This paper presents the systematic synthesis of a fairly complex digitalcircuit and its CPLD implementation as an assemblage of communicatingasynchronous sequential circuits. The example, a VMEbus controller, waschosen because it has to control concurrent processes and to arbitrateconflicting requests.

In system theory, state is a key concept. Here, the word state refers to condition, as in the example Since he went into the hospital, his state of health worsened daily. This colloquial meaning was the starting point for defining the concept of state in system theory. System theory describes the relationship between input X and output Y, that is, between influence and reaction. In system theory, a system is something that shows an observable behavior that may be influenced. Therefore, apart from the system, there must be something else influencing and observing the reaction of the system. This is called the environment of the system.

In diesem Aufsatz geht es um eine Klassifikation von Programmen nach zwei orthogonalen Kriterien.Programm und Software werden dabei nicht als Synonyme angesehen; Programm sein wird hiergleichgesetzt mit ausführbar sein, d.h. etwas ist dann und nur dann ein Programm, wenn man die Fragebeantworten kann, was es denn heißen solle, dieses Etwas werde ausgeführt. Es gibt durchaus Softwa-regebilde, bezüglich derer diese Frage keinen Sinn hat und die demzufolge auch keine Programme sind - beispielsweise eine Funktions - oder eine Klassenbibliothek.Klassifikation ist von Nutzen, wenn sie Vielfalt überschaubarer macht - die Vielfalt der Schüler einergroßen Schule wird überschaubarer, wenn die Schüler "klassifiziert" sind, d.h. wenn sie in ihren Klas-senzimmern sitzen. Die im folgenden vorgestellte Klassifikation soll die Vielfalt von Programmenüberschaubarer machen.

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.

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.

An interrupter for use in a daisy-chained VME bus interrupt system has beendesigned and implemented as an asynchronous sequential circuit. The concur-rency of the processes posed a design problem that was solved by means of asystematic design procedure that uses Petri nets for specifying system and in-terrupter behaviour, and for deriving a primitive flow table. Classical designand additional measures to cope with non-fundamental mode operation yieldeda coded state-machine representation. This was implemented on a GAL 22V10,chosen for its hazard-preventing structure and for rapid prototyping in studentlaboratories.

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.

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.

In this thesis a new family of codes for the use in optical high bit rate transmission systems with a direct sequence code division multiple access scheme component was developed and its performance examined. These codes were then used as orthogonal sequences for the coding of the different wavelength channels in a hybrid OCDMA/WDMA system. The overall performance was finally compared to a pure WDMA system. The common codes known up to date have the problem of needing very long sequence lengths in order to accommodate an adequate number of users. Thus, code sequence lengths of 1000 or more were necessary to reach bit error ratios of with only about 10 simultaneous users. However, these sequence lengths are unacceptable if signals with data rates higher than 100 MBit/s are to be transmitted, not to speak about the number of simultaneous users. Starting from the well known optical orthogonal codes (OOC) and under the assumption of synchronization among the participating transmitters - justified for high bit rate WDM transmission systems -, a new code family called ?modified optical orthogonal codes? (MOOC) was developed by minimizing the crosscorrelation products of each two sequences. By this, the number of simultaneous users could be increased by several orders of magnitude compared to the known codes so far. The obtained code sequences were then introduced in numerical simulations of a 80 GBit/s DWDM transmission system with 8 channels, each carrying a 10 GBit/s payload. Usual DWDM systems are featured by enormous efforts to minimize the spectral spacing between the various wavelength channels. These small spacings in combination with the high bit rates lead to very strict demands on the system components like laser diode, filters, multiplexers etc. Continuous channel monitoring and temperature regulations of sensitive components are inevitable, but often cannot prevent drop downs of the bit error ratio due to aging effects or outer influences like mechanical stress. The obtained results show that - very different to the pure WDM system - by orthogonally coding adjacent wavelength channels with the proposed MOOC, the overall system performance gets widely independent from system parameters like input powers, channel spacings and link lengths. Nonlinear effects like XPM that insert interchannel crosstalk are effectively fought. Furthermore, one can entirely dispense with the bandpass filters, thus simplifying the receiver structure, which is especially interesting for broadcast networks. A DWDM system upgraded with the OCDMA subsystem shows a very robust behavior against a variety of influences.

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.

Zur Entwicklung und Planung energiesparender Gebäude, zum Entwurf geeigneter Regelungsalgorithmen benötigt man detailliertes Wissen über das thermische und energetische Verhalten eines Gebäudes, das in Wechselwirkung mit seiner Umgebung und seinen Bewohnern steht. Dies leistet ein mathematisches Modell. Die Beschreibung großer, komplexer technischer Systeme führt zu hoch komplexen, umfangreichen mathematischen Modellen, die - zur Simulation implementiert - große Softwaresysteme ergeben. Es liegt daher nahe, Konzepte der Informatik auch in der mathematischen Modellbildung zu nutzen. Neben der Dekomposition in Teilsysteme, den Strukturierungskonzepten zur Beherrschung der Komplexität ist hier ein aktueller Forschungsgegenstand der Informatik von besonderem Interesse. Es handelt sich um die Nutzung der Wiederverwendung als methodisches Element des Softwareentwicklungsprozesses großer Systeme. Es wurde eine Modellbibliothek zur Simulation thermischen Gebäudeverhaltens in Modelica erstellt. Sie untergliedert sich in die Abschnitte Gebäude-, Thermohydraulik-, Umgebungs- und Algorithmenbibliothek. Die objektorientiert implementierten, nicht berechnungskausalen Modellkomponenten sind hierarchisch strukturiert. Ihre Implementierung orientiert sich am intuitiven physikalischen Verständnis des zu beschreibenden technischen Prozesses. So aggregiert ein Gebäude einzelne Räume, Fenster, Wände und diese wiederum einzelne Wandschichten.

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.

