ansatzes auf OPC-UA PubSub-fähigen Knoten impliziert.
Stochastic modeling of short and long term clock skew. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 4 S.
Traditional black box clock skew models are either the power-law noise model or a more recent approach based on auto-regressive (AR) filters. Unfortunately, neither algorithm can accurately model short and long term skew due to limited degrees of freedom or stability constraints. We propose a novel model that employs the current AR algorithm recursively with appropriate pre- and post-processing to achieve numeric stability and accurate reproduction of short and long term effects. The model coefficients are derived from a measured skew signal, with the model output matching an exemplary original signal closely in terms of Allan variance and time-domain behavior.
https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234818
Evaluation of remote-monitoring solutions for outdoor wireless sensor networks. - Ilmenau. - 87 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Wireless Sensor Networks (WSNs) sind Systeme, die Daten sammeln, indem sie ihre Umgebung erfassen. Die Daten werden an einem zentralen Knotenpunkt gesammelt, um eine zukünftige Nutzung dieser Daten zu ermöglichen. Die Sensoren befinden sich im Freien und werden mit Batterien betrieben. Daher sind die verwendeten Geräte stark ressourcenbeschränkt. Jedoch wird auch von ihnen erwartet, dass sie zufriedenstellende Überwachungsfunktionen bieten: die genaue Erfassung von Temperaturmessdaten, Informationen über den Zustand des Netzwerks sowie Benachrichtigung über den Batteriestand. Daher ist eine Lösung erforderlich, die die genannten Überwachungsfunktionen bei minimalem Energieverbrauch bietet, um eine lange Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten. In dieser Arbeit wurde ein Monitoring-Agent entwickelt, welcher dem System die Überwachungsfunktionen ermöglicht. Zusätzlich wurden weitere Funktionen implementiert, um einen minimalen Batterieverbrauch zu realisieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der entwickelte Monitoring-Agent ressourcenschonend arbeitet. Daher verursacht dessen Betrieb keinen signifikanten Anstieg des Energieverbrauchs, wodurch er für den Einsatz zur Überwachung des Netzes geeignet ist. Das Ziel, Energie einzusparen und gleichzeitig den allgemeinen Zustand des Netzwerks zu überwachen, wurde erreicht. Die vorgenommenen Verbesserungen erhöhen die Lebensdauer der Batterie, obwohl es durch das Hinzufügen der Monitoringschicht einen zusätzlichen Energieverbrauch gibt. So können mehr Parameter überwacht werden, wobei hierbei ein Kompromiss eingegangen wird, denn der Energieverbrauch wird hierdurch erhöht. Daher kann, abhängig vom betrachtetem spezifischen Systemszenario, gesagt werden: Es ist ein Optimierungsproblem, mehr Parameter zu überwachen und gleichzeitig den Energieverbrauch des Systems auf dem gewünschten Schwellenwert zu halten.
Characterizing GPS disciplined oscillators for distributed vehicle-to-X measurement applications. - In: IEEE IFCS-ISAF 2020, (2020), insges. 4 S.
In this paper, we analyze the reference signal stability of 1 PPS and 10 MHz signals provided by a low-cost GPS disciplined oscillator under application specific conditions using a comparable light-weight measurement system based on software defined radio and digital signal processing. In mobile measurement scenarios, GPS signal impairments are inevitable, due to obstacles such as buildings, street canyons, bridges, and tunnels. Therefore, we preliminarily characterize four GPSDOs under test in a stationary setup using controlled GPS reception loss to drive them into alternating operation modes, namely free-run, disciplined and holdover mode. Further, we conducted a more than 100 km real-world diversified test drive to characterize the performance of the particular GPSDO as realistically as possible for the intended use in mobile V2X measurements.
https://doi.org/10.1109/IFCS-ISAF41089.2020.9234915
A dedicated supervisor controller to alleviate DDoS attacks on resources in software-defined networking. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
Software Defined networking (SDN) ist ein neuer Netzwerkansatz, der die traditionellen Netzwerke kontinuierlich weiterentwickelt und in flexiblere Netzwerke umwandelt, um sich schnell an die wachsende Nachfrage der Endbenutzer anzupassen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Netzwerken ermöglicht dieser Ansatz die Entkopplung von Steuerungs- und Datenebenenfunktionen, um Netzwerkressourcen auf dynamische Weise effizient zu überwachen, zu konfigurieren und zu optimieren. Es verfügt über eine zentrale Steuerung mit einer globalen Ansicht des Netzwerks, um die gesamten Netzwerkressourcen mithilfe programmierbarer Schnittstellen zu verwalten. Diese zentrale Steuerung bringt auch mehrere Sicherheitslücken mit sich, die von Angreifern ausgenutzt werden können, um die Netzwerkfunktionalität zu stören. Die SDN Architektur ist für Angreifer sehr attraktiv, da sie Pakete sorgfältig erstellen können, was zu einem großen Datenverkehr von SDN Switches zum Controller führen kann, was zu einer Sättigung der Bandbreite des Steuerkanals und sogar zu falschen Einträgen in den Switches führt. In dieser Arbeit überwachen wir das Verhalten von SDN Controllern, um DDoS Angriffe auf die SDN Architektur zu erkennen. Die Erkennung von böswilligem Verhalten des Controllers erfolgt mithilfe von Entropie- und Korrelationstechniken und um den betroffenen Controller effektiv zu identifizieren. Nach der Erkennung des betroffenen Controllers wird eine Lösung vorgeschlagen, um den betroffenen Controller zu isolieren, die auf der gegenseitigen Entscheidung anderer Controller im Netzwerk basiert. Um das Netzwerk zu schützen, wurde eine Supervisor-Anwendung entwickelt, die das Verhalten von Controllern überwacht und es den Controllern ermöglicht, böswilliges Verhalten durch gegenseitige Entscheidung zu entscheiden. Aus den Simulationsergebnissen geht hervor, dass der angegriffene Controller erkannt und isoliert werden kann, um eine weitere Sättigung der Netzwerkressourcen zu verhindern.
Blind source separation using high-resolution parameter estimation algorithms for hexagonal microphone arrays. - Ilmenau. - 53 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020
In dieser Arbeit wird die Leistung verschiedener hochauflösender BSS-Algorithmen (BSS) untersucht. Darüber hinaus wird die Leistung der Algorithmen in einem Echtzeitszenario untersucht, in dem die Algorithmen auf Audiodaten angewendet werden, die von einem hexagonalen Mikrofonarray aufgezeichnet wurden. Zu diesem Zweck wurde das Echtzeit-Verarbeitungsframework entwickelt, das die Verarbeitung aufgezeichneter Audiodaten sowie der Audiosätze des Benutzers unterstützt und die Effizienz jedes betrachteten Algorithmus bewerten kann. Hilfsfunktionsbasierter Algorithmus für die unabhängige Vektoranalyse AuxIVA, unabhängige niedrigrangige Matrixanalyse ILRMA und Time Domain Fractional Delay Separation AIRES verglichen.