Modern society relies on convenience services and mobile communication. Cloud computing is the current trend to make data and applications available at any time on every device. Data centers concentrate computation and storage at central locations, while they claim themselves green due to their optimized maintenance and increased energy efficiency. The key enabler for this evolution is the microelectronics industry. The trend to power efficient mobile devices has forced this industry to change its design dogma to: ”keep data locally and reduce data communication whenever possible”. Therefore we ask: is cloud computing repeating the aberrations of its enabling industry?

The capacity of embedded memory on LSIs has kept increasing. It is important to reduce the leakage power of embedded memory for low-power LSIs. In fact, the ITRS predicts that the leakage power in embedded memory will account for 40% of all power consumption by 2024 [1]. A spin transfer torque magneto-resistance random access memory (STT-MRAM) is promising for use as non-volatile memory to reduce the leakage power. It is useful because it can function at low voltages and has a lifetime of over 1016 write cycles [2]. In addition, the STT-MRAM technology has a smaller bit cell than an SRAM. Making the STT-MRAM is suitable for use in high-density products [3–7]. The STT-MRAM uses magnetic tunnel junction (MTJ). The MTJ has two states: a parallel state and an anti-parallel state. These states mean that the magnetization direction of the MTJ’s layers are the same or different. The directions pair determines the MTJ’s magneto- resistance value. The states of MTJ can be changed by the current flowing. The MTJ resistance becomes low in the parallel state and high in the anti-parallel state. The MTJ potentially operates at less than 0.4 V [8]. In other hands, it is difficult to design peripheral circuitry for an STT-MRAM array at such a low voltage. In this paper, we propose a counter-based read circuit that functions at 0.4 V, which is tolerant of process variation and temperature fluctuation.

The authors explore the intrinsic trade-off in a DRAM between the power consumption (due to refresh) and the reliability. Their unique measurement platform allows tailoring to the design constraints depending on whether power consumption, performance or reliability has the highest design priority. Furthermore, the authors show how this measurement platform can be used for reverse engineering the internal structure of DRAMs and how this knowledge can be used to improve DRAM’s reliability.

At present the standardization of third generation (3G) mobile radio systems is the subject of worldwide research activities. These systems will cope with the market demand for high data rate services and the system requirement for exibility concerning the offered services and the transmission qualities. However, there will be de ciencies with respect to high capacity, if 3G mobile radio systems exclusively use single antennas. Very promising technique developed for increasing the capacity of 3G mobile radio systems the application is adaptive antennas. In this thesis, the benefits of using adaptive antennas are investigated for 3G mobile radio systems based on Time Division CDMA (TD-CDMA), which forms part of the European 3G mobile radio air interface standard adopted by the ETSI, and is intensively studied within the standardization activities towards a worldwide 3G air interface standard directed by the 3GPP (3rd Generation Partnership Project). One of the most important issues related to adaptive antennas is the analysis of the benefits of using adaptive antennas compared to single antennas. In this thesis, these bene ts are explained theoretically and illustrated by computer simulation results for both data detection, which is performed according to the joint detection principle, and channel estimation, which is applied according to the Steiner estimator, in the TD-CDMA uplink. The theoretical explanations are based on well-known solved mathematical problems. The simulation results illustrating the benefits of adaptive antennas are produced by employing a novel simulation concept, which offers a considerable reduction of the simulation time and complexity, as well as increased exibility concerning the use of different system parameters, compared to the existing simulation concepts for TD-CDMA. Furthermore, three novel techniques are presented which can be used in systems with adaptive antennas for additionally improving the system performance compared to single antennas. These techniques concern the problems of code-channel mismatch, of user separation in the spatial domain, and of intercell interference, which, as it is shown in the thesis, play a critical role on the performance of TD-CDMA with adaptive antennas. Finally, a novel approach for illustrating the performance differences between the uplink and downlink of TD-CDMA based mobile radio systems in a straightforward manner is presented. Since a cellular mobile radio system with adaptive antennas is considered, the ultimate goal is the investigation of the overall system efficiency rather than the efficiency of a single link. In this thesis, the efficiency of TD-CDMA is evaluated through its spectrum efficiency and capacity, which are two closely related performance measures for cellular mobile radio systems. Compared to the use of single antennas, the use of adaptive antennas allows impressive improvements of both spectrum efficiency and capacity. Depending on the mobile radio channel model and the user velocity, improvement factors range from six to 10.7 for the spectrum efficiency, and from 6.7 to 12.6 for the spectrum capacity of TD-CDMA. Thus, adaptive antennas constitute a promising technique for capacity increase of future mobile communications systems.

The recently established technologies in the areas of distributed measurement and intelligent information processing systems, e.g., Cyber Physical Systems (CPS), Ambient Intelligence/Ambient Assisted Living systems (AmI/AAL), the Internet of Things (IoT), and Industry 4.0 have increased the demand for the development of intelligent integrated multi-sensory systems as to serve rapid growing markets [1, 2]. These increase the significance of complex measurement systems, that incorporate numerous advanced methodological implementations including electronics circuit, signal processing, and multi-sensory information fusion. In particular, in multi-sensory cognition applications, to design such systems, the skill-required tasks, e.g., method selection, parameterization, model analysis, and processing chain construction are elaborated with immense effort, which conventionally are done manually by the expert designer. Moreover, the strong technological competition imposes even more complicated design problems with multiple constraints, e.g., cost, speed, power consumption, exibility, and reliability. Thus, the conventional human expert based design approach may not be able to cope with the increasing demand in numbers, complexity, and diversity. To alleviate the issue, the design automation approach has been the topic for numerous research works [3-14] and has been commercialized to several products [15-18]. Additionally, the dynamic adaptation of intelligent multi-sensor systems is the potential solution for developing dependable and robust systems. Intrinsic evolution approach and self-x properties [19], which include self-monitoring, -calibrating/trimming, and -healing/repairing, are among the best candidates for the issue. Motivated from the ongoing research trends and based on the background of our research work [12, 13] among the pioneers in this topic, the research work of the thesis contributes to the design automation of intelligent integrated multi-sensor systems. In this research work, the Design Automation for Intelligent COgnitive system with self- X properties, the DAICOX, architecture is presented with the aim of tackling the design effort and to providing high quality and robust solutions for multi-sensor intelligent systems. Therefore, the DAICOX architecture is conceived with the defined goals as listed below. Perform front to back complete processing chain design with automated method selection and parameterization, Provide a rich choice of pattern recognition methods to the design method pool, Associate design information via interactive user interface and visualization along with intuitive visual programming, Deliver high quality solutions outperforming conventional approaches by using multi-objective optimization, Gain the adaptability, reliability and robustness of designed solutions with self-x properties, Derived from the goals, several scientific methodological developments and implementations, particularly in the areas of pattern recognition and computational intelligence, will be pursued as part of the DAICOX architecture in the research work of this thesis. The method pool is aimed to contain a rich choice of methods and algorithms covering data acquisition and sensor configuration, signal processing and feature computation, dimensionality reduction, and classification. These methods will be selected and parameterized automatically by the DAICOX design optimization to construct a multi-sensory cognition processing chain. A collection of non-parametric feature quality assessment functions for the purpose of Dimensionality Reduction (DR) process will be presented. In addition, to standard DR methods, the variations of feature selection method, in particular, feature weighting will be proposed. Three different classification categories shall be incorporated in the method pool. Hierarchical classification approach will be proposed and developed to serve as a multi-sensor fusion architecture at the decision level. Beside multi-class classification, one-class classification methods, e.g., One-Class SVM and NOVCLASS will be presented to extend functionality of the solutions, in particular, anomaly and novelty detection. DAICOX is conceived to effectively handle the problem of method selection and parameter setting for a particular application yielding high performance solutions. The processing chain construction tasks will be carried out by meta-heuristic optimization methods, e.g., Genetic Algorithms (GA) and Particle Swarm Optimization (PSO), with multi-objective optimization approach and model analysis for robust solutions. In addition, to the automated system design mechanisms, DAICOX will facilitate the design tasks with intuitive visual programming and various options of visualization. Design database concept of DAICOX is aimed to allow the reusability and extensibility of the designed solutions gained from previous knowledge. Thus, the cooperative design of machine and knowledge from the design expert can also be utilized for obtaining fully enhanced solutions. In particular, the integration of self-x properties as well as intrinsic optimization into the system is proposed to gain enduring reliability and robustness. Hence, DAICOX will allow the inclusion of dynamically reconfigurable hardware instances to the designed solutions in order to realize intrinsic optimization and self-x properties. As a result from the research work in this thesis, a comprehensive intelligent multisensor system design architecture with automated method selection, parameterization, and model analysis is developed with compliance to open-source multi-platform software.It is integrated with an intuitive design environment, which includes visual programming concept and design information visualizations. Thus, the design effort is minimized as investigated in three case studies of different application background, e.g., food analysis (LoX), driving assistance (DeCaDrive), and magnetic localization. Moreover, DAICOX achieved better quality of the solutions compared to the manual approach in all cases, where the classification rate was increased by 5.4%, 0.06%, and 11.4% in the LoX, DeCaDrive, and magnetic localization case, respectively. The design time was reduced by 81.87% compared to the conventional approach by using DAICOX in the LoX case study. At the current state of development, a number of novel contributions of the thesis are outlined below. Automated processing chain construction and parameterization for the design of signal processing and feature computation. Novel dimensionality reduction methods, e.g., GA and PSO based feature selection and feature weighting with multi-objective feature quality assessment. A modification of non-parametric compactness measure for feature space quality assessment. Decision level sensor fusion architecture based on proposed hierarchical classification approach using, i.e., H-SVM. A collection of one-class classification methods and a novel variation, i.e., NOVCLASS-R. Automated design toolboxes supporting front to back design with automated model selection and information visualization. In this research work, due to the complexity of the task, neither all of the identified goals have been comprehensively reached yet nor has the complete architecture definition been fully implemented. Based on the currently implemented tools and frameworks, ongoing development of DAICOX is pursuing towards the complete architecture. The potential future improvements are the extension of method pool with a richer choice of methods and algorithms, processing chain breeding via graph based evolution approach, incorporation of intrinsic optimization, and the integration of self-x properties. According to these features, DAICOX will improve its aptness in designing advanced systems to serve the increasingly growing technologies of distributed intelligent measurement systems, in particular, CPS and Industrie 4.0.

Wireless Sensor Networks (WSN) are dynamically-arranged networks typically composed of a large number of arbitrarily-distributed sensor nodes with computing capabilities contributing to –at least– one common application. The main characteristic of these networks is that of being functionally constrained due to a scarce availability of resources and strong dependence on uncontrollable environmental factors. These conditions introduce severe restrictions on the applicability of classic real-time methods aiming at guaranteeing time-bounded communications. Existing real-time solutions tend to apply concepts that were originally not conceived for sensor networks, idealizing realistic application scenarios and overlooking at important design limitations. This results in a number of misleading practices contributing to approaches of restricted validity in real-world scenarios. Amending the confrontation between WSNs and real-time objectives starts with a review of the basic fundamentals of existing approaches. In doing so, this thesis presents an alternative approach based on a generalized timeliness notion suitable to the particularities of WSNs. The new conceptual notion allows the definition of feasible real-time objectives opening a new scope of possibilities not constrained to idealized systems. The core of this thesis is based on the definition and application of Quality of Service (QoS) trade-offs between timeliness and other significant QoS metrics. The analysis of local and global trade-offs provides a step-by-step methodology identifying the correlations between these quality metrics. This association enables the definition of alternative trade-off configurations (set points) influencing the quality performance of the network at selected instants of time. With the basic grounds established, the above concepts are embedded in a simple routing protocol constituting a proof of concept for the validity of the presented analysis. Extensive evaluations under realistic scenarios are driven on simulation environments as well as real testbeds, validating the consistency of this approach.