Mobilfunksysteme sind interferenzbegrenzt. Eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit künftiger Mobilfunksysteme kann daher nur durch den Einsatz von Verfahren zum Reduzieren der schädlichen Wirkung von Interferenz erreicht werden. Eine besonders attraktive Klasse von Verfahren, die dieses leisten, sind jene der gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung, wobei bisher der systematische Entwurf und die systematische Analyse solcher Verfahren für CDMA-Mobilfunksysteme mit infiniter oder quasi-infiniter Datenübertragung - eine im Hinblick auf die derzeit in Betrieb gehenden zellularen Mobilfunksysteme der dritten Generation besonders interessierende Klasse von künftigen Mobilfunksystemen - noch unklar ist. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Systematisierung des Entwurfs- und Optimierungsprozesses von Verfahren zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung für Mobilfunksysteme der genannten Art. Zu diesem Zweck wird gezeigt, daß sich die Aufgabe der gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung in die fünf Teilaufgaben Blockbilden, Datenzuordnen, Interblock-Signalverarbeitung, Intrablock-Signalverarbeitung und Kombinieren & Entscheiden zerlegen läßt. Nachdem in einem ersten Schritt alle fünf Teilaufgaben klar definiert und gegeneinander abgegrenzt werden, erfolgt in einem zweiten Schritt für jede Teilaufgabe die Entwicklung von Lösungsvorschlägen, die nach gewissen Kriterien optimal bzw. suboptimal sind. Zur Lösung jeder einzelnen Teilaufgabe werden neuartige Vorgehensweisen vorgeschlagen, wobei dabei sowohl die Optimierung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Vorgehensweisen als auch Belange, die für die praktische Realisierbarkeit relevant sind, im Vordergrund stehen. Eine Schlüsselrolle kommt den Verfahren der Intrablock-Signalverarbeitung zu, deren Aufgabe darin besteht, ausgehend von Ausschnitten des Empfangssignals Schätzungen von Daten zu ermitteln, die zu dem jeweiligen Ausschnitt beitragen. Die vorgeschlagenen Verfahren der Intrablock-Signalverarbeitung beruhen im wesentlichen auf iterativen Versionen bekannter linearer Schätzer, die um einen nichtlinearen Schätzwertverbesserer erweitert werden. Der nichtlineare Schätzwertverbesserer nutzt dabei A-priori-Information, wie z.B. die Kenntnis des Datensymbolalphabetes und der A-priori-Wahrscheinlichkeiten der zu übertragenden Daten, zum Erhöhen der Zuverlässigkeit der zu ermittelnden Datenschätzungen. Die verschiedenen Versionen der iterativ realisierten linearen Schätzer und verschiedene Schätzwertverbesserer bilden eine Art Baukastensystem, das es erlaubt, für viele Anwendungsfälle ein maßgeschneidertes Verfahren zur Intrablock-Signalverarbeitung zu konstruieren. Aufbauend auf dem entwickelten systematischen Entwurfsprinzip wird abschließend für ein exemplarisches CDMA-Mobilfunksystem mit synchronem Mehrteilnehmerzugriff ein darauf zugeschnittenes Verfahren zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung vorgeschlagen. Die dargelegten Simulationsergebnisse zeigen, daß ausgehend von derzeit favorisierten nicht dem Prinzip der gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung folgenden Verfahren zum Schätzen der übertragenen Daten in typischen Mobilfunkszenarien durch Einsetzen des vorgeschlagenen Verfahrens zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung die Anzahl der gleichzeitig aktiven CDMA-Codes um nahezu eine Größenordnung erhöht werden kann, ohne dabei die bei einem vorgegebenen Signal-Stör-Verhältnis am Referenzempfänger beobachtbare Zuverlässigkeit der ermittelten Schätzungen zu verschlechtern. Deshalb ist der Einsatz von Verfahren zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung eine vielversprechende Maßnahme zur Kapazitätssteigerung künftiger Mobilfunksysteme.

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.

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.

Empfängerorientierte Übertragungsverfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß der im Sender zu verwendende Signalverarbeitungsalgorithmus an den im Empfänger verwendeten Signalverarbeitungsalgorithmus angepaßt ist. Dies geschieht meist mit zusätzlicher Kanalinformation, die nur am Sender und nicht am Empfänger verfügbar ist. In empfängerorientierten Systemen kann man besonders einfache Algorithmen in den Empfängern realisieren, die im Falle einer Abwärtsstreckenübertragung eines Mobilfunksystems, in den Mobilstationen sind. Dies ist mit geringen Produktionskosten und geringem Energieverbrauch der Mobilstationen verbunden. Um dennoch eine gewisse Güte der Datenübertragung zu gewährleisten, wird bei der Empfängerorientierung mehr Aufwand in der Feststation des Mobilfunksystems betrieben. Die derzeit verwendeten und für die dritte Mobilfunkgeneration (UMTS) vorgesehenen Übertragungsverfahren sind senderorientiert. Das bedeutet, daß der Signalverarbeitungsalgorithmus im Empfänger an den Signalverarbeitungsalgorithmus des Senders angepaßt ist. Auch bei der Senderorientierung wird meist die Kanalinformation in den Anpassungsprozeß im Empfänger einbezogen. Zum Gewinnen der Kanalinformation sind Testsignale notwendig, anhand der die Kanalinformation geschätzt werden kann. Solche Testsignale können in der Abwärtsstrecke eines empfängerorientierten Mobilfunksystems entfallen. Anstelle der Testsignale kann man Daten übertragen und somit die Datenrate im Vergleich zu senderorientierten Systemen erhöhen. Um die Performanz von Übertragungsverfahren beurteilen zu können, sind geeignete Kriterien notwendig. Meist werden zur Beurteilung Bitfehlerwahrscheinlichkeiten oder Signal-Stör-Verhältnisse verwendet. Da die Höhe der aufzuwendenden Sendeenergie nicht nur technisch, sondern auch gesellschaftlich ein wichtiger Aspekt zukünftiger Mobilfunksysteme ist, wird vom Verfasser das Kriterium der Energieeffizienz vorgeschlagen. Die Energieeffizienz beurteilt das Zusammenspiel von Signalverarbeitungsalgorithmen des Senders und des Empfängers unter Berücksichtigung der Kanaleigenschaften. Dabei wird die nutzbare Empfangsenergie auf die investierte Sendeenergie bezogen. Anhand der ermittelten energieeffizienzen und analytischen Betrachtungen in der vorliegenden Arbeit kann man den Schluß ziehen, daß empfängerorientierte Übertragungsverfahren für die Abwärtsstreckenübertragung in Mobilfunksystemen den senderorientierten vorzuziehen sind, wenn an der Feststation relativ viele und an den Mobilstationen relativ wenige Antennen zur Verfügung stehen. Dies ist bereits heute der Fall und auch in zukünftigen Mobilfunksystemen zu erwarten. Ferner eröffnet das am Rande untersuchte kanalorientierte Übertragungsverfahren, bei dem die Signalverarbeitungsalgorithmen des Sender und des Empfängers an die Kanalinformation angepaßt werden, ein weites Feld für zukünftige Forschungsvorhaben.

