Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
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The fifth generation mobile networks (5G) will incorporate novel technologies such as network programmability and virtualization enabled by Software-Defined Networking (SDN) and Network Function Virtualization (NFV) paradigms, which have recently attracted major
interest from both academic and industrial stakeholders.
Building on these concepts, Network Slicing raised as the main driver of a novel business model where mobile operators may open, i.e., “slice”, their infrastructure to new business players and offer independent, isolated and self-contained sets of network functions
and physical/virtual resources tailored to specific services requirements. While Network Slicing has the potential to increase the revenue sources of service providers, it involves a number of technical challenges that must be carefully addressed.
End-to-end (E2E) network slices encompass time and spectrum resources in the radio access network (RAN), transport resources on the fronthauling/backhauling links, and computing and storage resources at core and edge data centers. Additionally, the vertical service requirements’ heterogeneity (e.g., high throughput, low latency, high reliability) exacerbates the need for novel orchestration solutions able to manage end-to-end network slice resources across different domains, while satisfying stringent service level agreements and specific traffic requirements. An end-to-end network slicing orchestration solution shall i) admit network slice requests
such that the overall system revenues are maximized, ii) provide the required resources across different network domains to fulfill the Service Level Agreements (SLAs) iii) dynamically adapt the resource allocation based on the real-time traffic load, endusers’ mobility and instantaneous wireless channel statistics. Certainly, a mobile network represents a fast-changing scenario characterized by complex
spatio-temporal relationship connecting end-users’ traffic demand with social activities and economy. Legacy models that aim at providing dynamic resource allocation based on traditional traffic demand forecasting techniques fail to capture these important aspects.
To close this gap, machine learning-aided solutions are quickly arising as promising technologies to sustain, in a scalable manner, the set of operations required by the network slicing context. How to implement such resource allocation schemes among slices, while
trying to make the most efficient use of the networking resources composing the mobile infrastructure, are key problems underlying the network slicing paradigm, which will be addressed in this thesis.
Indoor positioning system (IPS) is becoming more and more popular in recent years in industrial, scientific and medical areas. The rapidly growing demand of accurate position information attracts much attention and effort in developing various kinds of positioning systems that are characterized by parameters like accuracy,robustness,
latency, cost, etc. These systems have been successfully used in many applications such as automation in manufacturing, patient tracking in hospital, action detection for human-machine interacting and so on.
The different performance requirements in various applications lead to existence of greatly diverse technologies, which can be categorized into two groups: inertial positioning(involving momentum sensors embedded on the object device to be located) and external sensing (geometry estimation based on signal measurement). In positioning
systems based on external sensing, the input signal used for locating refers to many sources, such as visual or infrared signal in optical methods, sound or ultra-sound in acoustic methods and radio frequency based methods. This dissertation gives a recapitulative survey of a number of existence popular solutions for indoor positioning systems. Basic principles of individual technologies are demonstrated and discussed. By comparing the performances like accuracy, robustness, cost, etc., a comprehensive review of the properties of each technologies is presented, which concludes a guidance for designing a location sensing systems for indoor applications. This thesis will lately focus on presenting the development of a high precision IPS
prototype system based on RF signal from the concept aspect to the implementation up to evaluation. Developing phases related to this work include positioning scenario, involved technologies, hardware development, algorithms development, firmware generation, prototype evaluation, etc.. The developed prototype is a narrow band RF system, and it is suitable for a flexible frequency selection in UHF (300MHz3GHz) and SHF (3GHz30GHz) bands, enabling this technology to meet broad service preferences. The fundamental of the proposed system classified itself as a hyperbolic position fix system, which estimates a location by solving non-linear equations derived from time difference of arrival (TDoA) measurements. As the positioning accuracy largely depends on the temporal resolution of the signal acquisition, a dedicated RF front-end system is developed to achieve a time resolution in range of multiple picoseconds down to less than 1 pico second. On the algorithms aspect, two processing units: TDoA estimator and the Hyperbolic equations solver construct the digital signal processing system. In order to implement a real-time positioning system, the processing system is implemented on a FPGA platform. Corresponding firmware is generated from the algorithms modeled in MATLAB/Simulink, using the high level synthesis (HLS) tool HDL Coder. The prototype system is evaluated and an accuracy of better than 1 cm is achieved. A better performance is potential feasible by manipulating some of the controlling conditions such as ADC sampling rate, ADC resolution, interpolation process, higher frequency, more stable antenna, etc. Although the proposed system is initially dedicated to indoor applications, it could also be a competitive candidate for an outdoor positioning service.