Netzbasierte Automatisierungssysteme (NAS) sind das Ergebnis der zunehmenden Dezentralisierung von Automatisierungssystemen mittels neuerer Netzwerkstrukturen. Eine ganze Fülle von Einflussfaktoren führt jedoch zu einem Spektrum von nicht-deterministischen Verzögerungen, die direkten Einfluss auf Qualität, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Automatisierungsanlagen haben. Eine genaue Analyse dieser Einflussfaktoren ist somit nicht nur Voraussetzung für den verantwortungsbewussten Einsatz dieser Technologie sondern ermöglicht es auch, bereits im Vorfeld von Umstrukturierungen oder Erweiterungen Fragen der Verlässlichkeit zu klären. In diesem Beitrag wird gezeigt, welchen Einfluss einzelne Komponenten sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) verwendet. Umfangreiche Messungen wurden zur Validierung der Ergebnisse durchgeführt.

Radar cross section reducing (RCSR) metasurfaces or coding metasurfaces were primarily designed for normally incident radiation in the past. It is evident that the performance of coding metasurfaces for RCSR can be significantly improved by additional backscattering reduction of obliquely incident radiation, which requires a valid analytic conception tool. Here, we derive an analytic current density distribution model for the calculation of the backscatter far-field of obliquely incident radiation on a coding metasurface for RCSR. For demonstration, we devise and fabricate a metasurface for a working frequency of 10.66GHz and obtain good agreement between the measured, simulated, and analytically calculated backscatter far-fields. The metasurface significantly reduces backscattering for incidence angles between −40∘ and 40∘ in a spectral working range of approximately 1GHz.

Photonic crystals are inhomogeneous dielectric media with periodic variation of the refractive index. A photonic crystal gives us new tools for the manipulation of photons and thus has received great interests in a variety of fields. Photonic crystals are expected to be used in novel optical devices such as thresholdless laser diodes, single-mode light emitting diodes, small waveguides with low-loss sharp bends, small prisms, and small integrated optical circuits. They can be operated in some aspects as "left handed materials" which are capable of focusing transmitted waves into a sub-wavelength spot due to negative refraction. The thesis is focused on the applications of photonic crystals in communications and optical imaging: • Photonic crystal structures for potential dispersion management in optical telecommunication systems • 2D non-uniform photonic crystal waveguides with a square lattice for wide-angle beam refocusing using negative refraction • 2D non-uniform photonic crystal slabs with triangular lattice for all-angle beam refocusing • Compact phase-shifted band-pass transmission filter based on photonic crystals

Three-dimensional (3D) integration using through- silicon via (TSV) has been used for memory designs. Content addressable memory (CAM) is an important component in digital systems. In this paper, we propose an evaluation tool for 3D CAMs, which can aid the designer to explore the delay and power of various partitioning strategies. Delay, power, and energy models of 3D CAM with respect to different architectures are built as well.

Die industrielle Oberflächeninspektion und insbesondere die Defekterkennung ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für die automatische Bildverarbeitung (BV). Für den Entwurf und die Konfiguration der entsprechenden Softwaresysteme, in der Regel anwendungsspezifische Einzellösungen, werden im industriellen Umfeld zumeist entweder firmeneigene Bildverarbeitungsbibliotheken, kommerzielle oder freie Toolboxen verwendet. In der Regel beinhalten diese u.a. Standardalgorithmen der Bildverarbeitung in modularer Form, z. B. Filter- oder Schwellwertoperatoren. Die einzelnen BV-Methoden werden in der Regel nach dem Prinzip der visuellen Programmierung in einer grafischen Entwicklungsumgebung ausgewählt und zu einer BV-Kette bzw. einem -Graph zusammengesetzt. Dieses Prinzip ermöglicht es auch einem Programmierunkundigen, BV-Systeme zu erstellen und zu konfigurieren. Eine gewisse Grundkenntnis der Methoden der Bildverarbeitung ist jedoch notwendig. Je nach Aufgabenstellung und Erfahrung des Systementwicklers erfordern manueller Entwurf und Konfiguration eines BV-Systems erheblichen Zeiteinsatz. Diese Arbeit beschäftigt sich mit automatischen Entwurfs-, Konfigurations- und Optimierungsmöglichkeiten dieser modularen BV-Systeme, die es auch einem ungeübten Endnutzer ermöglichen, adäquate Lösungen zu generieren mit dem Ziel, ein effizienteres Entwurfswerkzeug für Bildverarbeitungssysteme mit neuen und verbesserten Eigenschaften zu schaffen. Die Methodenauswahl und Parameteroptimierung reicht von der Bildvorverarbeitung und -verbesserung mittels BV-Algorithmen bis hin zu ggf. eingesetzten Klassifikatoren, wie Nächste-Nachbar-Klassifikator (NNK) und Support-Vektor-Maschinen (SVM) und verschiedenen Bewertungsfunktionen. Der flexible Einsatz verschiedener Klassifikations- und Bewertungsmethoden ermöglicht einen automatischen problemspezifischen Entwurf und die Optimierung des BV-Systems für Aufgaben der Fehlerdetektion und Texturanalyse für 2d-Bilder, sowie die Trennung von Objekten und Hintergrund für 2d- und 3d-Grauwertbilder. Für die Struktur- und Parameteroptimierung des BV-Systems werden Evolutionäre Algorithmen (EA) und Partikelschwarmoptimierung (PSO) verwendet.

Um die in der Automatisierung zunehmenden Anforderungen an Vorschubachsen hinsichtlich Dynamik, Präzision und Wartungsaufwand bei niedriger Bauhöhe und kleiner werdendem Bauvolumen gerecht zu werden, kommen immer mehr Synchron-Linearmotoren in Zahnspulentechnik mit Permanentmagneterregung in Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Als hauptsächlicher Vorteil gegenüber der rotierenden Antriebslösung mit Getriebeübersetzung und Kugelrollspindel wird die direkte Kraftübertragung ohne Bewegungswandler genannt. Der Übergang vom konventionellen linearen Antriebssystem zum Direktantriebssystem eröffnet dem Werkzeugmaschinenherstellern und den Industrieanwendungen eine Vielzahl neuer Möglichkeiten durch beeindruckende Verfahrgeschwindigkeit und hohes Beschleunigungsvermögen sowie Positionier- und Wiederholgenauigkeit und bietet darüber hinaus die Chance zu einer weiteren Produktivitäts- und Qualitätssteigerung. Um alle dieser Vorteile ausnutzen zu können, muss der Antrieb zuerst hinsichtlich der für Linearmotoren typisch Kraftwelligkeit optimiert werden. Die Suche nach wirtschaftlichen und praxistauglichen Gegenmaßnahmen ist ein aktuelles Forschungsthema in der Antriebstechnik. In der vorliegenden Arbeit werden die Kraftschwankungen infolge Nutung, Endeffekt und elektrischer Durchflutung in PM-Synchron-Linearmotor rechnerisch und messtechnisch untersucht. Ursachen und Eigenschaften der Kraftwelligkeit werden beschrieben und Einflussparameter aufgezeigt. Es besteht die Möglichkeit, die Kraftwelligkeit durch bestimmte Maßnahmen zu beeinflussen, z. B. mit Hilfe des Kraftwelligkeitsausgleichs bestehend aus ferromagnetischem Material oder durch gegenseitigen Ausgleich mehrerer zusammengekoppelter Primärteile. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, ist eine Abstimmung der Einflussparameter auf analytischem Weg kaum möglich, in der Praxis führt das auf eine experimentell-iterative Optimierung mit FEM-Unterstützung. Die gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation bietet einen klaren Hinweis, dass die hier vorgestellten Maßnahmen als geeignet angesehen werden können, sie ermöglichen eine Kraftwelligkeitsreduzierung von ursprünglichen 3-5% bis auf 1%, wobei eine leichte Herabsetzung der Kraftdichte in Kauf genommen werden muss. Beim Maschinenentwurf muss rechtzeitig ermittelt werden, welches Kompensationsverfahren günstig ist bezüglich der vorgesehenen Anwendungen.

For many years, most distributed real-time systems employed data communication systems specially tailored to address the specific requirements of individual domains: for instance, Controlled Area Network (CAN) and Flexray in the automotive domain, ARINC 429 [FW10] and TTP [Kop95] in the aerospace domain. Some of these solutions were expensive, and eventually not well understood. Mostly driven by the ever decreasing costs, the application of such distributed real-time system have drastically increased in the last years in different domains. Consequently, cross-domain communication systems are advantageous. Not only the number of distributed real-time systems have been increasing but also the number of nodes per system, have drastically increased, which in turn increases their network bandwidth requirements. Further, the system architectures have been changing, allowing for applications to spread computations among different computer nodes. For example, modern avionics systems moved from federated to integrated modular architecture, also increasing the network bandwidth requirements. Ethernet (IEEE 802.3) [iee12] is a well established network standard. Further, it is fast, easy to install, and the interface ICs are cheap [Dec05]. However, Ethernet does not offer any temporal guarantee. Research groups from academia and industry have presented a number of protocols merging the benefits of Ethernet and the temporal guarantees required by distributed real-time systems. Two of these protocols are: Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) [AFD09] and Time-Triggered Ethernet (TTEthernet) [tim16]. In this dissertation, we propose solutions for two problems faced during the design of AFDX and TTEthernet networks: avoiding data loss due to buffer overflow in AFDX networks with multiple priority traffic, and scheduling of TTEthernet networks. AFDX guarantees bandwidth separation and bounded transmission latency for each communication channel. Communication channels in AFDX networks are not synchronized, and therefore frames might compete for the same output port, requiring buffering to avoid data loss. To avoid buffer overflow and the resulting data loss, the network designer must reserve a safe, but not too pessimistic amount of memory of each buffer. The current AFDX standard allows for the classification of the network traffic with two priorities. Nevertheless, some commercial solutions provide multiple priorities, increasing the complexity of the buffer backlog analysis. The state-of-the-art AFDX buffer backlog analysis does not provide a method to compute deterministic upper bounds iiifor buffer backlog of AFDX networks with multiple priority traffic. Therefore, in this dissertation we propose a method to address this open problem. Our method is based on the analysis of the largest busy period encountered by frames stored in a buffer. We identify the ingress (and respective egress) order of frames in the largest busy period that leads to the largest buffer backlog, and then compute the respective buffer backlog upper bound. We present experiments to measure the computational costs of our method. In TTEthernet, nodes are synchronized, allowing for message transmission at well defined points in time, computed off-line and stored in a conflict-free scheduling table. The computation of such scheduling tables is a NP-complete problem [Kor92], which should be solved in reasonable time for industrial size networks. We propose an approach to efficiently compute a schedule for the TT communication channels in TTEthernet networks, in which we model the scheduling problem as a search tree. As the scheduler traverses the search tree, it schedules the communication channels on a physical link. We presented two approaches to traverse the search tree while progressively creating the vertices of the search tree. A valid schedule is found once the scheduler reaches a valid leaf. If on the contrary, it reaches an invalid leaf, the scheduler backtracks searching for a path to a valid leaf. We present a set of experiments to demonstrate the impact of the input parameters on the time taken to compute a feasible schedule or to deem the set of virtual links infeasible.