In dem Bericht geht es um die Messung von Laufzeiten in einfachen Netzwerken, die auf MICA-Knoten basieren. Vorangestellt ist eine Übersicht über die Installation und Programmierung.

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 the thesis the task of channel estimation in beyond 3G service area based mobile radio air interfaces is considered. A system concept named Joint Transmission and Detection Integrated Network (JOINT) forms the target platform for the investigations. A single service area of JOINT is considered, in which a number of mobile terminals is supported by a number of radio access points, which are connected to a central unit responsible for the signal processing. The modulation scheme of JOINT is OFDM. Pilot-aided channel estimation is considered, which has to be performed only in the uplink of JOINT, because the duplexing scheme TDD is applied. In this way, the complexity of the mobile terminals is reduced, because they do not need a channel estimator. Based on the signals received by the access points, the central unit estimates the channel transfer functions jointly for all mobile terminals. This is done by resorting to the a priori knowledge of the radiated pilot signals and by applying the technique of joint channel estimation, which is developed in the thesis. The quality of the gained estimates is judged by the degradation of their signal-to-noise ratio as compared to the signal-to-noise ratio of the respective estimates gained in the case of a single mobile terminal radiating its pilots. In the case of single-element receive antennas at the access points, said degradation depends solely on the structure of the applied pilots. In the thesis it is shown how by a proper design of the pilots the SNR degradation can be minimized. Besides using appropriate pilots, the performance of joint channel estimation can be further improved by the inclusion of additional a-priori information in the estimation process. An example of such additional information would be the knowledge of the directional properties of the radio channels. This knowledge can be gained if multi-element antennas are applied at the access points. Further, a-priori channel state information in the form of the power delay profiles of the radio channels can be included in the estimation process by the application of the minimum mean square error estimation principle for joint channel estimation. After having intensively studied the problem of joint channel estimation in JOINT, the thesis rounds itself by considering the impact of the unavoidable channel estimation errors on the performance of data estimation in JOINT. For the case of small channel estimation errors occurring due to the presence of noise at the access points, the performance of joint detection in the uplink and of joint transmission in the downlink of JOINT are investigated based on simulations. For the uplink, which utilizes joint detection, it is shown to which degree the bit error probability increases due to channel estimation errors. For the downlink, which utilizes joint transmission, channel estimation errors lead to an increase of the required transmit power, which can be quantified by the simulation results.

Langvorträge: T. Schorr, A. Dittrich, W. Sauer-Greff, R. Urbansky (Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU Kaiserslautern): Iterative Equalization in Fibre Optical Systems Using High-Rate RCPR, BCH and LDPC Codes A. Doenmez, T. Hehn, J. B. Huber (Lehrstuhl für Informationsübertragung, Universität Erlangen-Nürnberg): Analytical Calculation of Thresholds for LDPC Codes transmitted over Binary Erasure Channels S. Deng, T. Weber (Institut für Nachrichtentechnik und Informationselektronik, Universität Rostock), M. Meurer (Lehrstuhl für hochfrequente Signalübertragung und -verarbeitung, TU Kaiserslautern): Dynamic Resource Allocation in Future OFDM Based Mobile Radio Systems J. Hahn, M. Meurer, T. Weber (Lehrstuhl für hochfrequente Signalübertragung und -verarbeitung, TU Kaiserslautern): Receiver Oriented FEC Coding (RFC) for Selective Channels C. Stierstorfer, R. Fischer (Lehrstuhl für Informationsübertragung, Universität Erlangen-Nürnberg): Comparison of Code Design Requirements for Single- and Multicarrier Transmission over Frequency-Selective MIMO Channels A. Scherb (Arbeitsbereich Nachrichtentechnik, Universität Bremen): Unbiased Semiblind Channel Estimation for Coded Systems T.-J. Liang, W. Rave, G. Fettweis (Vodafone Stiftungslehrstuhl Mobile Nachrichtensysteme, Technische Universität Dresden): Iterative Joint Channel Estimation and Decoding Using Superimposed Pilots in OFDM-WLAN A. Dittrich, T. Schorr, W. Sauer-Greff, R. Urbansky (Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU Kaiserslautern): DIORAMA - An Iterative Decoding Real-Time MATLAB Receiver for the Multicarrier-Based Digital Radio DRM Kurzvorträge: S. Plass, A. Dammann (German Aerospace Center (DLR)): Radio Resource Management for MC-CDMA over Correlated Rayleigh Fading Channels S. Heilmann, M. Meurer, S. Abdellaoui, T. Weber (Lehrstuhl für hochfrequente Signalübertragung und -verarbeitung, TU Kaiserslautern): Concepts for Accurate Low-Cost Signature Based Localisation of Mobile Terminals M. Siegrist, A. Dittrich, W. Sauer-Greff, R. Urbansky (Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU Kaiserslautern): SIMO and MIMO Concepts for Fibre Optical Communications C. Bockelmann (Arbeitsbereich Nachrichtentechnik, Universität Bremen): Sender- und Empfängerstrukturen für codierte MIMO-Übertragung

