TY - THES A1 - Hund, Johannes T1 - Entwurf eines robusten drahtlosen Kommunikationssystems für die industrielle Automatisierung unter harten Echtzeitbedingungen auf Basis von Ultrawideband-Impulsfunk T1 - Design of a robust wireless communication system for industrial automation with hard real-time constraints based on ultra-wideband impulse radio N2 - Ziel dieser Dissertation war es, die Eignung von Ultra-Breitband-Pulsfunk (IR-UWB) für die drahtlose Kommunikation in der Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung zu untersuchen. Dazu wurde ein drahtloses Kommunikationssystem auf Basis standardisierter Protokolle entworfen und untersucht. Diese Anwendung erfordert die Erfüllung harter Echtzeitfähigkeit im Bereich weniger Millisekunden in industriellen Umgebungen. Ein solches Umfeld stellt aufgrund eines hohen Rauschpegels und vieler metallischer Oberflächen, die Multipfad-Effekte verursachen, sehr hohe Ansprüche an das Latenzverhalten und die Robustheit. Deshalb waren die Hauptziele die Reduzierung von Latenz und gleichzeitige Erhöhung der Robustheit für den existierenden, auf IR-UWB basierenden Standard IEEE 802.15.4a. Dieser Standard ist unter anderem deshalb vielversprechend, da er sich mit sehr preisgünstigen, nicht-kohärenten Empfängern von geringer Komplexität umsetzen lässt, die trotzdem relativ robust gegenüber Multipfad-Effekten sind. Es wurde gezeigt, dass sich auch mit diesen günstigen Geräten durch Optimierung des Standards eine hohe übertragungssicherheit bei geringer Latenz realisieren lässt. Es wurden Modifikationen zur Optimierung der Robustheit und Latenz des bisher üblichen Designs von nicht-kohärenten IR-UWB-Empfängern vorgestellt. Durch Ergänzungen zu der im Standard beschriebenen Modulation und Kodierung konnte die Verlässlichkeit zusätzlich gesteigert werden. Um diese optimierte PHY-Schicht effizient einsetzen zu können, wurde eine spezialisierte MAC-Schicht für die Automatisierung, die in einem Entwurf für den kommenden Standard IEEE 802.15.4e beschrieben wird, eingesetzt. Da bei dieser MAC-Schicht die Kommunikationsmuster im Voraus bekannt sind, war weitere schichtübergreifende, applikations-spezifische Optimierung möglich, die eine weitere Reduzierung der Latenz sowie eine Erhöhung der Robustheit erbrachte. Im Zuge der Arbeit wurde ein flexibel konfigurierbarer Simulator für IR-UWB auf Basis von industriell akzeptierten Kanalmodellen erstellt. Dieser Simulator wurde auch zur Evaluation und Verifikation der Forschungsergebnisse benutzt. Das entworfene Gesamtsystem ist über mehrere Parameter konfigurierbar und dadurch an weitere Anwendungen in der Automatisierung anpassbar. Eine dieser Konfigurationen wurde durch Simulation evaluiert. Sie zeigt mindestens die gleiche und zum Teil bessere Performance als bisherige drahtlose oder drahtgebundene Lösungen für die Sensor/Aktor-Ebene der Fertigungsautomatisierung, wie z.B. AS-Interface, Bluetooth I/O oder WISA. Für den repräsentativen Fall von 32 Teilnehmern mit jeweils einem Byte Prozessdaten erreicht sie eine Zykluszeit von 1,88 ms. Damit kann eine eine mittlere Reaktionszeit von 985 µs erreicht werden und eine harte Echtzeitschranke von 15 ms mit einer Fehlerwahrscheinlichkeit unter 10^-9 eingehalten werden. Das Kommunikationssystem wurde auch in Hardware auf FPGA-Basis implementiert. Da das benutzte analoge Front-End, ein früher Prototyp eines IEEE 802.15.4a-kompatiblen Front-Ends, noch keine repräsentativen Messungen zuließ, wurde die Funktion durch eine Basisbandverbindung über Kabel verifiziert. N2 - Goal of this thesis was to investigate the suitability of Ultra-Wideband Impulse Radio (IR-UWB) for wireless communication in the sensor-actuator layer of industrial factory automation by designing and evaluating a wireless communication system based on this technology. Another requirement was that the system should be using standardized protocols or products wherever possible. The application scenario results in hard real-time constraints in the order of few milliseconds. Those are to be fulfilled in rough environments with high noise figures and many metallic objects, that are causing a lot of multipath effects. Thus, the primary subjects were to reduce latency and improve robustness for the existing IR-UWB based standard IEEE 802.15.4a. A very appealing feature of that standard is that it allows the use