Entwicklung eines Verfahrens zur dreiphasigen Zustandsschätzung in vermaschten Niederspannungsnetzen
(2018)
Betreiber von Niederspannungsnetzen sind im Zuge der Energiewende durch den anhaltenden Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen und dem Aufkommen der Elektromobilität mit steigenden Netzauslastungen konfrontiert. Zukünftig wird ein sicherer Netzbetrieb ohne Leitungsüberlastungen grundsätzlich nur gewährleistet sein, wenn der Netzzustand durch geeignete Systeme ermittelt wird und auf dessen Basis ein intelligentes Netzmanagement mit regelnden Eingriffen erfolgt.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Test eines Verfahrens zur dreiphasigen Zustandsschätzung in vermaschten Niederspannungsnetzen. Als Eingangsdaten dienen dabei Spannungs- und Strommesswerte, welche im Wesentlichen durch Smart Meter an Hausanschlusspunkten messtechnisch erfasst werden. Das Verfahren zielt darauf ab, Grenzwertverletzungen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit zu erkennen.
Schwerpunkte der Betrachtung sind neben der Systemkonzeptionierung zum einen die Vorverarbeitung der Systemeingangsdaten im Rahmen der Generierung von Ersatzmesswerten sowie der Erkennung von Topologiefehlern und zum anderem die Entwicklung eines Schätzalgorithmus mit linearem Messmodell und der Möglichkeit zur Lokalisierung grob falscher Messdaten.
The objective of this thesis consists in developing systematic event-triggered control designs for specified event generators, which is an important alternative to the traditional periodic sampling control. Sporadic sampling inherently arising in event-triggered control is determined by the event-triggering conditions. This feature invokes the desire of
finding new control theory as the traditional sampled-data theory in computer control.
Developing controller coupling with the applied event-triggering condition to maximize the control performance is the essence for event-triggered control design. In the design the stability of the control system needs to be ensured with the first priority. Concerning variant control aims they should be clearly incorporated in the design procedures. Considering applications in embedded control systems efficient implementation requires a low complexity of embedded software architectures. The thesis targets at offering such a design to further complete the theory of event-triggered control designs.
Mit zunehmender Integration von immermehr Funktionalität in zukünftigen SoC-Designs erhöht sich die Bedeutung der funktionalen Verifikation auf der Blockebene. Nur Blockentwürfe mit extrem niedriger Fehlerrate erlauben eine schnelle Integration in einen SoC-Entwurf. Diese hohen Qualitätsansprüche können durch simulationsbasierte Verifikation nicht erreicht werden. Aus diesem Grund rücken Methoden zur formalen Entwurfsverifikation in den Fokus. Auf der Blockebene hat sich die Eigenschaftsprüfung basierend auf dem iterativen Schaltungsmodell als erfolgreiche Technologie herausgestellt. Trotzdem gibt es immer noch einige Design-Klassen, die für BIMC schwer zu handhaben sind. Hierzu gehören Schaltungen mit hoher sequentieller Tiefe sowie arithmetische Blöcke. Die fortlaufende Verbesserung der verwendeten Beweismethoden, z.B. der verwendeten SAT-Solver, wird der zunehmenden Komplexität immer größer werdender Blöcke alleine nicht gewachsen sein. Aus diesem Grund zeigt diese Arbeit auf, wie bereits in der Problemaufbereitung des Front-Ends eines Werkzeugs zur formalen Verifikation Maßnahmen zur Vereinfachung der entstehenden Beweisprobleme ergriffen werden können. In den beiden angesprochenen Problemfeldern werden dazu exemplarisch geeignete Freiheitsgrade bei der Modellgenerierung im Front-End identifiziert und zur Vereinfachung der Beweisaufgaben für das Back-End ausgenutzt.