To continue reducing voltage in scaled technologies, both circuit and architecture-level resiliency techniques are needed to tolerate process-induced defects, variation, and aging in SRAM cells. Many different resiliency schemes have been proposed and evaluated, but most prior results focus on voltage reduction instead of energy reduction. At the circuit level, device cell architectures and assist techniques have been shown to lower Vmin for SRAM, while at the architecture level, redundancy and cache disable techniques have been used to improve resiliency at low voltages. This paper presents a unified study of error tolerance for both circuit and architecture techniques and estimates their area and energy overheads. Optimal techniques are selected by evaluating both the error-correcting abilities at low supplies and the overheads of each technique in a 28nm. The results can be applied to many of the emerging memory technologies.

”In contemporary electronics 80% of a chip may perform digital functions but the 20% of analog functions may take 80% of the development time.” [1]. Aggravating this, the demands on analog design is increasing with rapid technology scaling. Most designs have moved away from analog to digital domains, where possible, however, interacting with the environment will always require analog to digital data conversion. Adding to this problem, the number of sensors used in consumer and industry related products are rapidly increasing. Designers of ADCs are dealing with this problem in several ways, the most important is the migration towards digital designs and time domain techniques. Time to Digital Converters (TDC) are becoming increasingly popular for robust signal processing. Biological neurons make use of spikes, which carry spike timing information and will not be affected by the problems related to technology scaling. Neuromorphic ADCs still remain exotic with few implementations in sub-micron technologies Table 2.7. Even among these few designs, the strengths of biological neurons are rarely exploited. From a previous work [2], LUCOS, a high dynamic range image sensor, the efficiency of spike processing has been validated. The ideas from this work can be generalized to make a highly effective sensor signal conditioning system, which carries the promise to be robust to technology scaling. The goal of this work is to create a novel spiking neural ADC as a novel form of a Multi-Sensor Signal Conditioning and Conversion system, which • Will be able to interface with or be a part of a System on Chip with traditional analog or advanced digital components. • Will have a graceful degradation. • Will be robust to noise and jitter related problems. • Will be able to learn and adapt to static errors and dynamic errors. • Will be capable of self-repair, self-monitoring and self-calibration Sensory systems in humans and other animals analyze the environment using several techniques. These techniques have been evolved and perfected to help the animal sur- vive. Different animals specialize in different sense organs, however, the peripheral neural network architectures remain similar among various animal species with few ex- ceptions. While there are many biological sensing techniques present, most popularly used engineering techniques are based on intensity detection, frequency detection, and edge detection. These techniques are used with traditional analog processing (e.g., colorvi sensors using filters), and with biological techniques (e.g. LUCOS chip [2]). The local- ization capability of animals has never been fully utilized. One of the most important capabilities for animals, vertebrates or invertebrates, is the capability for localization. The object of localization can be predator, prey, sources of water, or food. Since these are basic necessities for survival, they evolve much faster due to the survival of the fittest. In fact, localization capabilities, even if the sensors are different, have convergently evolved to have same processing methods (coincidence detection) in their peripheral neurons (for e.g., forked tongue of a snake, antennae of a cockroach, acoustic localization in fishes and mammals). This convergent evolution increases the validity of the technique. In this work, localization concepts based on acoustic localization and tropotaxis are investigated and employed for creation of novel ADCs. Unlike intensity and frequency detection, which are not linear (for e.g. eyes saturate in bright light, loose color perception in low light), localization is inherently linear. This is mainly because the accurate localization of predator or prey can be the difference between life and death for an animal. Figure 1 visually explains the ADC concept proposed in this work. This has two parts. (1) Sensor to Spike(time) Conversion (SSC), (2) Spike(time) to Digital Conversion(SDC). Both of the structures have been designed with models of biological neurons. The combination of these two structures is called SSDC. To efficiently implement the proposed concept, a comparison of several biological neural models is made and two models are shortlisted. Various synapse structures are also studied. From this study, Leaky Integrate and Fire neuron (LIF) is chosen since it fulfills all the requirements of the proposed structure. The analog neuron and synapse designs from Indiveri et. al. [3], [4] were taken, and simulations were conducted using cadence and the behavioral equivalence with biological counterpart was checked. The LIF neuron had features, that were not required for the proposed approach. A simple LIF neuron stripped of these features and was designed to be as fast as allowed by the technology. The SDC was designed with the neural building blocks and the delays were designed using buffer chains. This SDC converts incoming Time Interval Code (TIC) to sparse place coding using coincidence detection. Coincidence detection is a property of spiking neurons, which is a time domain equivalent of a Gaussian Kernel. The SDC is designed to have an online reconfigurable Gaussian kernel width, weight, threshold, and refractory period. The advantage of sparse place codes, which contain rank order coding wasvii Figure 1: ADC as a localization problem (right), Jeffress model of sound localization visualized (left). The values t 1 and t 2 indicate the time taken from the source to s1 and s2 respectively. described in our work [5]. A time based winner take all circuit with memory was created based on a previous work [6] for reading out of sparse place codes asynchronously. The SSC was also initially designed with the same building blocks. Additionally, a differential synapse was designed for better SSC. The sensor element considered wasviii a Wheatstone full bridge AMR sensor AFF755 from Sensitec GmbH. A reconfigurable version of the synapse was also designed for a more generic sensor interface. The first prototype chip SSDCα was designed with 257 modules of coincidence detectors realizing the SDC and the SSC. Since the spike times are the most important information, the spikes can be treated as digital pulses. This provides the capability for digital communication between analog modules. This creates a lot of freedom for use of digital processing between the discussed analog modules. This advantage is fully exploited in the design of SSDCα. Three SSC modules are multiplexed to the SDC. These SSC modules also provide outputs from the chip simultaneously. A rising edge detecting fixed pulse width generation circuit is used to create pulses that are best suited for efficient performance of the SDC. The delay lines are made reconfigurable to increase robustness and modify the span of the SDC. The readout technique used in the first prototype is a relatively slow but safe shift register. It is used to analyze the characteristics of the core work. This will be replaced by faster alternatives discussed in the work. The area of the chip is 8.5 mm 2 . It has a sampling rate from DC to 150 kHz. It has a resolution from 8-bit to 13-bit. It has 28,200 transistors on the chip. It has been designed in 350 nm CMOS technology from ams. The chip has been manufactured and tested with a sampling rate of 10 kHz and a theoretical resolution of 8 bits. However, due to the limitations of our Time-Interval-Generator, we are able to confirm for only 4 bits of resolution. The key novel contributions of this work are • Neuromorphic implementation of AD conversion as a localization problem based on sound localization and tropotaxis concepts found in nature. • Coincidence detection with sparse place coding to enhance resolution. • Graceful degradation without redundant elements, inherent robustness to noise, which helps in scaling of technologies • Amenable to local adaptation and self-x features. Conceptual goals have all been fulfilled, with the exception of adaptation. The feasibility for local adaptation has been shown with promising results and further investigation is required for future work. This thesis work acts as a baseline, paving the way for R&D in a new direction. The chip design has used 350 nm ams hitkit as a vehicle to prove the functionality of the core concept. The concept can be easily ported to present aggressively-scaled-technologies and future technologies.

The fifth-generation mobile telecommunication network is expected to support multi-access edge computing (MEC), which intends to distribute computation tasks and services from the central cloud to the edge clouds. Toward ultra-responsive, ultra-reliable, and ultra-low-latency MEC services, the current mobile network security architecture should enable a more decentralized approach for authentication and authorization processes. This paper proposes a novel decentralized authentication architecture that supports flexible and low-cost local authentication with the awareness of context information of network elements such as user equipment and virtual network functions. Based on a Markov model for backhaul link quality as well as a random walk mobility model with mixed mobility classes and traffic scenarios, numerical simulations have demonstrated that the proposed approach is able to achieve a flexible balance between the network operating cost and the MEC reliability.

This thesis has the goal to propose measures which allow an increase of the power efficiency of OFDM transmission systems. As compared to OFDM transmission over AWGN channels, OFDM transmission over frequency selective radio channels requires a significantly larger transmit power in order to achieve a certain transmission quality. It is well known that this detrimental impact of frequency selectivity can be combated by frequency diversity. We revisit and further investigate an approach to frequency diversity based on the spreading of subsets of the data elements over corresponding subsets of the OFDM subcarriers and term this approach Partial Data Spreading (PDS). The size of said subsets, which we designate as spreading factor, is a design parameter of PDS, and by properly choosing , depending on the system designer's requirements, an adequate compromise between a good system performance and a low complexity can be found. We show how PDS can be combined with ML, MMSE and ZF data detection, and it is recognized that MMSE data detection offers a good compromise between performance and complexity. After having presented the utilization of PDS in OFDM transmission without FEC encoding, we also show that PDS readily lends itself for FEC encoded OFDM transmission. We display that in this case the system performance can be significantly enhanced by specific schemes of interleaving and utilization of reliabiliy information developed in the thesis. A severe problem of OFDM transmission is the large Peak-to-Average-Power Ratio (PAPR) of the OFDM symbols, which hampers the application of power efficient transmit amplifiers. Our investigations reveal that PDS inherently reduces the PAPR. Another approch to PAPR reduction is the well known scheme Selective Data Mapping (SDM). In the thesis it is shown that PDS can be beneficially combined with SDM to the scheme PDS-SDM with a view to jointly exploit the PAPR reduction potentials of both schemes. However, even when such a PAPR reduction is achieved, the amplitude maximum of the resulting OFDM symbols is not constant, but depends on the data content. This entails the disadvantage that the power amplifier cannot be designed, with a view to achieve a high power efficiency, for a fixed amplitude maximum, what would be desirable. In order to overcome this problem, we propose the scheme Optimum Clipping (OC), in which we obtain the desired fixed amplitude maximum by a specific combination of the measures clipping, filtering and rescaling. In OFDM transmission a certain number of OFDM subcarriers have to be sacrificed for pilot transmission in order to enable channel estimation in the receiver. For a given energy of the OFDM symbols, the question arises in which way this energy should be subdivided among the pilots and the data carrying OFDM subcarriers. If a large portion of the available transmit energy goes to the pilots, then the quality of channel estimation is good, however, the data detection performs poor. Data detection also performs poor if the energy provided for the pilots is too small, because then the channel estimate indispensable for data detection is not accurate enough. We present a scheme how to assign the energy to pilot and data OFDM subcarriers in an optimum way which minimizes the symbol error probability as the ultimate quality measure of the transmission. The major part of the thesis is dedicated to point-to-point OFDM transmission systems. Towards the end of the thesis we show that the PDS can be also applied to multipoint-to-point OFDM transmission systems encountered for instance in the uplinks of mobile radio systems.

This paper presents a completely systematic design procedure for asynchronous controllers.The initial step is the construction of a signal transition graph (STG, an interpreted Petri net) ofthe dialog between data path and controller: a formal representation without reference to timeor internal states. To implement concurrently operating control structures, and also to reducedesign effort and circuit cost, this STG can be decomposed into overlapping subnets. A univer-sal initial solution is then obtained by algorithmically constructing a primitive flow table fromeach component net. This step links the procedure to classical asynchronous design, in particu-lar to its proven optimization methods, without restricting the set of solutions. In contrast toother approaches, there is no need to extend the original STG intuitively.