In conventional radio communication systems, the system design generally starts from the transmitter (Tx), i.e. the signal processing algorithm in the transmitter is a priori selected, and then the signal processing algorithm in the receiver is a posteriori determined to obtain the corresponding data estimate. Therefore, in these conventional communication systems, the transmitter can be considered the master and the receiver can be considered the slave. Consequently, such systems can be termed transmitter (Tx) oriented. In the case of Tx orientation, the a priori selected transmitter algorithm can be chosen with a view to arrive at particularly simple transmitter implementations. This advantage has to be countervailed by a higher implementation complexity of the a posteriori determined receiver algorithm. Opposed to the conventional scheme of Tx orientation, the design of communication systems can alternatively start from the receiver (Rx). Then, the signal processing algorithm in the receiver is a priori determined, and the transmitter algorithm results a posteriori. Such an unconventional approach to system design can be termed receiver (Rx) oriented. In the case of Rx orientation, the receiver algorithm can be a priori selected in such a way that the receiver complexity is minimum, and the a posteriori determined transmitter has to tolerate more implementation complexity. In practical communication systems the implementation complexity corresponds to the weight, volume, cost etc of the equipment. Therefore, the complexity is an important aspect which should be taken into account, when building practical communication systems. In mobile radio communication systems, the complexity of the mobile terminals (MTs) should be as low as possible, whereas more complicated implementations can be tolerated in the base station (BS). Having in mind the above mentioned complexity features of the rationales Tx orientation and Rx orientation, this means that in the uplink (UL), i.e. in the radio link from the MT to the BS, the quasi natural choice would be Tx orientation, which leads to low cost transmitters at the MTs, whereas in the downlink (DL), i.e. in the radio link from the BS to the MTs, the rationale Rx orientation would be the favorite alternative, because this results in simple receivers at the MTs. Mobile radio downlinks with the rationale Rx orientation are considered in the thesis. Modern mobile radio communication systems are cellular systems, in which both the intracell and intercell interferences exist. These interferences are the limiting factors for the performance of mobile radio systems. The intracell interference can be eliminated or at least reduced by joint signal processing with consideration of all the signals in the considered cell. However such joint signal processing is not feasible for the elimination of intercell interference in practical systems. Knowing that the detrimental effect of intercell interference grows with its average energy, the transmit energy radiated from the transmitter should be as low as possible to keep the intercell interference low. Low transmit energy is required also with respect to the growing electro-phobia of the public. The transmit energy reduction for multi-user mobile radio downlinks by the rationale Rx orientation is dealt with in the thesis. Among the questions still open in this research area, two questions of major importance are considered here. MIMO is an important feature with respect to the transmit power reduction of mobile radio systems. Therefore, first questionconcerns the linear Rx oriented transmission schemes combined with MIMO antenna structures. The investigations of the MIMO benefit on the linear Rx oriented transmission schemes are studied in the thesis. Utilization of unconventional multiply connected quantization schemes at the receiver has also great potential to reduce the transmit energy. Therefore, the second question considers the designing of non-linear Rx oriented transmission schemes combined with multiply connected quantization schemes.

In der Arbeit geht es um die Untersuchung von Mechanismen zur Energiegewinnung in Ambient Intelligence Systemen. Zunächst wird ein Überblick über die existierenden Möglichkeiten und deren zu grunde liegenden physikalischen Effekte gegeben. Dann wird die Energiegewinnung mittels Thermogeneratoren näher untersucht.

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.

The present thesis deals with multi-user mobile radio systems, and more specifically, the downlinks (DL) of such systems. As a key demand on future mobile radio systems, they should enable highest possible spectrum and energy efficiency. It is well known that, in principle, the utilization of multi-antennas in the form of MIMO systems, offers considerable potential to meet this demand. Concerning the energy issue, the DL is more critical than the uplink. This is due to the growing importance of wireless Internet applications, in which the DL data rates and, consequently, the radiated DL energies tend to be substantially higher than the corresponding uplink quantities. In this thesis, precoding schemes for MIMO multi-user mobile radio DLs are considered, where, in order to keep the complexity of the mobile terminals as low as possible, the rationale receiver orientation (RO) is adopted, with the main focus to further reduce the required transmit energy in such systems. Unfortunately, besides the mentioned low receiver complexity, conventional RO schemes, such as Transmit Zero Forcing (TxZF), do not offer any transmit energy reductions as compared to conventional transmitter oriented schemes. Therefore, the main goal of this thesis is the design and analysis of precoding schemes in which such transmit energy reductions become feasible - under virtually maintaining the low receiver complexity - by means of replacing the conventional unique mappings by the selectable representations of the data. Concerning the channel access scheme, Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) is presently being favored as the most promising candidate in the standardization process of the enhanced 3G and forthcoming 4G systems, because it allows a very flexible resource allocation and low receiver complexity. Receiver oriented MIMO OFDM multi-user downlink transmission, in which channel equalization is already performed in the transmitter of the access point, further contributes to low receiver complexity in the mobile terminals. For these reasons, OFDM is adopted in the target system of the considered receiver oriented precoding schemes. In the precoding schemes considered the knowledge of channel state information (CSI) in the access point in the form of the channel matrix is essential. Independently of the applied duplexing schemes FDD or TDD, the provision of this information to the access point is always erroneous. However, it is shown that the impact of such deviations not only scales with the variance of the channel estimation errors, but also with the required transmit energies. Accordingly, the reduced transmit energies of the precoding schemes with selectable data representation also have the advantage of a reduced sensitivity to imperfect knowledge of CSI. In fact, these two advantages are coupled with each other.