Utilization of Correlation Matrices in Adaptive Array Processors for Time-Slotted CDMA Uplinks
(2002)
It is well known that the performance of mobile radio systems can be significantly enhanced by the application of adaptive antennas which consist of multi-element antenna arrays plus signal processing circuitry. In the thesis the utilization of such antennas as receive antennas in the uplink of mobile radio air interfaces of the type TD-CDMA is studied. Especially, the incorporation of covariance matrices of the received interference signals into the signal processing algorithms is investigated with a view to improve the system performance as compared to state of the art adaptive antenna technology. These covariance matrices implicitly contain information on the directions of incidence of the interference signals, and this information may be exploited to reduce the effective interference power when processing the signals received by the array elements. As a basis for the investigations, first directional models of the mobile radio channels and of the interference impinging at the receiver are developed, which can be implemented on the computer at low cost. These channel models cover both outdoor and indoor environments. They are partly based on measured channel impulse responses and, therefore, allow a description of the mobile radio channels which comes sufficiently close to reality. Concerning the interference models, two cases are considered. In the one case, the interference signals arriving from different directions are correlated, and in the other case these signals are uncorrelated. After a visualization of the potential of adaptive receive antennas, data detection and channel estimation schemes for the TD-CDMA uplink are presented, which rely on such antennas under the consideration of interference covariance matrices. Of special interest is the detection scheme MSJD (Multi Step Joint Detection), which is a novel iterative approach to multi-user detection. Concerning channel estimation, the incorporation of the knowledge of the interference covariance matrix and of the correlation matrix of the channel impulse responses is enabled by an MMSE (Minimum Mean Square Error) based channel estimator. The presented signal processing concepts using covariance matrices for channel estimation and data detection are merged in order to form entire receiver structures. Important tasks to be fulfilled in such receivers are the estimation of the interference covariance matrices and the reconstruction of the received desired signals. These reconstructions are required when applying MSJD in data detection. The considered receiver structures are implemented on the computer in order to enable system simulations. The obtained simulation results show that the developed schemes are very promising in cases, where the impinging interference is highly directional, whereas in cases with the interference directions being more homogeneously distributed over the azimuth the consideration of the interference covariance matrices is of only limited benefit. The thesis can serve as a basis for practical system implementations.
Sowohl die gesteigerte Komplexität der Signalverarbeitungsalgorithmen und das umfangreichere Diensteangebot als auch die zum Erzielen der hohen erforderlichen Rechenleistungen erforderliche Parallelverarbeitung führen künftig zu einer stark ansteigenden Komplexität der digitalen Signalverarbeitung in Mobilfunksystemen. Diese Komplexität ist nur mit einem hierarchischen Modellierungs- und Entwurfsprozeß beherrschbar. Während die niedrigeren Hierarchieebenen der Programmierung und des Hardwareentwurfs bereits heute gut beherrscht werden, besteht noch Unklarheit bei den Entwurfsverfahren auf der höheren Systemebene. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Systematisierung des Entwurfs auf höheren Hierarchieebenen. Hierzu wird der Entwurf eines Experimentalsystems für das JD-CDMA-Mobilfunkkonzept auf der Systemebene betrachtet. Es wird gezeigt, daß das Steuerkreismodell ein angemessenes Modell für die digitale Signalverarbeitung in einem Mobilfunksystem auf der Systemebene ist. Das Steuerkreismodell läßt sich einerseits direkt auf die in zukünftigen Mobilfunksystemen einzusetzenden Multiprozessorsysteme abbilden und entspricht andererseits auch der nachrichtentechnischen Sichtweise der Aufgabenstellung, in der das Mobilfunksystem durch die auszuführenden Algorithmen beschrieben wird. Das Steuerkreismodell ist somit ein geeignetes Bindeglied, um von der Aufgabenstellung zu einer Implementierung zu gelangen. Weiterhin wird gezeigt, daß das