of very cheap, low complexity non-coherent devices. It was discovered, that it is possible to improve the robustness of transmissions while still using these low-cost, low-complexity devices with only few additions to the existing standard. Several contributions to the state of the art of low-cost, low-complexity receiver design for IR-UWB and changes in modulation and coding were made to enhance the robustness of the existing standard. To use the resulting improved PHY layer efficiently, an exisiting specialized MAC layer for factory automation, as described in the draft standard IEEE 802.15.4e, was used. This MAC layer enabled further application specific cross-layer improvements that exploit the known communication pattern to provide a lower latency and higher resilience. The resulting communication system is configurable to adopt to different automation applications and provides at least equal and partly better performance than existing wire-bound or wireless solutions for the sensor-actuator level of industrial factory automation, like e.g. AS-Interface, Bluetooth I/O or WISA. For the representative case of 32 slave nodes with one byte of payload data each, the system provides a cyce time of 1.88 ms. It therefore allows to fulfill a hard realtime boundary of 15 ms with an error probability below 10^-9. During the work, a highly configurable simulator for IR-UWB based on industry-grade channel models has been developed to verify the results. The communication system was implemented in hardware based on FPGA. Since the RF-frontend was not ready for test, the verification of MAC and baseband functionality was acomplished using a baseband back-to-back test method. KW - Drahtloses lokales Netz KW - Ultraweitband KW - Breitbandübertragung KW - Echtzeitverarbeitung KW - UWB KW - Automatisierung KW - Echtzeit KW - Impulsfunk KW - IEEE 802.15.4a KW - UWB KW - Automation KW - Real-time KW - Impulse radio KW - IEEE 802.15.4a Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25219 ER - TY - THES A1 - Krstic, Milos T1 - Request-driven GALS technique for datapath architectures N2 - In this thesis a novel Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS) technique applicable to wireless communication systems and generally to datapath architectures is presented. The proposed concept is intended for point-to-point communication with very intensive but bursty data transfer. This concept is based on a request-driven operation of locally synchronous modules. The key idea is that a module can use the input request signal as its clock while receiving a burst of data. The developed GALS technique is applied to the design of an IEEE 802.11a compliant baseband processor with the aim to alleviate the problems of system integration, power consumption and electro-magnetic interference. The GALS design was compared with a synchronous version of the baseband processor. In our experimental setup we have measured a 1% reduction in dynamic power consumption, 30% reduction in instantaneous supply voltage variations, and 5 dB reduction in spectral noise. N2 - In dieser Doktorarbeit wird eine global asynchrone, lokal synchrone (GALS) Technik, die auf drahtlose Kommunikationssysteme und im Allgemeinen auf Datenpfad-Architekturen anwendbar ist, dargestellt. Das vorgeschlagene Konzept ist für Punkt-zu-Punkt organisierte Strukturen mit sehr intensiver, aber Block organisierter Datenübertragung vorgesehen. Dieses Konzept basiert auf einem Request-driven Betrieb der lokalen synchronen Blöcke. Die Schlüsselidee ist, dass ein Modul das Request-Signal als Taktsignal beim Empfangen eines Blocks von Daten benutzen kann. Die entwickelte GALS-Technik wird auf das Design eines IEEE 802.11a kompatiblen Basisbandprozessors angewendet, um die Probleme System-Integration, Leistungsaufnahme und elektromagnetische Störung zu vermindern. Das GALS-Design wird mit einer synchronen Version des Basisbandprozessors verglichen. Unsere Messungen ergaben eine Verringerung des dynamischen Energieverbrauchs um 1%, eine Verringerung von Versorgungsspannungs-Schwankungen um 30% und eine Reduktion des spektralen Rauschens um 5 dB. KW - GAL KW - GALS KW - Systemintegration KW - Asynchroner Entwurf KW - EMI KW - BIST Y1 - 2006 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000888 ER - TY - THES A1 - Zeidler, Steffen T1 - Enabling functional