Umgangssprachlich wurde das Wort Daten schon gebraucht, lange bevor der Computer erfundenwurdeund die AbkürzungEDV für "Elektronische Datenverarbeitung" in die Alltagssprache gelangte.So sagte beispielsweise der Steuerberater zu seinem Klienten: "Bevor ich Ihre Steuererklärung fertigmachen kann, brauche ich von Ihnen noch ein paar Daten." Oder der Straßenbaureferent einer Stadtschrieb an den Oberbürgermeister: "Für die Entscheidung, welche der beiden in Frage stehenden Stra-ßen vorrangig ausgebaut werden soll, müssen wir noch eine Datenerhebung durchführen." Bei diesenDaten ging es zwar oft um Zahlen - Geldbeträge, Anzahl der Kinder, Anzahl der Beschäftigungsmo-nate, gezählte Autos - , aber eine Gleichsetzung von Daten mit Zahlen wäre falsch. Zum einen wärenZahlen ohne mitgelieferte Wörter wie Monatseinkommen, Kinderzahl u.ä. für den Steuerberater nutz-los, zum anderen will das Finanzamt u.a. auch den Arbeitgeber des Steuerpflichtigen wissen, und dazumuß eine Adresse angegeben werden, aber keine Zahl.

Für die Systemtheorie ist der Begriff Zustand ein sehr zentraler Begriff. Das Wort "Zustand" wird um-gangssprachlich recht häufig verwendet, aber wenn man die Leute fragen würde, was sie denn meinen,wenn sie das Wort Zustand benützen, dann würde man sicher nicht die präzise Definition bekommen,die man für die Systemtheorie braucht.

Autonomous driving is disrupting the conventional automotive development. In fact, autonomous driving kicks off the consolidation of control units, i.e. the transition from distributed Electronic Control Units (ECUs) to centralized domain controllers. Platforms like Audi’s zFAS demonstrate this very clearly, where GPUs, Custom SoCs, Microcontrollers, and FPGAs are integrated on a single domain controller in order to perform sensor fusion, processing and decision making on a single Printed Circuit Board (PCB). The communication between these heterogeneous components and the algorithms for Advanced Driving Assistant Systems (ADAS) itself requires a huge amount of memory bandwidth, which will bring the Memory Wall from High Performance Computing (HPC) and data-centers directly in our cars. In this paper we highlight the roles and issues of Dynamic Random Access Memories (DRAMs) for future autonomous driving architectures.

Modern applications in the realms of wireless communication and mobile broadband Internet increase the demand for compact antennas with well defined directivity. Here, we present an approach for the design and implementation of hybrid antennas consisting of a classic feeding antenna that is near-field-coupled to a subwavelength resonator. In such a combined structure, the composite antenna always radiates at the resonance frequency of the subwavelength oscillator as well as at the resonance frequency of the feeding antenna. While the classic antenna serves as impedance-matched feeding element, the subwavelength resonator induces an additional resonance to the composite antenna. In general, these near-field coupled structures are known for decades and are lately published as near-field resonant parasitic antennas. We describe an antenna design consisting of a high-frequency electric dipole antenna at fd=25 GHz that couples to a low-frequency subwavelength split-ring resonator, which emits electromagnetic waves at fSRR=10.41 GHz. The radiating part of the antenna has a size of approximately 3.2mm×8mm×1mm and thus is electrically small at this frequency with a product k⋅a=0.5 . The input return loss of the antenna was moderate at −18 dB and it radiated at a spectral bandwidth of 120 MHz. The measured main lobe of the antenna was observed at 60∘ with a −3 dB angular width of 65∘ in the E-plane and at 130∘ with a −3 dB angular width of 145∘ in the H-plane

In Anbetracht der ständig steigenden Nachfrage nach Mobilkommunikation einerseits und der nur begrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Frequenzspektrum andererseits müssen Mobilfunksysteme der dritten Generation (3G) eine hohe Frequenzökonomie haben. Dies trifft insbesondere auf die Abwärtsstrecken dieser Systeme zu, in denen auch paketorientierte Dienste mit hohen Datenraten angeboten werden sollen. Seitens der Basisstationen kann die spektrale Effizienz der Abwärtsstrecke durch das Verwenden mehrelementiger adaptiver Sendeantennen erhöht werden. Hierzu sind leistungsfähige Signalverarbeitungskonzepte erforderlich, die die effektive Kombination der adaptiven Antennen mit der eingesetzten Sendeleistungsregelung ermöglichen. Die wichtigsten Aspekte beim Entwerfen von Signalverarbeitungskonzepten für adaptive Sendeantennen sind das Gewährleisten mobilstationsspezifischer Mindestdatenraten sowie das Reduzieren der aufzuwendenden Sendeleistungen. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, den Einsatz mehrantennenelementiger adaptiver Sendeantennen in Mobilfunksystemen der dritten Generation voranzutreiben. Existierende Konzepte werden dargestellt, vereinheitlicht, analysiert und durch eigene Ansätze des Autors erweitert. Signalverarbeitungskonzepte für adaptive Antennen benötigen als Wissensbasis zumindest einen gewissen Grad an Kenntnis über die Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke. Beim für den FDD-Modus angedachten 3G-Teilstandard WCDMA ergibt sich das Problem, daß wegen des Frequenzversatzes zwischen der Auf- und der Abwärtsstrecke die Ergebnisse der Kanalschätzung in der Aufwärtsstrecke nicht direkt zum Einstellen der adaptiven Sendeantennen verwendet werden können. Eine Möglichkeit, in FDD-Systemen an den Basisstationen ein gewisses Maß an Kenntnis über die räumlichen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke verfügbar zu machen, besteht im Ausnutzen der an den Basisstationen ermittelbaren räumlichen Korrelationsmatrizen der Mobilfunkkanäle der Aufwärtsstrecke. Diese Vorgehensweise ist nur dann sinnvoll, wenn die relevanten Einfallsrichtungen der Aufwärtsstrecke mit den relevanten Abstrahlungsrichtungen der Abwärtsstrecke übereinstimmen. Für diesen Fall wird in der vorliegenden Arbeit ein aufwandsgünstiges Verfahren zum Anpassen der adaptiven Sendeantennen erarbeitet, das nicht auf komplexen Richtungsschätzalgorithmen beruht. Eine verläßlichere Methode, an den Basisstationen ein gewisses Maß an Kenntnis über die räumlichen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke verfügbar zu machen, ist das Signalisieren von Kanalzustandsinformation, die an den Mobilstationen gewonnen wird, über einen Rückkanal an die versorgende Basisstation. Da dieses Rücksignalisieren zeitkritisch ist und die Übertragungskapazität des Rückkanals begrenzt ist, wird in der vorliegenden Arbeit ein aufwandsgünstiges Verfahren zum Vorverarbeiten und Rücksignalisieren von Kanalzustandsinformation erarbeitet.

Seit Aufkommen der Halbleiter-Technologie existiert ein Trend zur Miniaturisierung elektronischer Systeme. Dies, steigende Anforderungen sowie die zunehmende Integration verschiedener Sensoren zur Interaktion mit der Umgebung lassen solche eingebetteten Systeme, wie sie zum Beispiel in mobilen Geräten oder Fahrzeugen vorkommen, zunehmend komplexer werden. Die Folgen sind ein Anstieg der Entwicklungszeit und ein immer höherer Bauteileaufwand, bei gleichzeitig geforderter Reduktion von Größe und Energiebedarf. Insbesondere der Entwurf von Multi-Sensor-Systemen verlangt für jeden verwendeten Sensortyp jeweils gesondert nach einer spezifischen Sensorelektronik und steht damit den Forderungen nach Miniaturisierung und geringem Leistungsverbrauch entgegen. In dieser Forschungsarbeit wird das oben beschriebene Problem aufgegriffen und die Entwicklung eines universellen Sensor-Interfaces für eben solche Multi-Sensor-Systeme erörtert. Als ein einzelner integrierter Baustein kann dieses Interface bis zu neun verschiedenen Sensoren unterschiedlichen Typs als Sensorelektronik dienen. Die aufnehmbaren Messgrößen umfassen: Spannung, Strom, Widerstand, Kapazität, Induktivität und Impedanz. Durch dynamische Rekonfigurierbarkeit und applikationsspezifische Programmierung wird eine variable Konfiguration entsprechend der jeweiligen Anforderungen ermöglicht. Sowohl der Entwicklungs- als auch der Bauteileaufwand können dank dieser Schnittstelle, die zudem einen Energiesparmodus beinhaltet, erheblich reduziert werden. Die flexible Struktur ermöglicht den Aufbau intelligenter Systeme mit sogenannten Self-x Charakteristiken. Diese betreffen Fähigkeiten zur eigenständigen Systemüberwachung, Kalibrierung oder Reparatur und tragen damit zu einer erhöhten Robustheit und Fehlertoleranz bei. Als weitere Innovation enthält das universelle Interface neuartige Schaltungs- und Sensorkonzepte, beispielsweise zur Messung der Chip-Temperatur oder Kompensation thermischer Einflüsse auf die Sensorik. Zwei unterschiedliche Anwendungen demonstrieren die Funktionalität der hergestellten Prototypen. Die realisierten Applikationen haben die Lebensmittelanalyse sowie die dreidimensionale magnetische Lokalisierung zum Gegenstand.

Ausgehend von den Batterien nach dem Stand der Technik werden die Einflüsse auf diese untersucht. Es stellt sich heraus, dass vor allem Batterien für den Einsatz in der Traktion und in stationären Anlagen nur mit nicht zu vernachlässigenden Toleranzen gefertigt werden können. Dazu kommt der Einfluss durch den Betrieb, der in Verbindung mit der Fertigungstoleranz und der Lagerbeanspruchung eine Überwachung der Batterie mit einem elektronischen Überwachungs- und Steuergerät, einem sogenannten Batteriemanagementsystem, zwingend notwendig macht. Nur damit kann die aktuelle Qualität einer Batterie erhalten oder verbessert werden. Es folgt eine Klassifizierung von Batteriemanagementsystemen, die ihrerseits in elektrisches Batteriemanagement, thermisches Batteriemanagement und Ladeausgleich aufgeteilt werden. Für diese drei Teileinheiten werden jeweils eine Reihe von Topologien definiert. Das Batteriemanagementsystem mit verteilten Datenerfassungseinheiten und Energiezuführung für den Ladeausgleich wird als Beispiel für eine Geräteentwicklung detailliert beschrieben. Grundlegend für Batteriemanagementsysteme sind deren Algorithmen. Nach der Definition der elektrischen und thermischen Betriebsbereiche verschiedener Batterien werden typische Algorithmen für den Lade- und Entladebetrieb vorgestellt. Weiter werden Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Ladezustandes einer Batterie diskutiert. Im Falle eines Betriebes in einem Inselnetz geht in die aktuelle Qualität einer Batterie auch der Isolationswiderstand mit ein. Näher beschrieben wird ein Gerät zur Messung des Isolationswiderstandes. Das Batteriemanagement fordert eine hohe Genauigkeit bei der Datenerfassung. Es werden typische Datenerfassungseinheiten und Sensoren auf ihre Fehlerquellen und die daraus resultierenden Toleranzen untersucht. Weiter werden Kalibrierungsmöglichkeiten diskutiert. Ein weiterer Punkt ist der Test von Batteriemanagementsystemen. Ein Test mit einer realen Batterie nimmt eine längere Zeit in Anspruch. Außerdem besteht dabei die Gefahr einer Schädigung der Batterie. Es wird ein rechnergestütztes System zum Test des elektrischen Batteriemanagements vorgestellt. Abschließend werden integrierte Batteriemanagementsysteme, die im Gerätebereich Anwendung finden, klassifiziert. Es wird gezeigt, dass diese integrierten Lösungen als Ersatz für Datenerfassungseinheiten bei Batterien im Traktions- und Stationärbetrieb eingesetzt werden können. Insgesamt wird nachgewiesen, dass elektronische Überwachungs- und Steuergeräte unabhängig vom Batterietyp und der Einsatzart zum Erhalt oder zur Verbesserung der aktuellen Qualität von Batterien nicht nur sinnvoll sondern für neuere Batterietechnologien unbedingt notwendig sind.