Die fortschreitende Verbreitung von Ethernet-basierten Strukturen mit dezentralen und verteilten Anwendungen in der Automatisierung führt zu den so genannten netzbasier-ten Automatisierungssystemen (NAS). Diese sind zwar in Anschaffung und Betrieb kostengünstiger, moderner und flexibler als herkömmliche Strukturen, weisen jedoch nicht-deterministische Verzögerungen auf. Die genaue Analyse der resultierenden Antwortzeiten 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 ersten von zwei Beiträgen wird hierfür zunächst die für die speziellen Bedürfnisse der Strukturbeschreibung von netzbasierten Automatisierungssystemen entwickelte Modellierungssprache DesLaNAS vorgestellt und auf ein einführendes Beispiel angewendet. Im zweiten Beitrag wird darauf aufbauend gezeigt, welchen Einfluss die einzelnen System-komponenten (SPS, Netzwerk, I/O-Karten) sowie netzbedingte Verhaltensmodi wie Synchronisation und die gemeinsame Nutzung von Ressourcen auf die Antwortzeiten des Gesamtsystems haben. Zur Analyse selbst wird die wahrscheinlichkeitsbasierte Modellverifikation (PMC) angewendet.

Analog sensor electronics requires special care during design in order to increase the quality and precision of the signal, and the life time of the product. Nevertheless, it can experience static deviations due to the manufacturing tolerances, and dynamic deviations due to operating in non-ideal environment. Therefore, the advanced applications such as MEMS technology employs calibration loop to deal with the deviations, but unfortunately, it is considered only in the digital domain, which cannot cope with all the analog deviations such as saturation of the analog signal, etc. On the other hand, rapid-prototyping is essential to decrease the development time, and the cost of the products for small quantities. Recently, evolvable hardware has been developed with the motivation to cope with the mentioned sensor electronic problems. However the industrial specifications and requirements are not considered in the hardware learning loop. Indeed, it minimizes the error between the required output and the real output generated due to given test signal. The aim of this thesis is to synthesize the generic organic-computing sensor electronics and return hardware with predictable behavior for embedded system applications that gains the industrial acceptance; therefore, the hardware topology is constrained to the standard hardware topologies, the hardware standard specifications are included in the optimization, and hierarchical optimization are abstracted from the synthesis tools to evolve first the building blocks, then evolve the abstract level that employs these optimized blocks. On the other hand, measuring some of the industrial specifications needs expensive equipments and some others are time consuming which is not fortunate for embedded system applications. Therefore, the novel approach "mixtrinsic multi-objective optimization" is proposed that simulates/estimates the set of the specifications that is hard to be measured due to the cost or time requirements, while it measures intrinsically the set of the specifications that has high sensitivity to deviations. These approaches succeed to optimize the hardware to meet the industrial specifications with low cost measurement setup which is essential for embedded system applications.

In recent years, formal property checking has become adopted successfully in industry and is used increasingly to solve the industrial verification tasks. This success results from property checking formulations that are well adapted to specific methodologies. In particular, assertion checking and property checking methodologies based on Bounded Model Checking or related techniques have matured tremendously during the last decade and are well supported by industrial methodologies. This is particularly true for formal property checking of computational System-on-Chip (SoC) modules. This work is based on a SAT-based formulation of property checking called Interval Property Checking (IPC). IPC originates in the Siemens company and is in industrial use since the mid 1990s. IPC handles a special type of safety properties, which specify operations in intervals between abstract starting and ending states. This paves the way for extremely efficient proving procedures. However, there are still two problems in the IPC-based verification methodology flow that reduce the productivity of the methodology and sometimes hamper adoption of IPC. First, IPC may return false counterexamples since its computational bounded circuit model only captures local reachability information, i.e., long-term dependencies may be missed. If this happens, the properties need to be strengthened with reachability invariants in order to rule out the spurious counterexamples. Identifying strong enough invariants is a laborious manual task. Second, a set of properties needs to be formulated manually for each individual design to be verified. This set, however, isn’t re-usable for different designs. This work exploits special features of communication modules in SoCs to solve these problems and to improve the productivity of the IPC methodology flow. First, the work proposes a decomposition-based reachability analysis to solve the problem of identifying reachability information automatically. Second, this work develops a generic, reusable set of properties for protocol compliance verification.

The dissertation describes a practically proven, particularly efficient approach for the verification of digital circuit designs. The approach outperforms simulation based verification wrt. final circuit quality as well as wrt. required verification effort. In the dissertation, the paradigm of transaction based verification is ported from simulation to formal verification. One consequence is a particular format of formal properties, called operation properties. Circuit descriptions are verified by proof of operation properties with Interval Property Checking (IPC), a particularly strong SAT based formal verification algorithm. Furtheron, a completeness checker is presented that identifies all verification gaps in sets of operation properties. This completeness checker can handle the large operation properties that arise, if this approach is applied to realistic circuits. The methodology of operation properties, Interval Property Checking, and the completeness checker form a symbiosis that is of particular benefit to the verification of digital circuit designs. On top of this symbiosis an approach to completely verify the interaction of completely verified modules has been developed by adaptation of the modelling theories of digital systems. The approach presented in the dissertation has proven in multiple commercial application projects that it indeed completely verifies modules. After reaching a termination criterion that is well defined by completeness checking, no further bugs were found in the verified modules. The approach is marketed by OneSpin Solutions GmbH, Munich, under the names "Operation Based Verification" and "Gap Free Verification".

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

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.

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.