tests of asynchronous circuits using a test processor solution T1 - Realisierung von Funktionaltests asynchroner Schaltungen unter Verwendung einer Testprozessorlösung N2 - During the last years, the asynchronous design style has been rediscovered as a potential solution to upcoming design issues in deep-submicron technologies. However, besides the lack of commercial tools supporting this design style, one major challenge is the test of asynchronous designs. Especially their event-driven behavior leads to problems during test. Basically, the timing of asynchronous circuits is determined by gate and wire delays that are sensitive to variations of environmental parameters (process, voltage and temperature). This leads to uncertainties in the timing of the responses. Consequently, standard commercial test systems cannot be used, because such systems read the responses at specific cycles and, therefore, could reject fault-free devices. Furthermore, available hardware testers are, in principle, not designed to react to signal events from the design-under-test as it is necessary to establish asynchronous communication via handshake signalling. As a result, even simple functional tests that only apply stimuli and read the responses of the design-under-test cannot be realized without preparatory measures. This work addresses these issues and proposes a concept to enable functional tests of asynchronous designs. The concept is based on a special test processor that provides generic interfaces used to establish asynchronous handshake communication with a device-under-test. By this, elastic functional tests can be realized that overcome the static timing of conventional tests and emulate the real operating environment of the design. Apart from the generic test processor architecture, an essential part of the concept deals with the establishment of the processor as a stand alone or embedded test equipment. A workflow is provided that describes how the device-under-test can be embedded into the test processor environment for performing the tests. Besides the interconnection between the asynchronous design and the test processor, this especially includes the generation of programs that realize the functional tests of the design. A methodology is introduced that generates the desired programs for the processor from a standard functional simulation of the design-under-test. Based on the generic concept, a framework including both a test processor implementation and the realization of the program generation is delivered. In order to evaluate the entire concept, this framework has been applied to functionally test an asynchronous arithmetic-logic-unit. In combination with additional experiments, conducted to determine the required resources, it has been shown that the introduced concept is a suitable approach to test asynchronous designs. N2 - Aufgrund von Problemen bei der Integration komplexer Systeme in nano-skalierten Technologien zeichnet sich in den letzten Jahren der Trend zum asynchronen Entwurf integrierter Schaltungen ab. Allerdings wird dieser Paradigmenwechsel neben dem Mangel an Entwurfswerkzeugen insbesondere durch Probleme beim Testen gehemmt. Diese Probleme ergeben sich aus der Ereignis-getriebenen Funktionsweise von asynchronen Schaltungen, deren Zeitverhalten durch Leitungs- und Gatterverzögerungen bestimmt wird. Da diese Verzögerungen von Umgebungsparametern wie Temperatur und Versorgungsspannung, aber auch von Prozessvariationen abhängen, führt dies zu Unbestimmtheit im Antwortverhalten eines asynchronen Prüflings. Da jedoch kommerzielle Testsysteme die Ausgaben eines Prüflings zu festgelegten Zeitpunkten erwarten, kann diese Unbestimmtheit dazu führen, dass ein asynchroner Prüfling als fehlerhaft deklariert wird, obwohl dieser richtige Ausgaben - allerdings zu unerwarteten Zeitpunkten - liefert. Hinzukommt, dass kommerzielle Hardwaretester nicht dazu konzipiert sind, auf vom Prüfling erzeugte Signalereignisse zu reagieren. Diese Fähigkeit ist jedoch Grundvoraussetzung für die Kommunikation mit einem asynchronen Prüfling mittels so genannter Handshake-Verfahren. Als Folge können selbst einfache Funktionaltests, die die reale Umgebung des Prüflings emulieren sollen, mit Standardtestern nicht durchgeführt werden. Diese Arbeit greift diese Problematik auf und liefert ein Konzept, das