05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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Subject: search.filters.subject.620Start date: 2019End date: 2019

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    Maschinelles Lernen für intelligente Automatisierungssysteme mit dezentraler Datenhaltung am Anwendungsfall Predictive Maintenance
    (2019) Maschler, Benjamin; Jazdi, Nasser; Weyrich, Michael
    Für eine hohe Ergebnisqualität sind Machine Learning Algorithmen auf eine breite Datenbasis angewiesen. Studien zeigen jedoch, dass viele Unternehmen nicht bereit sind, ihre Daten mit anderen Unternehmen, beispielsweise in Form einer gemeinsamen Daten-Cloud, zu teilen. Ziel sollte es daher sein, effizientes maschinelles Lernen mit einer dezentralen Datenhaltung, die den Verbleib vertraulicher Daten im jeweiligen Ursprungs-Unternehmen ermöglicht, zu ermöglichen. In diesem Artikel wird diesbezüglich ein neuartiges Konzept vorgestellt und hinsichtlich seiner Potentiale für intelligente Automatisierungssysteme am Beispiel des Anwendungsfalls Predictive Maintenance analysiert. Die Umsetzbarkeit des Konzepts unter Nutzung verschiedener bestehender Ansätze wird diskutiert, bevor schließlich auf potentielle Mehrwerte für Anlagenbetreiber sowie -hersteller unter besonderer Berücksichtigung der Perspektive kleiner und mittlerer Unternehmen eingegangen wird.
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    Decentralized interference coordination for the downlink of fully loaded heterogeneous wireless networks
    (2019) Bleicher, Zarah M. L.; Speidel, Joachim (Prof. Dr.-Ing.)
    The relentless evolution towards an overwhelming increase of mobile data traffic, where mobile phone subscribers demand the highest data rates and comprehensive coverage presents current and future mobile communication networks with demanding requirements. Previous homogeneous networks were mostly designed to optimize the sum capacity and peak data rates rather than take the individual user experience into account, and therefore failed to meet these requirements. Multi-layer networks, also known as heterogeneous networks, can improve the coverage and capacity of the cellular network and bring the network closer to the user. Moreover, the introduction of the smaller cells into the macro cellular network can improve the performance, especially in hotspots and indoors, which results in a better user experience. Frequency spectrum is rare and valuable, thus solely adding further bandwidth does not meet the demand. However, when reusing the bandwidth, inter-cell interference from neighboring cells leads to performance degradations, in particular for users located at the cell edges. Within a multi-layer network, additional and even more dynamic interference is present, caused by different kinds of cells, like macro-, pico-, femtocells, and relays. Therefore, addressing the interference issue is essential. This thesis examines suitable interference coordination algorithms and introduces an advanced interference coordination technique for heterogeneous networks. Whereas current techniques require significant communication between base stations, reduce the available bandwidth notably or do not consider interference between the small cells, the advanced technique is located in the small cells with only marginal information exchange. Its performance is investigated by means of computer simulations for fully loaded heterogeneous networks on the system layer. As a result, the proposed technique reduces the impact on the surrounding cells significantly, making in-home communication services attractive, leading to a tremendous advantage for service providers as well as the end-user.
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    Drahtloses Kommunikationssystem für biegsame Sensor-Folien
    (2019) Briem, Jochen; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
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    Data transfer in partitioned multi-physics simulations : interpolation & communication
    (2019) Lindner, Florian; Mehl, Miriam (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
    Partitioned multi-physics simulations allow to reuse existing solvers and to combine them to multi-physics scenarios. This provides not only greater flexibility and improved time-to-solution, but also helps to manage the increasing complexity of modern scientific software. This thesis sees itself as a continuation of the works of B. Gatzhammer and B. Uekermann who developed a comprehensive tool to couple independent simulation codes. I focus on the two important aspects of interpolation between non-matching grids as well as communication between several parallel codes and conclude with aspects of software development of the coupling library preCICE. The interpolation part puts special emphasis on radial-basis function interpolation. It starts with a thorough review of existing interpolation methods with special consideration of the black-box approach to multi-physics simulations and explores promising enhancements to RBF interpolation. Numerical experiments provide a rigorous testing for accuracy, stability and scaling behavior of different variants of RBF implementations. Following the insights gained from the numerical experiments, a highly-optimized parallel implementation for preCICE is developed, containing various measures to improve accuracy and stability of the interpolation. The communication part first defines the requirements for partitioned simulations in terms of communication. A new technique for peer-to-peer communication networks between distinct MPI domains is developed and evaluated against existing approaches. Furthermore, a fast method to establish connections via the file system is presented. Both measures optimize the initialization phase and achieve a considerable speedup. Finally, a strategy to fully decouple algorithmically independent participants on the communication protocol level is implemented and tested. In the last part, the software-related challenges in developing a parallel scientific application involving multiple independent solvers are outlined. I show how the preCICE project handles testing, profiling and integration of a large parallel scientific software with multiple participants. A profiling library for distributed applications has been developed and is extensively used in preCICE and potentially other projects.