For many years real-time task models have focused the timing constraints on execution windows defined by earliest start times and deadlines for feasibility. However, the utility of some application may vary among scenarios which yield correct behavior, and maximizing this utility improves the resource utilization. For example, target sensitive applications have a target point where execution results in maximized utility, and an execution window for feasibility. Execution around this point and within the execution window is allowed, albeit at lower utility. The intensity of the utility decay accounts for the importance of the application. Examples of such applications include multimedia and control; multimedia application are very popular nowadays and control applications are present in every automated system. In this thesis, we present a novel real-time task model which provides for easy abstractions to express the timing constraints of target sensitive RT applications: the gravitational task model. This model uses a simple gravity pendulum (or bob pendulum) system as a visualization model for trade-offs among target sensitive RT applications. We consider jobs as objects in a pendulum system, and the target points as the central point. Then, the equilibrium state of the physical problem is equivalent to the best compromise among jobs with conflicting targets. Analogies with well-known systems are helpful to fill in the gap between application requirements and theoretical abstractions used in task models. For instance, the so-called nature algorithms use key elements of physical processes to form the basis of an optimization algorithm. Examples include the knapsack problem, traveling salesman problem, ant colony optimization, and simulated annealing. We also present a few scheduling algorithms designed for the gravitational task model which fulfill the requirements for on-line adaptivity. The scheduling of target sensitive RT applications must account for timing constraints, and the trade-off among tasks with conflicting targets. Our proposed scheduling algorithms use the equilibrium state concept to order the execution sequence of jobs, and compute the deviation of jobs from their target points for increased system utility. The execution sequence of jobs in the schedule has a significant impact on the equilibrium of jobs, and dominates the complexity of the problem --- the optimum solution is NP-hard. We show the efficacy of our approach through simulations results and 3 target sensitive RT applications enhanced with the gravitational task model.

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.

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.

This work shall provide a foundation for the cross-design of wireless networked control systems with limited resources. A cross-design methodology is devised, which includes principles for the modeling, analysis, design, and realization of low cost but high performance and intelligent wireless networked control systems. To this end, a framework is developed in which control algorithms and communication protocols are jointly designed, implemented, and optimized taking into consideration the limited communication, computing, memory, and energy resources of the low performance, low power, and low cost wireless nodes used. A special focus of the proposed methodology is on the prediction and minimization of the total energy consumption of the wireless network (i.e. maximization of the lifetime of wireless nodes) under control performance constraints (e.g. stability and robustness) in dynamic environments with uncertainty in resource availability, through the joint (offline/online) adaptation of communication protocol parameters and control algorithm parameters according to the traffic and channel conditions. Appropriate optimization approaches that exploit the structure of the optimization problems to be solved (e.g. linearity, affinity, convexity) and which are based on Linear Matrix Inequalities (LMIs), Dynamic Programming (DP), and Genetic Algorithms (GAs) are investigated. The proposed cross-design approach is evaluated on a testbed consisting of a real lab plant equipped with wireless nodes. Obtained results show the advantages of the proposed cross-design approach compared to standard approaches which are less flexible.

The work presented in this thesis discusses the thermal and power management of multi-core processors (MCPs) with both two dimensional (2D) package and there dimensional (3D) package chips. The power and thermal management/balancing is of increasing concern and is a technological challenge to the MCP development and will be a main performance bottleneck for the development of MCPs. This thesis develops optimal thermal and power management policies for MCPs. The system thermal behavior for both 2D package and 3D package chips is analyzed and mathematical models are developed. Thereafter, the optimal thermal and power management methods are introduced. Nowadays, the chips are generally packed in 2D technique, which means that there is only one layer of dies in the chip. The chip thermal behavior can be described by a 3D heat conduction partial differential equation (PDE). As the target is to balance the thermal behavior and power consumption among the cores, a group of one dimensional (1D) PDEs, which is derived from the developed 3D PDE heat conduction equation, is proposed to describe the thermal behavior of each core. Therefore, the thermal behavior of the MCP is described by a group of 1D PDEs. An optimal controller is designed to manage the power consumption and balance the temperature among the cores based on the proposed 1D model. 3D package is an advanced package technology, which contains at least 2 layers of dies stacked in one chip. Different from 2D package, the cooling system should be installed among the layers to reduce the internal temperature of the chip. In this thesis, the micro-channel liquid cooling system is considered, and the heat transfer character of the micro-channel is analyzed and modeled as an ordinary differential equation (ODE). The dies are discretized to blocks based on the chip layout with each block modeled as a thermal resistance and capacitance (R-C) circuit. Thereafter, the micro-channels are discretized. The thermal behavior of the whole system is modeled as an ODE system. The micro-channel liquid velocity is set according to the workload and the temperature of the dies. Under each velocity, the system can be described as a linear ODE model system and the whole system is a switched linear system. An H-infinity observer is designed to estimate the states. The model predictive control (MPC) method is employed to design the thermal and power management/balancing controller for each submodel. The models and controllers developed in this thesis are verified by simulation experiments via MATLAB. The IBM cell 8 cores processor and water micro-channel cooling system developed by IBM Research in collaboration with EPFL and ETHZ are employed as the experiment objects.