Funktionaltests für asynchrone Schaltungen ermöglicht. Dieses Konzept beruht auf einem speziellen Testprozessor, welcher generische Schnittstellen zur asynchronen Handshake-basierten Kommunikation mit dem Prüfling bereitstellt. Dadurch werden elastische Tests ermöglicht, die das statische Zeitverhalten konventioneller Tests vermeiden und folglich die reale Betriebsumgebung eines asynchronen Designs emulieren können. Neben der generischen Architektur des Testprozessors umfasst das Konzept auch eine Beschreibung, wie der Prozessor als Testwerkzeug etabliert werden kann. Zum einen muss dazu der Prüfling in die Testprozessorumgebung eingebettet werden. Dazu muss insbesondere eine Verbindung zwischen den Schnittstellen des Prüflings und des Prozessors hergestellt werden. Zum anderen werden für die Realisierung der durchzuführenden Funktionaltests Programme für den Testprozessor benötigt. Zu diesem Zweck wird eine Methodik vorgestellt, die aus einer Standardfunktionalsimulation ein entsprechendes Testprozessorprogramm generiert. Aufbauend auf dem generischen Konzept wird ein Framework beschrieben, das eine Implementierung des Prozessors sowie der Programmgenerierung beinhaltet. Zur Evaluierung des Konzepts wurde dieses Framework für den Funktionaltest eines asynchronen Designs angewendet. Zusammen mit weiteren Experimenten, die die benötigten Ressourcen bestimmen, konnte dadurch erfolgreich gezeigt werden, dass das Konzept ein geeignetes Verfahren für den Funktionaltest asynchroner Schaltungen darstellt. KW - Asynchrones Schaltwerk KW - Prüftechnik KW - Fehlererkennung KW - Asynchrone Schaltungen KW - Funktionaltest KW - Testprozessor KW - Transferprotokoll KW - Nichtdeterminismus KW - Asynchronous circuits KW - Functional test KW - Test processor KW - Transfer protocol KW - Nondeterminism Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29643 ER - TY - THES A1 - Piotrowski, Krzysztof T1 - Assessment of the feasibility of distributed shared memory and data consistency for wireless sensor networks T1 - Die Abschätzung der Machbarkeit von verteilten gemeinsamen Speicher und Datenkonsistenz für Drahtlose Sensornetzwerke N2 - Wireless sensor networks (WSNs) are built of cheap, resource constraint devices, capable to collect process and communicate data. WSN applications depend on the data they collect. In other words, the applications require the data to be available, even if some WSN nodes fail. The challenge is that nodes are prone to fail and todays WSNs do not provide highly reliable data storage. Thus, the quality of the service provided by the system, regarding the data handling, is one of the most important factors. Data replication increases the availability of the data and thus, the robustness and quality of the data storage. But the existence of several copies of data items in the WSN induces the data consistency to become of high importance in order to ensure proper behavior of the application. This work investigates the feasibility of data consistency models used in distributed shared memory in WSNs to provide more powerful distributed systems with reliable data exchange. As a starting point WSNs and consistency approaches are introduced. Based on those basics, the mechanisms needed to allow for data consistency are discussed as a theoretical framework for the prototypical implementation of a data consistency providing middleware, which was implemented as part of this work. The middleware adapts the mechanisms known from original memory consistency approaches to be usable in the sensor network area and proposes own, low cost mechanisms, as well. The latter are at least partially based on the idea that within the shared memory of WSNs information is the major concern and that by that the replica update rates can be tailored to the application. In order to allow for ease of use of the middleware the replication schemes and consistency mechanisms can be defined by the application engineer as a policy. The latter is transformed and injected into the middleware code by a pre-compiler, so that the application engineer no longer needs to implement replication and consistency mechanisms herself. The most appropriate memory consistency models are implemented and evaluated using the framework proposed in this thesis. N2 - Drahtlose Sensornetze (wireless sensor networks, WSN) bestehen aus