Steuerkreismodell sehr modellierungsmächtig ist, und sein Einsatz im Gegensatz zu vielen bereits bekannten Entwurfsverfahren nicht auf mittels Datenflußmodellen beschreibbare Systeme begrenzt ist. Die klassischen, aus der von Datenflußmodellen ausgehenden Systemsynthese bekannten Entwurfsschritte Allokierung, Ablaufplanung und Bindung können im Kontext der Steuerkreismodellierung als Verfahren zur Konstruktion der Steuerwerksaufgabe verstanden werden. Speziell für das Experimentalsystem werden zwei verschiedene Ablaufsteuerungsstrategien modelliert und untersucht. Die volldynamische Ablaufsteuerung wird zur Laufzeit durchgeführt und ist daher nicht darauf angewiesen, daß die auszuführenden Abläufe a priori bekannt sind. Bei der selbsttaktenden Ablaufsteuerung werden die hier a priori bekannten Abläufe zum Zeitpunkt der Systemkonstruktion fest geplant, und zur Laufzeit wird dieser Plan nur noch ausgeführt. Schließlich werden noch die Auswirkungen der paketvermittelten burstförmigen Nachrichtenübertragung auf die digitale Signalverarbeitung in zukünftigen Mobilfunksystemen untersucht. Es wird gezeigt, daß es durch Datenpufferung sehr gut möglich ist, die Rechenlast in einem Mobilfunksystem zu mitteln.
The work presented in this thesis discusses the thermal and power management of multi-core processors (MCPs) with both two dimensional (2D) package and there dimensional (3D) package chips. The power and thermal management/balancing is of increasing concern and is a technological challenge to the MCP development and will be a main performance bottleneck for the development of MCPs. This thesis develops optimal thermal and power management policies for MCPs. The system thermal behavior for both 2D package and 3D package chips is analyzed and mathematical models are developed. Thereafter, the optimal thermal and power management methods are introduced.
Nowadays, the chips are generally packed in 2D technique, which means that there is only one layer of dies in the chip. The chip thermal behavior can be described by a 3D heat conduction partial differential equation (PDE). As the target is to balance the thermal behavior and power consumption among the cores, a group of one dimensional (1D) PDEs, which is derived from the developed 3D PDE heat conduction equation, is proposed to describe the thermal behavior of each core. Therefore, the thermal behavior of the MCP is described by a group of 1D PDEs. An optimal controller is designed to manage the power consumption and balance the temperature among the cores based on the proposed 1D model.
3D package is an advanced package technology, which contains at least 2 layers of dies stacked in one chip. Different from 2D package, the cooling system should be installed among the layers to reduce the internal temperature of the chip. In this thesis, the micro-channel liquid cooling system is considered, and the heat transfer character of the micro-channel is analyzed and modeled as an ordinary differential equation (ODE). The dies are discretized to blocks based on the chip layout with each block modeled as a thermal resistance and capacitance (R-C) circuit. Thereafter, the micro-channels are discretized. The thermal behavior of the whole system is modeled as an ODE system. The micro-channel liquid velocity is set according to the workload and the temperature of the dies. Under each velocity, the system can be described as a linear ODE model system and the whole system is a switched linear system. An H-infinity observer is designed to estimate the states. The model predictive control (MPC) method is employed to design the thermal and power management/balancing controller for each submodel.
The models and controllers developed in this thesis are verified by simulation experiments via MATLAB. The IBM cell 8 cores processor and water micro-channel cooling system developed by IBM Research in collaboration with EPFL and ETHZ are employed as the experiment objects.
In current practices of system-on-chip (SoC) design a trend can be observed to integrate more and more low-level software components into the system hardware at different levels of granularity. The implementation of important control functions and communication structures is frequently shifted from the SoC’s hardware into its firmware. As a result, the tight coupling of hardware and software at a low level of granularity raises substantial verification challenges since the conventional practice of verifying hardware and software independently is no longer sufficient. This calls for new methods for verification based on a joint analysis of hardware and software.