In this thesis we studied and investigated a very common but a long existing noise problem and we provided a solution to this problem. The task is to deal with different types of noise that occur simultaneously and which we call hybrid. Although there are individual solutions for specific types one cannot simply combine them because each solution affects the whole speech. We developed an automatic speech recognition system DANSR ( Dynamic Automatic Noisy Speech Recognition System) for hybrid noisy environmental noise. For this we had to study all of speech starting from the production of sounds until their recognition. Central elements are the feature vectors on which pay much attention. As an additional effect we worked on the production of quantities for psychoacoustic speech elements. The thesis has four parts: 1) The first part we give an introduction. The chapter 2 and 3 give an overview over speech generation and recognition when machines are used. Also noise is considered. 2) In the second part we describe our general system for speech recognition in a noisy environment. This is contained in the chapters 4-10. In chapter 4 we deal with data preparation. Chapter 5 is concerned with very strong noise and its modeling using Poisson distribution. In the chapters 5-8 we deal with parameter based modeling. Chapter 7 is concerned with autoregressive methods in relation to the vocal tract. In the chapters 8 and 9 we discuss linear prediction and its parameters. Chapter 9 is also concerned with quadratic errors, the decomposition into sub-bands and the use of Kalman filters for non-stationary colored noise in chapter 10. There one finds classical approaches as long we have used and modified them. This includes covariance mehods, the method of Burg and others. 3) The third part deals firstly with psychoacoustic questions. We look at quantitative magnitudes that describe them. This has serious consequences for the perception models. For hearing we use different scales and filters. In the center of the chapters 12 and 13 one finds the features and their extraction. The fearures are the only elements that contain information for further use. We consider here Cepstrum features and Mel frequency cepstral coefficients(MFCC), shift invariant local trigonometric transformed (SILTT), linear predictive coefficients (LPC), linear predictive cepstral coefficients (LPCC), perceptual linear predictive (PLP) cepstral coefficients. In chapter 13 we present our extraction methods in DANSR and how they use window techniques And discrete cosine transform (DCT-IV) as well as their inverses. 4) The fourth part considers classification and the ultimate speech recognition. Here we use the hidden Markov model (HMM) for describing the speech process and the Gaussian mixture model (GMM) for the acoustic modelling. For the recognition we use forward algorithm, the Viterbi search and the Baum-Welch algorithm. We also draw the connection to dynamic time warping (DTW). In the rest we show experimental results and conclusions.

This work establishes the novel category of coordinated Wireless Backhaul Networks (WBNs) for energy-autarkic point-to-point radio backhauling. The networking concept is based on three major building blocks: cost-efficient radio transceiver hardware, a self-organizing network operations framework, and power supply from renewable energy sources. The aim of this novel backhauling approach is to combine carrier-grade network performance with reduced maintenance effort as well as independent and self-sufficient power supply. In order to facilitate the success prospects of this concept, the thesis comprises the following major contributions: Formal, multi-domain system model and evaluation methodology First, adapted from the theory of cyber-physical systems, the author devises a multi-domain evaluation methodology and a system-level simulation framework for energy-autarkic coordinated WBNs, including a novel balanced scorecard concept. Second, the thesis specifically addresses the topic of Topology Control (TC) in point-to-point radio networks and how it can be exploited for network management purposes. Given a set of network nodes equipped with multiple radio transceivers and known locations, TC continuously optimizes the setup and configuration of radio links between network nodes, thus supporting initial network deployment, network operation, as well as topology re-configuration. In particular, the author shows that TC in WBNs belongs to the class of NP-hard quadratic assignment problems and that it has significant impact in operational practice, e.g., on routing efficiency, network redundancy levels, service reliability, and energy consumption. Two novel algorithms focusing on maximizing edge connectivity of network graphs are developed. Finally, this work carries out an analytical benchmarking and a numerical performance analysis of the introduced concepts and algorithms. The author analytically derives minimum performance levels of the the developed TC algorithms. For the analyzed scenarios of remote Alpine communities and rural Tanzania, the evaluation shows that the algorithms improve energy efficiency and more evenly balance energy consumption across backhaul nodes, thus significantly increasing the number of available backhaul nodes compared to state-of-the-art TC algorithms.

In embedded systems, there is a trend of integrating several different functionalities on a common platform. This has been enabled by increasing processing power and the arise of integrated system-on-chips. The composition of safety-critical and non-safety-critical applications results in mixed-criticality systems. Certification Authorities (CAs) demand the certification of safety-critical applications with strong confidence in the execution time bounds. As a consequence, CAs use conservative assumptions in the worst-case execution time (WCET) analysis which result in more pessimistic WCETs than the ones used by designers. The existence of certified safety-critical and non-safety-critical applications can be represented by dual-criticality systems, i.e., systems with two criticality levels. In this thesis, we focus on the scheduling of mixed-criticality systems which are subject to certification. Scheduling policies cognizant of the mixed-criticality nature of the systems and the certification requirements are needed for efficient and effective scheduling. Furthermore, we aim at reducing the certification costs to allow faster modification and upgrading, and less error-prone certification. Besides certification aspects, requirements of different operational modes result in challenging problems for the scheduling process. Despite the mentioned problems, schedulers require a low runtime overhead for an efficient execution at runtime. The presented solutions are centered around time-triggered systems which feature a low runtime overhead. We present a transformation to include event-triggered activities, represented by sporadic tasks, already into the offline scheduling process. Further, this transformation can also be applied on periodic tasks to shorten the length of schedule tables which reduces certification costs. These results can be used in our method to construct schedule tables which creates two schedule tables to fulfill the requirements of dual-criticality systems using mode changes at runtime. Finally, we present a scheduler based on the slot-shifting algorithm for mixed-criticality systems. In a first version, the method schedules dual-criticality jobs without the need for mode changes. An already certified schedule table can be used and at runtime, the scheduler reacts to the actual behavior of the jobs and thus, makes effective use of the available resources. Next, we extend this method to schedule mixed-criticality job sets with different operational modes. As a result, we can schedule jobs with varying parameters in different modes.