kostengünstigen, ressourcenbeschränkten Sensorknoten, die zum Sammeln, Verarbeiten und Kommunizieren von Daten geeignet sind. Die Anwendungen drahtloser Sensornetze hängen stark von den zu sammelnden Daten ab. D.h. die Daten müssen im Falle eines möglichen Ausfalls eines einzelnen Sensorknotens trotzdem zur Verfügung stehen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Knoten fehleranfällig sind und heutige WSN keinen hochverlässigen Datenspeicher zur Verfügung stellen. Somit ist die vom System bereitgestellte Servicequalität bezüglich der Datenbearbeitung einer der wichtigsten Faktoren. Die Replikation der Daten erhöht die Datenverfügbarkeit und damit die Robustheit und Qualität der Datenspeicherung. In WSN existieren mehrere Kopien einzelner Daten, die dazu führen, dass die Konsistenz der Daten von enormer Wichtigkeit ist, um das gewünschte Verhalten der Applikation zu gewährleisten. Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit von Modellen bezüglich Datenkonsistenz, welche in verteiltem gemeinsamen Speicher in drahtlosen Sensornetzen verwendet werden, um leistungsstärkere verteilte Systeme mit einem zuverlässigen Datenaustausch bereitzustellen. Zu Beginn werden der Begriff drahtlose Sensornetze und die verschiedenen Konsistenzansätze vorgestellt. Basierend auf diesen Grundlagen werden die Mechanismen, welche zur Datenkonsistenz benötigt werden, vorgestellt und diskutiert. Diese Diskussion dient als theoretischer Rahmen zur prototypischen Implementierung von Datenkonsistenz, die Middleware zur Verfügung stellt. Die Middleware wurde als Teil dieser Arbeit implementiert. Die Middleware adaptiert Mechanismen, bekannt aus den Ansätzen zur Speicherkonsistenz, um sie im Sensornetzbereich nutzbar zu machen und schlägt zusätzlich eigene kostengünstige Mechanismen vor. Letztere basieren zumindest teilweise auf der Idee, dass innerhalb des gemeinsamen Speichers von WSN Nachrichten der Hauptbezugspunkt sind. Die Aktualisierungsraten der replizierten Daten können auf die Anwendung zugeschnitten werden. Um Nutzerfreundlichkeit der Middleware zu erreichen, können die Replikationsschemata und Konsistenzmechanismen vom Anwendungsentwickler als Policy definiert werden. Letzteres wird transformiert und durch einen Pre-Kompiler in den Code der Middleware eingefügt, so dass der Anwendungsentwickler nicht länger Replikations- und Konsistenzmechanismen selbst implementieren muss. Die geeignetsten Speicherkonsistenzmodelle werden unter Nutzung des in dieser Arbeit vorgestellten Frameworks implementiert und evaluiert. KW - Verteiltes System KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Verteilter gemeinsamer Speicher KW - Drahtlose Sensornetze KW - Datenkonsistenz KW - Distributed shared memory KW - Wireless sensor networks KW - Data consistency Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23718 ER - TY - THES A1 - Sun, Yaoming T1 - Design of an integrated 60 GHz Transceiver Front-End in SiGe:C BiCMOS Technology T1 - Design eines integrierten 60 GHz Tansceiver Frontends in SiGe:C BiCMOS Technologie N2 - This thesis describes the complete design of a low cost 60 GHz front end in SiGe BiCMOS technology. It covers the topics of a system plan, designs of building blocks, designs of application boards and real environment tests. Different LNA and mixer topologies have been investigated and fabricated. Good agreements between measurements and simulations have been achieved by using the self-developed component models. A transceiver front end system is built based on these blocks. A heterodyne architecture with a 5 GHz IF is adopted because it is compatible with the standard IEEE 802.11a, which allows the reuse of some existing building blocks of the 5 GHz transceiver. The transceiver chips are assembled onto application boards and connected by bond-wires. Bond-wire inductances have been minimized by using a cavity and compensated by an on board structure. The front end has been tested by both QPSK and OFDM signals in an indoor environment. Clear constellations have been measured. This was the first silicon based 60 GHz demonstrator in Europe and the second in the world. N2 - Diese Arbeit beschreibt das komplette Design eines Low-Cost 60-GHz Frontends in SiGe-BiCMOS-Technologie. Sie beinhaltet die Themen Systemplanung, Design der Baugruppen, Design der Anwendungsplatinen und Tests in einer