In heutigen Mobilfunksystemen wird ausschließlich senderorientierte Funkkommunikation eingesetzt. Bei senderorientierter Funkkommunikation beginnt der Systementwurf mit dem Sender. Dies bedeutet, daß man a priori die senderseitig verwendeten Algorithmen der Sendesignalerzeugung auswählt und in Abhängigkeit davon a posteriori den im Empfänger zum Datenschätzen verwendeten Algorithmus gegebenenfalls unter Einbeziehen von Kanalzustandsinformation festlegt. Dies ist nötig, um beispielsweise einen möglichst großen Anteil der senderseitig investierten Energie empfängerseitig auszunutzen, das heißt energieeffizient zu sein, und dabei gleichzeitig das Entstehen schädlicher Interferenzsignale zu vermeiden oder zu begrenzen. Im Falle der Senderorientierung kann man senderseitig sehr einfache Algorithmen wählen und implementieren, wobei dieser Vorteil typischerweise durch eine ungleich höher Implementierungskomplexität der a posteriori festzulegenden empfängerseitigen Algorithmen aufgewogen werden muß. Betrachtet man die wirtschaftlich bedeutenden zellularen Mobilfunksysteme, so ist eine derartige Funkkommunikation in der Aufwärtsstrecke vorteilhaft, denn in der Aufwärtsstrecke sind die Endgeräte der mobilen Teilnehmer, die Mobilstationen, die einfachen Sender, wohingegen die ortsfesten Basisstationen die Empfänger sind - und dort kann typischerweise eine größere Komplexität in Kauf genommen werden. In der Abwärtsstrecke derartiger Mobilfunksysteme hingegen, sind die Basisstationen die einfachen Sender, wohingegen die Mobilstationen die aufwendigen Empfänger sind. Dies ist nicht vorteilhaft, da in praktischen Mobilfunksystemen Gewicht, Volumen, Energieverbrauch und Kosten der Endgerätehardware und damit der Mobilstationen mit der Implementierungskomplexität steigen. Wie der Verfasser in der vorliegenden Schrift vorschlägt, läßt sich dieses Problem jedoch umgehen, denn die Funkkommunikation in Mobilfunksystemen kann auch in neuartiger Weise empfängerorientiert gestaltet werden. Empfängerorientierte Funkkommunikation ist dadurch gekennzeichnet, daß der Systementwurf auf der Empfängerseite beginnt. In diesem Fall werden die empfängerseitig verwendeten Algorithmen des Datenschätzens a priori festgelegt, und die senderseitig einzusetzenden Algorithmen der Sendesignalerzeugung ergeben sich dann daraus a posteriori durch Adaption wiederum gegebenenfalls unter Einbeziehen von Kanalzustandsinformation. Durch Empfängerorientierung kann man empfängerseitig sehr einfache Algorithmen wählen und implementieren, muß dafür jedoch eine höhere Implementierungskomplexität auf der Senderseite tolerieren. Angesichts der erwähnten Komplexitätscharakteristika von Sender- beziehungsweise Empfängerorientierung schlägt der Verfasser daher für künftige Mobilfunksysteme vor, Empfängerorientierung in der Abwärtsstrecke und Senderorientierung in der Aufwärtsstrecke einzusetzen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da Empfängerorientierung in der Abwärtsstrecke neben anderen noch die folgenden weiteren Vorteile gegenüber herkömmlicher Senderorientierung aufweist: 1) Die Leistung der von den Basisstationen abgestrahlten Signale kann reduziert werden. Dies erlaubt performanzhemmende systeminherente Störeinflüsse, die als Interzellinterferenz bezeichnet werden, zu reduzieren und ist im übrigen auch wünschenswert im Hinblick auf die zunehmende Elektrophobie der Bevölkerung. 2) Kanalzustandsinformation wird empfängerseitig nicht benötigt, so daß auf das Senden resourcenbindender Trainingssignale verzichtet und anstelle dessen das Sende von Nutzdaten ermöglicht werden kann. 3) Empfängerseitig ist kein Kanalschätzer vorzusehen, was des weiteren der Implementierungskomplexität des Empfängers zu gute kommt. Mobilfunksysteme lassen sich demzufolge durch Einsetzen des Grundkonzepts der Empfängerorientierung maßgeblich aufwerten. Dieses ist eine klare Motivation die Grundzüge, das Potential und die Ausgestaltungen dieses Grundkonzepts in der Mobilkommunikation in dieser Schrift eingehend zu studieren. Zur Klärung dieser Punkte im Kontext von Mobilkommunikation ist es entscheidend, die Frage der Wahl der Empfänger und die der Adaption der Sender zu beantworten. Die Frage nach der Adaption der Sender ist dabei gleichbedeutend mit der Frage nach der im allgemeinen auf Basis aller Daten erfolgenden gemeinsamen Sendesignalerzeugung. Nach der Einführung eines geeigneten allgemeinen Modells der Abwärtsstreckenübertragung eines zellularen Mobilfunksystems, das auch erst in jüngster Vergangenheit vorgeschlagene Mehrantennenkonfigurationen an den Basisstationen und Mobilstationen einschließt, wird hinsichtlich der A-priori-Wahl der Empfänger herausgestellt, daß, im Hinblick auf die bereits oben angesprochene möglichst geringe Implementierungskomplexität die Ausgestaltung der empfängerseitigen Signalverarbeitung als serielle Verkettung einer linearen Signalverarbeitung und eines nichtlinearen Quantisierers vorteilhaft ist. Die Prinzipien, die bei der Wahl sowohl der linearen Signalverarbeitung als auch des nichtlinearen Quantisierer gelten, werden im folgenden herausgearbeitet. Als Ergebnis dieser Betrachtungen stellt sich heraus, daß ein Gestalten der empfängerseitigen linearen Signalverarbeitung gemäß Codemultiplex hinsichtlich der ausnutzbaren Frequenz-, Zeit- und Raumdiversität vorteilhaft ist, jedoch leistungsfähige Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung voraussetzt, die die Entstehung schädlicher Interferenzsignale verhindern. Des weiteren wird klar, daß sich die nichtlinearen Quantisierer sinnvollerweise in die Klasse der konventionellen und die der unkonventionellen Quantisierer unterteilen lassen; gleiches gilt für die diese Quantisierer verwendenden Empfänger. Konventionelle Quantisierer basieren auf einfach zusammenhängenden Entscheidungsgebieten, wobei jedes Entscheidungsgebiet eindeutig einer möglichen Ausprägung eines übertragenen Nachrichtenelements zugeordnet ist. Demgegenüber weisen unkonventionelle Quantisierer mehrfach zusammenhängende Entscheidungsgebiete auf, die sich jeweils aus mehreren Teilentscheidungsgebieten zusammensetzen. Das Vorhandensein mehrerer Teilentscheidungsgebiete pro Entscheidungsgebiet und damit pro Ausprägung eines übertragenen Nachrichtenelements stellt einen bei unkonventionellen Quantisierern verfügbaren zusätzlichen Freiheitsgrad dar, der bei der gemeinsamen Sendesignalerzeugung vorteilhaft genutzt werden kann, um die angesprochene Leistung der von den Basisstationen abgestrahlten Signale zu reduzieren. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Schrift ist das Studium von Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung. Diese werden daher systematisch gegliedert und erarbeitet. Es stellt sich heraus, daß Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung prinzipiell unterteilt werden können in solche Verfahren für konventionelle Empfänger und solche für unkonventionelle Empfänger. Hinsichtlich Verfahren der erstgenannten Art wird herausgearbeitet, wie eine optimale gemeinsame Sendesignalerzeugung zu erfolgen hat, die unter gewissen Nebenbedingungen eine optimale Übertragungsqualität im Sinne minimaler Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit erzielt. Eine derartige gemeinsame Sendesignalerzeugung ist im allgemeinen recht aufwendig, so daß im Folgeverlauf die suboptimalen linearen Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung Transmit Matched Filter (TxMF), Transmit Zero-Forcing (TxZF) und Transmit Minimum-Mean-Square-Error (TxMMSE) vorgeschlagen werden, die jeweils einen mehr oder weniger guten Kompromiß zwischen Implementierungskomplexität, Interferenzunterdrückung und Robustheit hinsichtlich Rauschens aufweisen. Der Verfasser schlägt vor, die Leistungsfähigkeit derartiger suboptimaler Verfahren unter anderem durch die bei gegebener Zeitdauer abgestrahlte totale Energie der Sendesignale, die totale Sendeenergie, - denn diese ist nicht nur im technischen, sondern auch im gesellschaftlichen Sinn ein wichtiger Aspekt, - und das Kriterium der Sendeeffizienz zu bewerten. Sendeeffizienz beurteilt das Zusammenspiel aus Interferenzunterdrückung einerseits und energieeffizienter Übertragung andererseits. Es stellt sich durch analytische und numerische Betrachtungen heraus, daß beide Größen vorrangig von zwei Einflußfaktoren bestimmt werden: der Anzahl der Freiheitsgrade bei der gemeinsamen Sendesignalerzeugung - und das ist die Anzahl der zu bestimmenden Abtastwerte aller Sendesignale - und der Anzahl der dabei einzuhaltenden Restriktionen. Da die Anzahl der Restriktionen bei der Forderung einer möglichst geringen wechselseitigen Interferenz nicht beeinflußbar ist, schlägt der Verfasser daher zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit der empfängerorientierten Funkkommunikation vor, die Anzahl der Freiheitsgrade zu erhöhen, was sich vorzugsweise durch Verfolgen des Prinzips der unkonventionellen Empfänger umsetzen läßt. Es wird gezeigt, wie unter gewissen Nebenbedingungen eine hinsichtlich der Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeiten optimale gemeinsame Sendesignalerzeugung prinzipiell erfolgen muß, und welche erheblichen Performanzgewinne im Sinne der totalen Sendeenergie und der Sendeeffizienz möglich werden. Diese optimale Vorgehensweise ist sehr aufwendig, so daß darüber hinaus aufwandsgünstige suboptimale hochperformante Alternativen der gemeinsamen Sendesignalerzeugung für unkonventionelle Empfänger vorgeschlagen und betrachtet werden. Die gemeinsame Sendesignalerzeugung setzt senderseitiges Vorliegen von Kanalzustandsinformation voraus. Daher werden die prinzipiellen Möglichkeiten des zur Verfügung Stellens dieser Information behandelt, wobei dabei das Bereitstellen dieser Information auf Basis gegebenenfalls vorliegender Kanalreziprozität im Falle von Duplexübertragung favorisiert wird. Dabei wird die in der Aufwärtsstrecke gewonnene Kanalzustandsinformation zur gemeinsamen Sendesignalerzeugung in der Abwärtsstrecke genutzt. Ist die dabei genutzte Kanalzustandsinformation nicht exakt, so hat dieses prinzipiell eine Degradation der Leistungsfähigkeit der empfängerorientierten Funkkommunikation zur Folge. Analytische und/oder numerische Betrachtungen erlauben, die Degradation zu quantifizieren. Es stellt sich heraus, daß diese Degradation vergleichbar mit der von konventionellen senderorientierten Funkkommunikationssystemen bekannten ist. Eine Betrachtung möglicher Weiterentwicklungen des Grundprinzips der Empfängerorientierung komplettieren die in dieser Schrift angestellten Betrachtungen. Die Ergebnisse dieser Schrift belegen, daß Empfängerorientierung ein interessanter Kandidat für die Organisation der Abwärtsstreckenübertragung künftiger Mobilfunksysteme ist. Darüber hinaus wird klar, welche grundsätzlichen Prinzipien und Effekte bei der empfängerorientierten Funkkommunikation wirksam sind und durch welche Vorgehensweisen bei der Gestaltung derartiger Funkkommunikation die Einflüsse der verschiedenen Effekte gegeneinander ausbalanciert werden können. Für den Systemdesigner morgiger Mobilfunksysteme steht mit dieser Schrift daher ein wertvolles Nachschlagewerk zur Verfügung, daß dabei unterstützt, die genannten prinzipiellen Vorteile von Empfängerorientierung in Funktechnologien der Praxis umzumünzen.