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    Integrierte gestapelte CMOS-Schaltverstärker für den Mobilfunk
    (2019) Bieg, Robert; Berroth, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)
    Die Entwicklung der Mobilfunkkommunikation entwickelt sich zur Übermittlung immer höherer Datenraten. Dies wird erreicht, indem zum einen höherwertige Modulationsverfahren eingesetzt werden und zum anderen die Signalbandbreite erhöht wird. So sind in der aktuellen Spezifikation vom zukünftigen Mobilfunkstandard NR (engl. new radio)/5G Signalbandbreiten bis zu 100 MHz ohne Kanalaggregation vorgesehen. Zum Vergleich beträgt die maximale Bandbreite eines Kanals beim aktuellen Mobilfunkstandard LTE/E-UTRA/4G 20 MHz. Diese zwei Punkte führen bei den heutigen hauptsächlich linearen Verstärkerarchitekturen zu folgenden Problemen: durch die höherwertigen Modulationsverfahren steigert sich das Verhältnis der maximalen zur mittleren Leistung der Signale. Dadurch müssen die linearen Verstärker im Mittel mit einer geringeren Ausgangsleistung als maximal möglich betrieben werden, um Verzerrungen im Ausgangssignal zu vermeiden. In diesem Betrieb sind lineare Verstärker aber zunehmend ineffizient. Verstärkerarchitekturen wie Doherty-Verstärker oder Outphasing-Verstärker können die Effizienz der linearen Ausgangsstufe zwar wieder erhöhen, allerdings auf Kosten eines Ausgangsfilters, welcher die Bandbreite des Verstärkers limitiert. Dies wirkt der gewünschten Erhöhung der Bandbreite für zukünftige Mobilfunkstandards entgegen. Schaltverstärker, welche auch als digitale Verstärker bezeichnet werden, haben diese Problematik nicht. Nach Überführung des Eingangssignals in eine Pulsfolge können die Pulse verstärkt werden. Hierbei muss statt des Verhältnisses der maximalen zur mittleren Leistung die Kodiereffizienz berücksichtigt werden. Bei der Verstärkung der Pulse hat ein Schaltverstärker dabei prinzipbedingt eine sehr hohe Bandbreite. Ein weiterer Vorteil ist die theoretisch verlustlose Verstärkung der Pulse. Im Vergleich ist die maximal mögliche Effizienz von linearen Verstärkern bereits theoretisch begrenzt. Aus diesem Grund sind Schaltverstärker ein interessanter Forschungsgegenstand im Hinblick auf zukünftige Mobilfunkgenerationen. In dieser Arbeit werden deshalb integrierte Schaltverstärker untersucht. Bei der Wahl der Technologie wird ein CMOS-Knoten gewählt. Diese Silizium-Technologie ist im Vergleich zu den Alternativen kostengünstiger und der 65 nm-Knoten bietet ausreichend hohe Schaltgeschwindigkeiten, um den unteren Frequenzbereich von NR zumindest teilweise abdecken zu können. Vorteilhaft ist zudem die Möglichkeit der gemeinsamen Integration mit einem CMOS-Signalprozessor. Aus diesen Gründen werden die integrierten Schaltungen dieser Arbeit in der 65 nm-CMOS-Technologie von ST Microelectronics entwickelt. Ein Problem der Transistoren in dieser Technologie ist die geringe Durchbruchspannung, mit welcher ohne Anpassnetzwerke kaum Ausgangsleistung erzeugt werden kann. Um den Ausgangshub erhöhen zu können, werden die Transistoren gestapelt angeordnet. Diese gestapelten Strukturen sind Kern dieser Arbeit.
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    Modeling and simulation of cabin air filtration with focus on electrostatic effects
    (2019) Schober, Carolin; Mehl, Miriam (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
    Cabin air filters serve to remove harmful pollutants from the air flow supplied to the car passenger compartment. Electrostatic charges on cabin air filter media significantly improve the degree of particle separation without compromising the air permeability, thus achieving superior filtration performance. In order to optimize the performance metrics, a basic understanding of electrostatic filtration effects is required. However, these effects are largely unexplored due to limited experimental measurement options. Numerical simulations allow a deeper insight into fundamental physical processes than the measurement of macroscopic quantities. However, the uni-directionally coupled status quo simulation approach leads to results deviating from experimental observations for electrostatically charged systems. Numerous unknown parameters such as the charge distribution on filter fibers and dust particles and the lacking implementation of all simultaneously effective electrostatic separation mechanisms cause these differences. This dissertation provides an enhanced fully-coupled modeling approach to simulate specific electrostatic filtration effects. The new simulation model includes the interaction of highly bipolar charged dust particles with each other, with filter fibers, and with the background air flow. Extensive studies demonstrate the necessity of this high level of detail in order to dissolve electrostatic agglomeration effects in the inflow area. In addition, combined numerical and experimental test scenarios provide qualitative results allowing to observe the effect of induced dipoles and mirror charges. A combination of the fully-coupled modeling approach with the status quo simulation method in a two-step procedure is highly recommended for further research studies.