realen Umgebung. Verschiedene LNA- und Mischer-Topologien wurden untersucht und hergestellt. Gute Übereinstimmung zwischen den Messungen und Simulationen wurde durch die Verwendung selbst entwickelter Modelle für passive Komponenten erreicht. Basierend auf diesen Blöcken wurde ein Transceiver Frontend System gebaut. Eine heterodyne Architektur mit einer Zwischenfrequenz von 5 GHz wurde benutzt, weil sie kompatibel ist mit dem Standard IEEE 802.11a, was die Wiederverwendung einiger existierender Bausteine eines 5-GHz-Transceivers ermöglicht. Die Transceiver-Chips wurden auf Anwenderplatinen montiert und durch Bonddrähte verbunden. Die Bonddraht-Induktivitäten wurden durch die Verwendung eines Hohlraums auf des Platine minimiert und durch ein Anpassungsnetzwerk kompensiert. Das Frontend wurde sowohl mit QPSK- als auch OFDM-Signalen in einer In-Haus-Umgebung getestet. Eine fehlerfreie Datenübertragung konnte demonstriert werden. Dies war der erste Silizium-basierte 60-GHz-Demonstrator in Europa und der zweite in der Welt. KW - MMIC KW - Hochfrequenzschaltung KW - Transceiver KW - 60-GHz-Transceiver KW - MMIC KW - Integrierte Hochfrequenzschaltungen KW - Einchip-Lösung KW - Drahtlose Kommunikation KW - 60 GHz transceiver KW - MMIC KW - RFIC KW - Single chip solution KW - Wireless communication Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-11384 ER - TY - THES A1 - Piz, Maxim T1 - Wideband OFDM System for Indoor Communication at 60 GHz T1 - Ein Breitband-OFDM-System für lokale drahtlose Kommunikation im 60-GHz-Band N2 - The license-free 60 GHz band enables a new breed of wireless networks offering data rates in the range of one to a few Gigabit per second over short distances. This thesis investigates the performance of a 60 GHz system using coded OFDM modulation and directive antennas for the transmitter and receiver. The study includes the impact of the 60 GHz propagation channel, impairments of a frontend in Si-Ge technology and considerations with respect to an efficient implementation. A major part of the work consists in the specification of a physical layer, which is optimized for the given wireless link and enables an implementation with programmable logic devices at moderate clock speed. For the selection of a channel code, the performance of two coding schemes is compared for the 60 GHz channel. The first scheme consists of a standard convolutional code and an outer Reed-Solomon code, whereas the second scheme is made up of an LDPC code with similar complexity. The interleaving scheme for the convolutional code is optimized to yield best performance. Furthermore, algorithms are developed and simulated for all essential system components of the OFDM receiver. The implementation of these components is also considered. A new synchronization scheme is introduced, which offers a high degree of robustness at low complexity. In this scheme, the fine timing synchronization shares the same hardware resources as the channel estimator. This approach results in a significant reduction of chip area. A new tracking algorithm is developed, which adequately compensates for the fluctuations of carrier phase, timing and channel impulse response. Finally, the implementation of the FFT and Viterbi decoder is discussed. The system architecture of the receiver requires a high degree of parallel processing and uses a deep processing pipeline to keep the clock frequency low. It is shown how to combine the system components into an efficient system under these conditions. The performance of the complete system is investigated for the static and time-variant channel. It is shown that despite the low complexity and high latency, the system achieves good performance. The baseband processor has been realized as a narrowband version with 400 MHz channels and broadband version with 2 GHz channels and improved algorithms. This has been done on an FPGA platform. N2 - Das lizenzfreie 60 GHz Band ermöglicht den Einsatz von neuartigen drahtlosen Netzwerken, welche über kurze Distanzen Datenraten in der Größenordnung von ein bis mehreren Gigabit pro Sekunde bereitstellen können. Die Arbeit untersucht die Leistungsfähigkeit eines 60 GHz Richtfunksystems auf Basis der OFDM Modulation mit Kanalkodierung. Dies geschieht unter Berücksichtung der 60 GHz Kanaleigenschaften, Einflußfaktoren des analogen Frontends in Si-Ge