In this paper, we show the feasibility of low supply voltage for SRAM (Static Random Access Memory) by adding error correction coding (ECC). In SRAM, the memory matrix needs to be powered for data retentive standby operation, resulting in standby leakage current. Particularly for low duty- cycle systems, the energy consumed due to standby leakage current can become significant. Lowering the supply voltage (VDD) during standby mode to below the specified data retention voltage (DRV) helps decrease the leakage current. At these VDD levels errors start to appear, which we can remedy by adding ECC. We show in this paper that addition of a simple single error correcting (SEC) ECC enables us to decrease the leakage current by 45% and leakage power by 72%. We verify this on a large set of commercially available standard 40nm SRAMs.

Die typische Aufgabe eines Nahbereichsradarnetzes ist es, Fahrzeuge in einem definierten Überwachungsbereich, beispielsweise dem Rollfeld eines Flughafens, zu detektieren, zu orten und ihre Spur zu verfolgen. Wegen der stark unterschiedlichen Radarrückstreuquerschnitte der Radarziele sind die Anforderungen an den verfügbaren Dynamikbereich der einzelnen eingesetzten Radarempfänger sehr hoch. Bei niedriger Radarsignalleistung ist daher die Verwendung eines Impulskompressionsverfahrens notwendig. Beim Nahbereichsnetz NRN, im Rahmen dessen Entwicklung auch die vorliegende Arbeit entstand, wird zudem ein neuartiges Ortungsprinzip eingesetzt, weshalb die Radarstationen mit feststehenden, d. h. nicht-rotierenden Antennen mit breiter Antennencharakteristik ausgestattet werden können. Radarsignale setzen sich aus den Echosignalen von den Radarsendeimpuls reflektierenden Objekten, sowie dem Rauschen zusammen. Bei den reflektierenden Objekten handelt es nicht nur um die interessierenden Radarziele, d. h. die zu detektierenden Fahrzeuge. Wegen der Bodennähe, in der ein Nahbereichsradarnetz betrieben wird, sowie der zumindest beim NRN breiten Antennencharakteristiken erfaßt der Radastrahl eine Vielzahl weiterer Radarreflektoren, deren Echosignal, Cluttersignal genannt, das eigentliche Nutzsignalüberlagert. Darüberhinaus verursacht der Einsatz eines Impulskompressionsverfahrens i. a. eine künstliche störende Signalkomponente, die sogenannten Impulskompressionsnebenmaxima, die auch Eigenclutter genannt werden. Durch den Einsatz eines erwartungstreuen Impulskompressionsverfahrens beim NRN wird theoretisch keine Eigenclutterkomponente erzeugt. Es existieren jedoch Effekte, die die Eigenclutterfreiheit zerstören. Diese werden im ersten Teil der Arbeit untersucht. Es wird gezeigt, wie die Eigenclutterfreiheit wiederhergestellt werden kann. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Cluttersignal von reflektierenden Objekten anhand von mit dem NRN gemessenen Signalzeitreihen analysiert. Ein Modell zur Beschreibung des Cluttersignals wird entwickelt. Mit den Methoden der Detektionstheorie wird ein optimales Filter- und Detektionsverfahren für ein vollständig unbekanntes Nutzsignal in einem durch dieses Modell beschreibbaren Störsignal abgeleitet. Um dieses Verfahren einzusetzen, ist die Kenntnis der Modellparameter erforderlich. Prinzipiell existieren verschiedene Methoden, die sich im Laufe der Zeit verändernden Modellparameter zu schätzen. Das Filter- und Detektionsverfahren kann dann stetig an die aktuellen Schätzungen der Parameter des Cluttersignalmodells adaptiert werden. Die Schätzung liefert jedoch im Falle des Vorhandenseins von Nutzsignalkomponenten verfälschte Parameterwerte. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Adaptionskontrolle vorgeschlagen, die den Einfluß dieser verfälschten Parameterschätzungen auf die Nutzsignaldetektion minimieren. Damit existiert ein Algorithmus, der adaptiv aus dem Echosignal cluttersignalbeschreibende Parameter bestimmt, die ihrerseits von einem Filter- und Detektionsalgorithmus verwendet werden, um ein eventuell im Echosignal vorhandenes Nutzsignal optimal zu detektieren. Anhand von Radarechosignalen, die mit dem NRN bei Meßkampagnen aufgezeichnet wurden, sowie anhand von Simulationen wurde schließlich die Leistungsfähigkeit des entwickelten adaptiven Filter- und Detektionsverfahrens mit Adaptionskontrolle beim Einsatz in einem Nahbereichsradarnetz gezeigt.

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.

In DS-CDMA, spreading sequences are allocated to users to separate different links namely, the base-station to user in the downlink or the user to base station in the uplink. These sequences are designed for optimum periodic correlation properties. Sequences with good periodic auto-correlation properties help in frame synchronisation at the receiver while sequences with good periodic cross- correlation property reduce cross-talk among users and hence reduce the interference among them. In addition, they are designed to have reduced implementation complexity so that they are easy to generate. In current systems, spreading sequences are allocated to users irrespective of their channel condition. In this thesis, the method of allocating spreading sequences based on users’ channel condition is investigated in order to improve the performance of the downlink. Different methods of dynamically allocating the sequences are investigated including; optimum allocation through a simulation model, fast sub-optimum allocation through a mathematical model, and a proof-of-concept model using real-world channel measurements. Each model is evaluated to validate, improvements in the gain achieved per link, computational complexity of the allocation scheme, and its impact on the capacity of the network. In cryptography, secret keys are used to ensure confidentiality of communication between the legitimate nodes of a network. In a wireless ad-hoc network, the broadcast nature of the channel necessitates robust key management systems for secure functioning of the network. Physical layer security is a novel method of profitably utilising the random and reciprocal variations of the wireless channel to extract secret key. By measuring the characteristics of the wireless channel within its coherence time, reciprocal variations of the channel can be observed between a pair of nodes. Using these reciprocal characteristics of common shared secret key is extracted between a pair of the nodes. The process of key extraction consists of four steps namely; channel measurement, quantisation, information reconciliation, and privacy amplification. The reciprocal channel variations are measured and quantised to obtain a preliminary key of vector bits (0; 1). Due to errors in measurement, quantisation, and additive Gaussian noise, disagreement in the bits of preliminary keys exists. These errors are corrected by using, error detection and correction methods to obtain a synchronised key at both the nodes. Further, by the method of secure hashing, the entropy of the key is enhanced in the privacy amplification stage. The efficiency of the key generation process depends on the method of channel measurement and quantisation. Instead of quantising the channel measurements directly, if their reciprocity is enhanced and then quantised appropriately, the key generation process can be made efficient and fast. In this thesis, four methods of enhancing reciprocity are presented namely; l1-norm minimisation, Hierarchical clustering, Kalman filtering, and Polynomial regression. They are appropriately quantised by binary and adaptive quantisation. Then, the entire process of key generation, from measuring the channel profile to obtaining a secure key is validated by using real-world channel measurements. The performance evaluation is done by comparing their performance in terms of bit disagreement rate, key generation rate, test of randomness, robustness test, and eavesdropper test. An architecture, KeyBunch, for effectively deploying the physical layer security in mobile and vehicular ad-hoc networks is also proposed. Finally, as an use-case, KeyBunch is deployed in a secure vehicular communication architecture, to highlight the advantages offered by physical layer security.

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.

While the computing industry has shifted from single-core to multi-core processors for performance gain, safety-critical systems (SCSs) still require solutions that enable their transition while guaranteeing safety, requiring no source-code modifications and substantially reducing re-development and re-certification costs, especially for legacy applications that are typically substantial. This dissertation considers the problem of worst-case execution time (WCET) analysis under contentions when deadline-constrained tasks in independent partitioned task set execute on a homogeneous multi-core processor with dynamic time-triggered shared memory bandwidth partitioning in SCSs. Memory bandwidth in multi-core processors is shared across cores and is a significant cause of performance bottleneck and temporal variability of multiple-orders in task’s execution times due to contentions in memory sub-system. Further, the circular dependency is not only between WCET and CPU scheduling of others cores, but also between WCET and memory bandwidth assignments over time to cores. Thus, there is need of solutions that allow tailoring memory bandwidth assignments to workloads over time and computing safe WCET. It is pragmatically infeasible to obtain WCET estimates from static WCET analysis tools for multi-core processors due to the sheer computational complexity involved. We use synchronized periodic memory servers on all cores that regulate each core’s maximum memory bandwidth based on allocated bandwidth over time. First, we present a workload schedulability test for known even-memory-bandwidth-assignment-to-active-cores over time, where the number of active cores represents the cores with non-zero memory bandwidth assignment. Its computational complexity is similar to merge-sort. Second, we demonstrate using a real avionics certified safety-critical application how our method’s use can preserve an existing application’s single-core CPU schedule under contentions on a multi-core processor. It enables incremental certification using composability and requires no-source code modification. Next, we provide a general framework to perform WCET analysis under dynamic memory bandwidth partitioning when changes in memory bandwidth to cores assignment are time-triggered and known. It provides a stall maximization algorithm that has a complexity similar to a concave optimization problem and efficiently implements the WCET analysis. Last, we demonstrate dynamic memory assignments and WCET analysis using our method significantly improves schedulability compared to the stateof-the-art using an Integrated Modular Avionics scenario.