This thesis proposes hardware-dependent models of low-level software for performing formal verification. The proposed models are conceived to represent the software integrated with its hardware environment according to the current SoC design practices. Two hardware/software integration scenarios are addressed in this thesis, namely, speed-independent communication of the processor with its hardware periphery and cycle-accurate integration of firmware into an SoC module. For speed-independent hardware/software integration an approach for equivalence checking of hardware-dependent software is proposed and an evaluated. For the case of cycle-accurate hardware/software integration, a model for hardware/software co-verification has been developed and experimentally evaluated by applying it to property checking.
Empfängerorientierte Übertragungsverfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß der im Sender zu verwendende Signalverarbeitungsalgorithmus an den im Empfänger verwendeten Signalverarbeitungsalgorithmus angepaßt ist. Dies geschieht meist mit zusätzlicher Kanalinformation, die nur am Sender und nicht am Empfänger verfügbar ist. In empfängerorientierten Systemen kann man besonders einfache Algorithmen in den Empfängern realisieren, die im Falle einer Abwärtsstreckenübertragung eines Mobilfunksystems, in den Mobilstationen sind. Dies ist mit geringen Produktionskosten und geringem Energieverbrauch der Mobilstationen verbunden. Um dennoch eine gewisse Güte der Datenübertragung zu gewährleisten, wird bei der Empfängerorientierung mehr Aufwand in der Feststation des Mobilfunksystems betrieben. Die derzeit verwendeten und für die dritte Mobilfunkgeneration (UMTS) vorgesehenen Übertragungsverfahren sind senderorientiert. Das bedeutet, daß der Signalverarbeitungsalgorithmus im Empfänger an den Signalverarbeitungsalgorithmus des Senders angepaßt ist. Auch bei der Senderorientierung wird meist die Kanalinformation in den Anpassungsprozeß im Empfänger einbezogen. Zum Gewinnen der Kanalinformation sind Testsignale notwendig, anhand der die Kanalinformation geschätzt werden kann. Solche Testsignale können in der Abwärtsstrecke eines empfängerorientierten Mobilfunksystems entfallen. Anstelle der Testsignale kann man Daten übertragen und somit die Datenrate im Vergleich zu senderorientierten Systemen erhöhen. Um die Performanz von Übertragungsverfahren beurteilen zu können, sind geeignete Kriterien notwendig. Meist werden zur Beurteilung Bitfehlerwahrscheinlichkeiten oder Signal-Stör-Verhältnisse verwendet. Da die Höhe der aufzuwendenden Sendeenergie nicht nur technisch, sondern auch gesellschaftlich ein wichtiger Aspekt zukünftiger Mobilfunksysteme ist, wird vom Verfasser das Kriterium der Energieeffizienz vorgeschlagen. Die Energieeffizienz beurteilt das Zusammenspiel von Signalverarbeitungsalgorithmen des Senders und des Empfängers unter Berücksichtigung der Kanaleigenschaften. Dabei wird die nutzbare Empfangsenergie auf die investierte Sendeenergie bezogen. Anhand der ermittelten energieeffizienzen und analytischen Betrachtungen in der vorliegenden Arbeit kann man den Schluß ziehen, daß empfängerorientierte Übertragungsverfahren für die Abwärtsstreckenübertragung in Mobilfunksystemen den senderorientierten vorzuziehen sind, wenn an der Feststation relativ viele und an den Mobilstationen relativ wenige Antennen zur Verfügung stehen. Dies ist bereits heute der Fall und auch in zukünftigen Mobilfunksystemen zu erwarten. Ferner eröffnet das am Rande untersuchte kanalorientierte Übertragungsverfahren, bei dem die Signalverarbeitungsalgorithmen des Sender und des Empfängers an die Kanalinformation angepaßt werden, ein weites Feld für zukünftige Forschungsvorhaben.