Technologie und Betrachtungen hinsichtlich einer effizienten Implementierung. Einen wesentlichen Teil der Arbeit bildet die Spezifikation einer physikalischen Schicht, welche für die betrachtete Funkstrecke optimiert ist und eine Implementierung in komplexen Logikbausteinen mit moderaten Taktraten gestattet. Für die Auswahl des Kanalcodes wird ein Standard-Faltungscode mit einem äußeren Reed-Solomon Code einem LDPC-Code ähnlicher Komplexität gegenübergestellt. Hierfür wird der Interleaver für den Faltungscode optimiert, um die Korrekturfähigkeit für den 60 GHz Kanal zu erhöhen. Des Weiteren werden Algorithmen für die wesentlichen Systemkomponenten eines OFDM-Empfängers entwickelt, simuliert und schließlich auf Implementierungsebene betrachtet. Ein neuer Synchronisationsalgorithmus wird vorgestellt, der einen hohen Grad an Robustheit bei geringer Komplexität aufweist. Die zeitliche Feinsynchronisation und Kanalschätzung teilen sich gleiche Schaltungsressourcen, um den Hardwareaufwand zu reduzieren. Ein Tracking-Algorithmus wird erarbeitet, der die zeitlichen Schwankungen der Trägerphase, des Abtasttaktes und der Kanalimpulsantwort adäquat ausgleichen kann. Schließlich wird auf die Implementierung der FFT und des Viterbi Decoders eingegangen. Die Systemarchitektur des Digitalempfängers weist einen hohen Grad an Parallelverarbeitung auf und verwendet eine tiefe Pipeline-Prozessstrecke, um die Taktfrequenzen gering zu halten. Es wird gezeigt, wie sich die Komponenten unter diesen Umständen zu einem effizienten Gesamtsystem zusammenfügen lassen. Die Leistungsfähigkeit des Systems wird sowohl im statischen als auch zeitvarianten Kanal per Simulation ermittelt. Es wird gezeigt, dass sich trotz der relativ geringen Komplexität und hohen Latenz eine gute Gesamtperformance erreichen läßt. Der Basisbandprozessor ist als schmalbandige Variante mit 400 MHz breiten Kanälen und breitbandige Version mit 2 GHz breiten Kanälen und verbesserten Algorithmen auf einer FPGA Plattform implementiert worden. KW - Drahtloses lokales Netz KW - OFDM KW - OFDM KW - 60 GHz Kommunikation KW - WPAN KW - WLAN KW - Basisband Design KW - OFDM KW - 60 GHz Communication KW - WPAN KW - WLAN KW - Baseband Design Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22909 ER - TY - THES A1 - Dietterle, Daniel T1 - Efficient protocol design flow for embedded systems T1 - Effizienter Protokoll-Entwurfsprozess für eingebettete Systeme N2 - It is predicted that, in the next years, wireless sensor networks could be massively deployed in a wide variety of application areas, such as agriculture, logistics, automation, or infrastructure monitoring. An extremely low power consumption, high dependability, and low cost are common requirements for sensor nodes in all these applications. This can be achieved only by tiny, power-efficient microcontrollers and communication systems integrated on a single chip. Formal description techniques, such as SDL (Specification and Description Language), are suitable to formally prove properties of models designed in these languages. Code generators facilitate the automatic transformation of SDL models into software implementations, while preserving the properties of the model and, thus, achieving high system dependability. The implementations consist of the translated state machine behavior and, additionally, require a run-time environment for model execution. The objective of this work was to investigate an integrated design flow for embedded systems, which should allow the development of efficient and dependable system implementations from abstract SDL specifications. In this thesis, concepts for minimal SDL run-time environment have been devised and realized by an example implementation. Not only pure software implementations should be considered, but starting from these also the hardware/software (HW/SW) partitioning of the system should be supported. For this purpose, a cosimulation framework that allows the coupling of an instruction set simulator (ISS) with a functional SDL simulation has been investigated and prototypically implemented within the scope of this thesis. By shifting functionality to dedicated hardware components it is possible to take computational load from the microcontroller and to decrease the overall energy consumption by reducing the clock frequency and lowering the supply