Nach einer Einführung in die zur Erfassung inkorporaler Meßgrößen und zur Meßdatenübertragung verwendeten Verfahren wird in dieser Arbeit ein Konzept vorgestellt, das die Entwicklung implantierbarer Meßsysteme in den ersten Entwurfsphasen unterstützt. Im Anschluß wird die mit dem Konzept durchgeführte Entwicklung eines multisensorischen Meß- und Überwachungssystems beschrieben. Zur Ableitung des Entwurfskonzepts werden die an implantierbare Meßsysteme gestellten Anforderungen analysiert. Dabei findet eine Unterteilung in klassenspezifische und applikationsspezifische Anforderungen statt. Aus den klassenspezifischen Anforderungen dieser Aufstellung wird ein für die hier untersuchten Meßsysteme allgemein gültiges, in Funktionsblöcke und Funktionsgruppen untergliedertes, Strukturmodell erstellt. Zum Entwurf der untereinander in Verbindung stehenden Komponenten dieses Strukturmodells wird eine Reihenfolge vorgegeben, die vorhandene Abhängigkeiten zwischen den Funktionseinheiten berücksichtigt. Anschließend werden in der Entwurfsreihenfolge und unter Berücksichtigung der applikationsspezifischen Anforderungen die einzelnen Funktionsblöcke im Detail spezifiziert und für jeden der Funktionsblöcke eine Anforderungsliste erstellt. Unter Verwendung der Anforderungslisten werden die Funktionsgruppen bestimmt. Eine dieser Funktionsgruppen ist die drahtlose Energieversorgung. Zu deren Entwurf wird ein Verfahren vorgestellt, mit dem induktive Übertragungsstrecken berechnet werden können. Mit der Verwendung des beschriebenen Konzepts wird der Entwickler eines implantierbaren Meßsystems insbesondere in der Systemspezifikation und der Systempartitionierung unterstützt. Der aufgestellte Anforderungskatalog erleichtert ihm die Spezifikation des Meßsystems. Zu jedem der Funktionsblöcke des allgemein geltenden Strukturmodells erhält der Entwickler eine applikationsabhängige Detailspezifikation, die ihm die Bestimmung der zum Aufbau der Funktionsblöcke erforderlichen Funktionsgruppen ermöglicht. So entsteht eine detaillierte Aufbaustruktur des zu entwerfenden Meßsystems, in der alle an das System gestellten Anforderungen berücksichtigt sind. Damit steht eine fundierte Ausgangsbasis zur Entwicklung der Funktionsgruppen zur Verfügung. Das Verfahren zum Entwurf induktiver Energieübertragungsstrecken unterstützt die Entwicklung drahtlos gespeister Meßsysteme. Der Entwurf der restlichen Funktionsgruppen wird mit bereits etablierten Methoden und Werkzeugen durchgeführt. Die Verifikation des gesamten Meßsystems erfolgt mit einem aus den Funktionsgruppen aufgebauten Prototypen. Unter Verwendung des Entwurfskonzepts wurde ein implantierbares Meßsystem für eine neue Osteosyntheseplatte entwickelt, die zur Versorgung von Knochenfrakturen verwendet wird. Die Platte verfügt über besondere mechanische Eigenschaften, die eine verbesserte Frakturheilung versprechen. Zur Beobachtung der Knochenheilung werden bislang Röntgenaufnahmen eingesetzt. Das in die neue Osteosyntheseplatte integrierte Meßsystem hingegen ermöglicht die Erfassung mehrerer Meßwerte direkt am Knochen. Damit ergibt sich eine erheblich verbesserte Diagnostik ohne Strahlenbelastung des Patienten. Neben der Erforschung des Verbundes Knochen-Implantat erlauben die verbesserten Diagnosemöglichkeiten die Einleitung gezielterer Rehabilitations-Maßnahmen. In Verbindung mit der verbesserten Frakturheilung sollen so optimale Behandlungsergebnisse erzielt und die Behandlungszeiten verkürzt werden.

Mit dem Vorhandensein elektrischer Energie und moderner Sensorik an elektrisch unterstützten Fahrrädern eröffnen sich neue Möglichkeiten der Entwicklung von Fahrerassistenzsystemen am Pedelec zur Erhöhung der Sicherheit und des Fahrkomforts. Die Leistungsfähigkeit solcher Systeme kann durch die Nutzung von Inertialsensorik weiter gesteigert werden. Jedoch müssen solche Sensoren, vor allem bei sicherheitsrelevanten Assistenzsystemen, zuverlässige, robuste und plausible Sensordaten liefern. Hieraus ergibt sich das Thema dieser Arbeit: die Evaluation von Inertialsensorik für Fahrerassistenzsysteme am Pedelec anhand systematischer Untersuchung der Fahrdynamik. Durch simulative und experimentelle Untersuchungen der MEMS-Sensorik und der Fahrdynamik, basierend auf Testkatalogen, werden die Anforderungen an Inertialsensorik abgeleitet und die Störbarkeit der Drehrate analysiert. Dabei führt die Betrachtung verschiedener Sensortypen, Fahrszenarien und Anbaupositionen zu der Erkenntnis, dass bspw. die Anbauposition am Sattelrohr und in der Antriebseinheit besonders geeignet sind. Vor allem der betrachtete Automotive-MEMS-Sensor liefert auch bei potentiell kritischen Vibrationen bei einer Fahrt über Kopfsteinpflaster oder über Treppenstufen sowie bei Bremsenquietschen zuverlässig plausible Sensordaten. Zusätzlich zeigt eine Betrachtung der Auswirkungen von Sensorfehlern auf eine Datenfusion, d.h. der Berechnung der Raumwinkel, dass vor allem die Minimierung des Offset-Fehlers, bspw. durch eine Langzeitkorrektur, sinnvoll erscheint und resultierende Winkelfehler minimieren kann. Die Untersuchung der Fahrdynamik betrachtet insbesondere das Fahrszenario (kritische) Kurvenfahrt. Anhand der Fahrdaten zahlreicher Pedelec-Nutzer werden eine Methode zur Erkennung von Kurvenfahrten sowie theoretische Ansätze zur Vermeidung einer kritischen Kurvenfahrt durch einen aktiven Lenkeingriff realisiert.

Eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit von Mobilfunksystemen und die damit verbundene Erhöhung des mit begrenzten Frequenzspektrumsressourcen erzielbaren ökonomischen Gewinns erfordert eine Interferenzreduktion. Da der von einem empfangenen Interferenzsignal erzeugte Störeffekt sowohl von der Leistung des Interferenzsignals als auch von der Struktur des Interferenzsignals im Vergleich zur Struktur des Nutzsignals abhängt, ergeben sich zwei prinzipielle Ansätze zur Reduktion der Interferenz. Bei den Interferenzreduktionsverfahren auf der Systemebene wird die Leistung der empfangenen Interferenzsignale zum Beispiel durch geschickte Regelung der Sendeleistungen oder durch Einstellen der Richtcharakteristiken von Antennen reduziert. Interferenzreduktionsverfahren auf der Systemebene sind relativ einfach realisierbar und können bereits in heutigen Mobilfunksystemen erfolgreich eingesetzt werden. Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene zielen auf eine vorteilhafte Beeinflussung oder Berücksichtigung der Signalstrukturen. Ausgehend von allgemeingültigen Eigenschaften des Mobilfunkkanals wie Linearität kann man Signalstrukturen finden, die a priori zu wenig oder sogar keiner schädlichen Interferenz führen. Solche einfachste, vom aktuellen Zustand des Mobilfunkkanals unabhängigen Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene sind beispielsweise die Vielfachzugriffsverfahren, die in jedem Mobilfunksystem eingesetzt werden. In letzter Zeit werden auch vermehrt Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene untersucht, die die Kenntnis des aktuellen Kanalzustands ausnutzen. Solche Interferenzreduktionsverfahren erfordern komplizierte Berechnungen in Sender oder Empfänger, in die die einzelnen Signalabtastwerte und die schnell zeitvarianten Kanalimpulsantworten eingehen. Der daraus resultierende hohe Rechenaufwand verhinderte bis vor kurzem eine Realisierung in kommerziellen Produkten. Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene kann man in senderseitige Verfahren und empfängerseitige Verfahren unterteilen. Die senderseitigen Verfahren versuchen, durch geschickte Gestaltung der Sendesignale schädliche Interferenzen zu vermeiden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Schrift ist das Untersuchen empfängerseitiger Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene. Hier interessiert neben der gemeinsamen Kanalschätzung insbesondere die gemeinsame Datenschätzung. Ein wesentliches Problem bei der empfängerseitigen Interferenzreduktion auf der Verbindungsebene ist die erhöhte Anzahl zu berücksichtigender Mobilstationen bei der gemeinsamen Datenschätzung. Im Vergleich zu Empfängern ohne Interferenzreduktion müssen mehr Daten aus einer unveränderten Anzahl an verfügbaren Empfangswerten geschätzt werden, was zu einem verminderten Mehrteilnehmercodierungsgewinn des Datenschätzers führt. Verfahren der gemeinsamen Datenschätzung können nur dann gewinnbringend eingesetzt werden, wenn der negative Effekt des verminderten Mehrteilnehmercodierungsgewinns durch den positiven Effekt der reduzierten Interferenz mindestens kompensiert wird. Diese Forderung ist bei der Interzellinterferenzreduktion besonders kritisch, da die einzelnen Interzellinterferer häufig nur mit geringer Leistung empfangen werden, das heißt der positive Effekt der reduzierten Interferenz bei Berücksichtigen eines Interzellinterferers relativ gering ausfällt. Eine Voraussetzung zur erfolgreichen Interferenzreduktion und insbesondere zur Interzellinterferenzreduktion sind folglich Datenschätzer mit hohem Mehrteilnehmercodierungsgewinn. Die bekannten linearen gemeinsamen Datenschätzer wie der Zero-Forcing-Schätzer können diese Forderung nach hohem Mehrteilnehmercodierungsgewinn bei größeren Anzahlen gemeinsam detektierter Mobilstationen nicht erfüllen. Ein mögliche Lösung zum Erzielen hoher Mehrteilnehmercodierungsgewinne mit moderaten Rechenaufwänden sind die in der vorliegenden Schrift untersuchten, auf dem Turbo-Prinzip basierenden iterativen gemeinsamen Datenschätzer. Prinzipiell handelt es sich bei den hier untersuchten Datenschätzern um iterative Versionen der bekannten linearen gemeinsamen Datenschätzer, die um einen nichtlinearen Schätzwertverbesserer erweitert werden. Der nichtlineare Schätzwertverbesserer nutzt die Kenntnis des Modulationsalphabets und optional des eingesetzten Fehlerschutzcodes zum Verbessern der Schätzergebnisse. Die vielen vorgestellten Varianten der iterativen gemeinsamen Datenschätzer und die verschiedenen Schätzwertverbesserer bilden eine Art Baukastensystem, das es erlaubt, für jeden Anwendungsfall einen maßgeschneiderten gemeinsamen Datenschätzer zu konstruieren.

Chisel (Constructing Hardware in a Scala embedded language) is a new programming language, which embedded in Scala, used for hardware synthesis. It aims to increase productivity when creating hardware by enabling designers to use features present in higher level programming languages to build complex hardware blocks. In this paper, the most advertised features of Chisel are investigated and compared to their VHDL counterparts, if present. Afterwards, the authors’ opinion if a switch to Chisel is worth considering is presented. Additionally, results from a related case study on Chisel are briefly summarized. The author concludes that, while Chisel has promising features, it is not yet ready for use in the industry.

Der zunehmende Ausbau dezentraler Erzeugungsanlagen sowie die steigende Anzahl an Elektrofahrzeugen stellen die Niederspannungsnetze vor neue Herausforderungen. Neben der Einhaltung des zulässigen Spannungsbands führen Erzeugungsanlagen und neue Lasten zu einer zunehmenden thermischen Auslastung der Leitungen. Einfache, konventionelle Maßnahmen wie Topologieänderungen zu vermascht betriebenen Niederspannungsnetzen sind ein erster hilfreicher und kostengünstiger Ansatz, bieten aber keinen grundsätzlichen Schutz vor einer thermischen Überlastung der Betriebsmittel. Diese Arbeit befasst sich mit der Konzeption eines Spannungs- und Wirkleistungsreglers für vermaschte Niederspannungsnetze. Durch den Regler erfolgt eine messtechnische Erfassung der Spannungen und Ströme in einzelnen Messpunkten des Niederspannungsnetzes. Mit Hilfe eines speziellen Kennlinienverfahrens kann eine Leistungsverschiebung in einzelnen Netzmaschen hervorgerufen und vorgegebene Soll- oder Grenzwerte eingehalten werden. In vorliegender Arbeit werden die analytischen Grundlagen des Reglers, seine Hardware sowie das Kennlinienverfahren zusammen mit den realisierbaren Regelkonzepten vorgestellt. Die Ergebnisse aus Simulationsstudien, Labor- und Feldtests stellen die Effektivität des Reglers eindeutig dar und werden diskutiert.