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Bestimmung der Erdschlussentfernung in hochohmig geerdeten Netzen. Nach Abklingen der transienten Vorgänge im Fehlerfall stellt sich ein stationärer Zustand ein, in dem das Netz zunächst weiter betrieben werden kann. Ausgehend von diesem stationären Fehlerfall wird auf der Basis eines Π-Glieds das Leitungsmodell des einseitig gespeisten Stichabgangs mit einer Last in der Vier-Leiter-Darstellung entwickelt. Die Schaltungsanalyse erfolgt mit Hilfe komplexer Rechnung und der Kirchhoffschen Gesetze. Grundlage der Betrachtungen bildet das Netz mit isoliertem Sternpunkt. Das entstehende Gleichungssystem ist in seiner Grundform nichtlinear, lässt sich jedoch auf eine elementar lösbare kubische Gleichung im gesuchten Fehlerentfernungsparameter zurückführen. Eine weitere Lösungsmöglichkeit bietet das Newton-Raphson-Verfahren. Durch Verlegen der lastseitigen Leiter-Erd-Kapazitäten an den Abgangsanfang kann das vollständige, nichtlineare System in ein lineares System überführt werden. Hierbei sind die beiden Ausprägungen „direkte Lösung mit unsymmetrischer Last“ oder „Ausgleichsrechnung mit symmetrischer Last“ möglich. Eine MATLAB®-Implementierung dieser vier Rechenalgorithmen bildet die Basis der weiteren Analysen. Alle messtechnischen Untersuchungen erfolgten am Netz-Kraftwerksmodell der TU Kaiserslautern. Hier wurden verschiedene Fehlerszenarien hinsichtlich Fehlerentfernung, -widerstand und Größe des gesunden Restnetzes hergestellt, in 480 Einzelmessungen erfasst und mit den Algorithmen ausgewertet. Dabei wurden auch Messungen an fehlerfreien Abgängen erhoben, um das Detektionsvermögen der Algorithmen zu testen. Neben Grundschwingungsbetrachtungen ist die Auswertung aller Datensätze mit der 5. und der 7. Harmonischen ein zentrales Thema. Im Fokus steht die Verwendbarkeit dieser Oberschwingungen zur Erdschlussentfernungsmessung bzw. -detektion mit den o.g. Algorithmen. Besondere Bedeutung kommt der Fragestellung zu, inwieweit die für ein Netz mit isoliertem Sternpunkt konzipierten Algorithmen unter Benutzung der höheren Harmonischen zur Erdschlussentfernungsmessung in einem gelöschten Netz geeignet sind. Schließlich wird das Verfahren auf Abgänge mit inhomogenem Leitermaterial erweitert, da auch diese Konstellation von praktischer Bedeutung ist.

Real-time systems are systems that have to react correctly to stimuli from the environment within given timing constraints. Today, real-time systems are employed everywhere in industry, not only in safety-critical systems but also in, e.g., communication, entertainment, and multimedia systems. With the advent of multicore platforms, new challenges on the efficient exploitation of real-time systems have arisen: First, there is the need for effective scheduling algorithms that feature low overheads to improve the use of the computational resources of real-time systems. The goal of these algorithms is to ensure timely execution of tasks, i.e., to provide runtime guarantees. Additionally, many systems require their scheduling algorithm to flexibly react to unforeseen events. Second, the inherent parallelism of multicore systems leads to contention for shared hardware resources and complicates system analysis. At any time, multiple applications run with varying resource requirements and compete for the scarce resources of the system. As a result, there is a need for an adaptive resource management. Achieving and implementing an effective and efficient resource management is a challenging task. The main goal of resource management is to guarantee a minimum resource availability to real-time applications. A further goal is to fulfill global optimization objectives, e.g., maximization of the global system performance, or the user perceived quality of service. In this thesis, we derive methods based on the slot shifting algorithm. Slot shifting provides flexible scheduling of time-constrained applications and can react to unforeseen events in time-triggered systems. For this reason, we aim at designing slot shifting based algorithms targeted for multicore systems to tackle the aforementioned challenges. The main contribution of this thesis is to present two global slot shifting algorithms targeted for multicore systems. Additionally, we extend slot shifting algorithms to improve their runtime behavior, or to handle non-preemptive firm aperiodic tasks. In a variety of experiments, the effectiveness and efficiency of the algorithms are evaluated and confirmed. Finally, the thesis presents an implementation of a slot-shifting-based logic into a resource management framework for multicore systems. Thus, the thesis closes the circle and successfully bridges the gap between real-time scheduling theory and real-world implementations. We prove applicability of the slot shifting algorithm to effectively and efficiently perform adaptive resource management on multicore systems.

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 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.

Emerging Memories (EMs) could benefit from Error Correcting Codes (ECCs) able to correct few errors in a few nanoseconds. The low latency is necessary to meet the DRAM- like and/or eXecuted-in-Place requirements of Storage Class Memory devices. The error correction capability would help manufacturers to cope with unknown failure mechanisms and to fulfill the market demand for a rapid increase in density. This paper shows the design of an ECC decoder for a shortened BCH code with 256-data-bit page able to correct three errors in less than 3 ns. The tight latency constraint is met by pre-computing the coefficients of carefully chosen Error Locator Polynomials, by optimizing the operations in the Galois Fields and by resorting to a fully parallel combinatorial implementation of the decoder. The latency and the area occupancy are first estimated by the number of elementary gates to traverse, and by the total number of elementary gates of the decoder. Eventually, the implementation of the solution by Synopsys topographical synthesis methodology in 54nm logic gate length CMOS technology gives a latency lower than 3 ns and a total area less than \(250 \cdot 10^3 \mu m^2\).

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 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.

3D integration of solid-state memories and logic, as demonstrated by the Hybrid Memory Cube (HMC), offers major opportunities for revisiting near-memory computation and gives new hope to mitigate the power and performance losses caused by the “memory wall”. In this paper we present the first exploration steps towards design of the Smart Memory Cube (SMC), a new Processor-in-Memory (PIM) architecture that enhances the capabilities of the logic-base (LoB) in HMC. An accurate simulation environment has been developed, along with a full featured software stack. All offloading and dynamic overheads caused by the operating system, cache coherence, and memory management are considered, as well. Benchmarking results demonstrate up to 2X performance improvement in comparison with the host SoC, and around 1.5X against a similar host-side accelerator. Moreover, by scaling down the voltage and frequency of PIM’s processor it is possible to reduce energy by around 70% and 55% in comparison with the host and the accelerator, respectively.