Durch den zunehmenden Anteil erneuerbarer Erzeugung und die voranschreitende Elektrifizierung von Verkehrs- und Wärmesektor gewinnt die Möglichkeit, den Netzzustand im Verteilnetz zu kennen und steuern zu können, für die Netzbetreiber immer mehr an Bedeutung. Im Forschungsprojekt "SmartAPO" wurde ein Netzautomatisierungssystem entwickelt, das den Zustand im Niederspannungsnetz auf Basis von Smart-Meter-Daten schätzen und regeln kann. Ziel dieser Arbeit ist die Analyse und Bewertung des Systems im Vorlauf eines Feldtests durch die Implementierung im Labor. Die Untersuchungen leisten einen Beitrag zu den Forschungsaktivitäten im Bereich intelligenter Verteilnetze. Nach der Darstellung der im Netzautomatisierungssystem verwendeten Funktionen werden für die Laboruntersuchungen geeignete Anwendungsfälle entwickelt und qualitative Bewertungskriterien formuliert. Die Anwendungsfälle orientieren sich an realistischen Begebenheiten und beinhalten Tages- und Echtzeitprofile. Neben Haushaltslasten wird die Last durch Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen und durch Wärmepumpen einbezogen. Es kommen verschiedene Konfigurationen der Netznachbildung zum Einsatz, um die Regelung in unterschiedlichen Netztopologien zu testen. Auch der Umgang mit Störeinflüssen, wie langen Messzyklen und fehlenden Messdaten, wird betrachtet. Durch die Auswertung der durchgeführten Untersuchungen und die Anwendung der angesetzten Kriterien wird die Spannungsregelung mit einem regelbaren Ortsnetztransformator und die Stromregelung mit einem Maschenstromregler validiert. Die betrachteten internen Funktionen werden verifiziert. Die Verifizierung des Umgangs mit Störeinflüssen erfolgt mit Einschränkungen, die den Bedarf an weiteren Untersuchungen aufzeigen. Die gemachte Arbeit ist wichtiger Bestandteil des Forschungsprojektes und trägt dazu bei, die Netzautomatisierung im Niederspannungsnetz, die für die erfolgreiche Umsetzung der Energiewende in Deutschland erforderlich ist, voranzubringen.

We present new algorithms and provide an overall framework for the interaction of the classically separate steps of logic synthesis and physical layout in the design of VLSI circuits. Due to the continuous development of smaller sized fabrication processes and the subsequent domination of interconnect delays, the traditional separation of logical and physical design results in increasingly inaccurate cost functions and aggravates the design closure problem. Consequently, the interaction of physical and logical domains has become one of the greatest challenges in the design of VLSI circuits. To address this challenge, we propose different solutions for the control and datapath logic of a design, and show how to combine them to reach design closure.

This paper briefly discusses a new architecture, Computation-In-Memory (CIM Architecture), which performs “processing-in-memory”. It is based on the integration of storage and computation in the same physical location (crossbar topology) and the use of non-volatile resistive-switching technology (memristive devices or memristors in short) instead of CMOS technology. The architecture has the potential of improving the energy-delay product, computing efficiency and performance area by at least two orders of magnitude.

The complexity of modern real-time systems is increasing day by day. This inevitable rise in complexity predominantly stems from two contradicting requirements, i.e., ever increasing demand for functionality, and required low cost for the final product. The development of modern multi-processors and variety of network protocols and architectures have enabled such a leap in complexity and functionality possible. Albeit, efficient use of these multi-processors and network architectures is still a major problem. Moreover, the software design and its development process needs improvements in order to support rapid-prototyping for ever changing system designs. Therefore, in this dissertation, we provide solutions for different problems faced in the development and deployment process of real-time systems. The contributions presented in this thesis enable efficient utilization of system resources, rapid design & development and component modularity & portability. In order to ease the certification process, time-triggered computation model is often used in distributed systems. However, time-triggered scheduling is NP-hard, due to which the process of schedule generation for complex large systems becomes convoluted. Large scheduler run-times and low scalability are two major problems with time-triggered scheduling. To solve these problems, we present a modular real-time scheduler based on a novel search-tree pruning technique, which consumes less time (compared to the state-of-the-art) in order to schedule tasks on large distributed time-triggered systems. In order to provide end-to-end guarantees, we also extend our modular scheduler to quickly generate schedules for time-triggered network traffic in large TTEthernet based networks. We evaluate our schedulers on synthetic but practical task-sets and demonstrate that our pruning technique efficiently reduces scheduler run-times and exhibits adequate scalability for future time-triggered distributed systems. In safety critical systems, the certification process also requires strict isolation between independent components. This isolation is enforced by utilizing resource partitioning approach, where different criticality components execute in different partitions (each temporally and spatially isolated from each other). However, existing partitioning approaches use periodic servers or tasks to service aperiodic activities. This approach leads to utilization loss and potentially leads to large latencies. On the contrary to the periodic approaches, state-of-the-art aperiodic task admission algorithms do not suffer from problems like utilization loss. However, these approaches do not support partitioned scheduling or mixed-criticality execution environment. To solve this problem, we propose an algorithm for online admission of aperiodic tasks which provides job execution flexibility, jitter control and leads to lower latencies of aperiodic tasks. For safety critical systems, fault-tolerance is one of the most important requirements. In time-triggered systems, modes are often used to ensure survivability against faults, i.e., when a fault is detected, current system configuration (or mode) is changed such that the overall system performance is either unaffected or degrades gracefully. In literature, it has been asserted that a task-set might be schedulable in individual modes but unschedulable during a mode-change. Moreover, conventional mode-change execution strategies might cause significant delays until the next mode is established. In order to address these issues, in this dissertation, we present an approach for schedulability analysis of mode-changes and propose mode-change delay reduction techniques in distributed system architecture defined by the DREAMS project. We evaluate our approach on an avionics use case and demonstrate that our approach can drastically reduce mode-change delays. In order to manage increasing system complexity, real-time applications also require new design and development technologies. Other than fulfilling the technical requirements, the main features required from such technologies include modularity and re-usability. AUTOSAR is one of these technologies in automotive industry, which defines an open standard for software architecture of a real-time operating system. However, being an industrial standard, the available proprietary tools do not support model extensions and/or new developments by third-parties and, therefore, hinder the software evolution. To solve this problem, we developed an open-source AUTOSAR toolchain which supports application development and code generation for several modules. In order to exhibit the capabilities of our toolchain, we developed two case studies. These case studies demonstrate that our toolchain generates valid artifacts, avoids dirty workarounds and supports application development. In order to cope with evolving system designs and hardware platforms, rapid-development of scheduling and analysis algorithms is required. In order to ease the process of algorithm development, a number of scheduling and analysis frameworks are proposed in literature. However, these frameworks focus on a specific class of applications and are limited in functionality. In this dissertation, we provide the skeleton of a scheduling and analysis framework for real-time systems. In order to support rapid-development, we also highlight different development components which promote code reuse and component modularity.

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.

The thesis is focused on modelling and simulation of a Joint Transmission and Detection Integrated Network (JOINT), a novel air interface concept for B3G mobile radio systems. Besides the utilization of the OFDM transmission technique, which is a promising candidate for future mobile radio systems, and of the duplexing scheme time division duplexing (TDD), the subdivision of the geographical domain to be supported by mobile radio communications into service areas (SAs) is a highlighted concept of JOINT. A SA consists of neighboring sub-areas, which correspond to the cells of conventional cellular systems. The signals in a SA are jointly processed in a Central Unit (CU) in each SA. The CU performs joint channel estimation (JCE) and joint detection (JD) in the form of the receive-zero-forcing (RxZF) Filter for the uplink (UL) transmission and joint transmission (JT) in the form of the transmit-zero-forcing (TxZF) Filter for the downlink (DL) transmission. By these algorithms intra-SA multiple access interference (MAI) can be eliminated within the limits of the used model so that unbiased data estimates are obtained, and most of the computational effort is moved from mobile terminals (MTs) to the CU so that the MTs can do with low complexity. A simulation chain of JOINT has been established in the software MLDesigner by the author based on time discrete equivalent lowpass modelling. In this simulation chain, all key functionalities of JOINT are implemented. The simulation chain is designed for link level investigations. A number of channel models are implemented both for the single-SA scenario and the multiple-SA scenario so that the system performance of JOINT can be comprehensively studied. It is shown that in JOINT a duality or a symmetry of the MAI elimination in the UL and in the DL exists. Therefore, the typical noise enhancement going along with the MAI elimination by JD and JT, respectively, is the same in both links. In the simulations also the impact of channel estimation errors on the system performance is studied. In the multiple-SA scenario, due to the existence of the inter-SA MAI, which cannot be suppressed by the algorithms of JD and JT, the system performance in terms of the average bit error rate (BER) and the BER statistics degrades. A collection of simulation results show the potential of JOINT with respect to the improvement of the system performance and the enhancement of the spectrum e±ciency as compared to conventional cellular systems.

The increasing complexity of modern SoC designs makes tasks of SoC formal verification a lot more complex and challenging. This motivates the research community to develop more robust approaches that enable efficient formal verification for such designs. It is a common scenario to apply a correctness by integration strategy while a SoC design is being verified. This strategy assumes formal verification to be implemented in two major steps. First of all, each module of a SoC is considered and verified separately from the other blocks of the system. At the second step – when the functional correctness is successfully proved for every individual module – the communicational behavior has to be verified between all the modules of the SoC. In industrial applications, SAT/SMT-based interval property checking(IPC) has become widely adopted for SoC verification. Using IPC approaches, a verification engineer is able to afford solving a wide range of important verification problems and proving functional correctness of diverse complex components in a modern SoC design. However, there exist critical parts of a design where formal methods often lack their robustness. State-of-the-art property checkers fail in proving correctness for a data path of an industrial central processing unit (CPU). In particular, arithmetic circuits of a realistic size (32 bits or 64 bits) – especially implementing multiplication algorithms – are well-known examples when SAT/SMT-based formal verification may reach its capacity very fast. In cases like this, formal verification is replaced with simulation-based approaches in practice. Simulation is a good methodology that may assure a high rate of discovered bugs hidden in a SoC design. However, in contrast to formal methods, a simulation-based technique cannot guarantee the absence of errors in a design. Thus, simulation may still miss some so-called corner-case bugs in the design. This may potentially lead to additional and very expensive costs in terms of time, effort, and investments spent for redesigns, refabrications, and reshipments of new chips. The work of this thesis concentrates on studying and developing robust algorithms for solving hard arithmetic decision problems. Such decision problems often originate from a task of RTL property checking for data-path designs. Proving properties of those designs can efficiently be performed by solving SMT decision problems formulated with the quantifier-free logic over fixed-sized bit vectors (QF-BV). This thesis, firstly, proposes an effective algebraic approach based on a Gröbner basis theory that allows to efficiently decide arithmetic problems. Secondly, for the case of custom-designed components, this thesis describes a sophisticated modeling technique which is required to restore all the necessary arithmetic description from these components. Further, this thesis, also, explains how methods from computer algebra and the modeling techniques can be integrated into a common SMT solver. Finally, a new QF-BV SMT solver is introduced.

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.

Die systemtheoretische Begründung für die Einführung des Zustandsbegriffs findet man im Mosaik-stein "Der Zustandsbegriff in der Systemtheorie". Während sich die dortige Betrachtung sowohl mitkontinuierlichen als auch mit diskreten Systemen befaßt, wird hier die Betrachtung auf diskrete Sy-steme beschränkt.