voltage. Due to the use of SDL, the design flow lends itself particularly to the implementation of communication protocols, and is limited to applications with soft real-time requirements. For an SDL-based design flow targeted to resource-constrained embedded systems, concepts and real implementations of minimal SDL run-time environments were lacking. Available software tools, indeed, enable the transformation of SDL models into C code, however for an efficient implementation, an integration into existing real-time operating systems (RTOS) for small microcontrollers is essential. A prototypical implementation of a run-time library for the Reflex RTOS has been created to validate our general concepts. It is about 30 % faster and consumes less than half of the program memory compared to the operating system independent run-time environment of the tool vendor Telelogic. For simple SDL models, the application requires in total less than 8 kbytes program memory and 1 kbyte RAM. For the evaluation of design alternatives that realize different hardware/software partitionings, instruction set simulators are particularly suitable. They facilitate the identification of performance bottlenecks of the HW/SW system. Test stimuli are required in order to measure the performance and response time of systems under design. The development of an environment that generates such test signals can be a laborious task. Thus, it is reasonable, especially in the design of protocols, to use an SDL simulation of a communication network to generate these test stimuli. Such an SDL model already exists and is the basis for the implementation. The protocol implementation simulated by the ISS then becomes part of the network simulation. An efficient coupling of SDL simulations with instruction set simulators had to be investigated, and a solution is presented in this thesis. Based on the general concepts, a cosimulation framework for the ISS TSIM for the LEON2 processor was realized by the author. The joint SDL and instruction set simulation is very fast, which could be demonstrated by connecting a software implementation of the complex IEEE 802.15.3 medium access control (MAC) protocol with an SDL simulation of a network consisting of four devices. The real execution time for 10 seconds of simulation time amounted to just 50 seconds. The overall design flow was validated by means of a HW/SW implementation of the IEEE 802.15.3 wireless MAC protocol. The author designed a complete SDL model of the protocol and integrated it into Reflex. By using our cosimulation environment for the TSIM simulator, the model was partitioned into hardware and software. For the hardware part, a dedicated protocol accelerator was designed by the author. This hardware component was integrated on a single chip with the LEON2 processor and, finally, manufactured. It could be shown that the presented methodology enables the design and implementation of efficient HW/SW systems. Consequently, it can be applied to the development of dependable and energy-efficient wireless sensor nodes and other embedded systems. N2 - Es wird vorausgesagt, dass in einigen Jahren eine riesige Menge von drahtlos kommunizierenden Sensorknoten in den verschiedensten Anwendungsgebieten, etwa der Landwirtschaft, Logistik, Automatisierung oder der Überwachung von Infrastruktur, Einzug halten könnten. Diesen Geräten ist gemeinsam, dass sie einen äußerst geringen Stromverbrauch, hohe Zuverlässigkeit und geringe Kosten aufweisen müssen. Dies ist nur mit kleinen, Strom sparenden Mikrocontrollern und auf einem einzigen Chip integrierten Kommunikationssystemen erreichbar. Formale Beschreibungssprachen, wie SDL (Specification and Description Language), eignen sich dazu, Eigenschaften von in dieser Sprache beschriebenen Modellen formal zu beweisen. Durch Code-Generatoren wird die automatische Umsetzung von SDL-Modellen in eine Software-Implementation unterstützt, welche die Eigenschaften des Modells erhalten soll und somit eine hohe Zuverlässigkeit des Systems erreicht. Neben der Umsetzung des Zustandsmaschinenverhaltens wird auch eine Laufzeitumgebung zur Ausführung benötigt. Die Zielstellung dieser Arbeit war es, einen durchgängigen Entwurfsprozess für eingebettete Systeme auf der Basis von SDL zu untersuchen, der es erlaubt, von abstrakten Spezifikationen in SDL zu effizienten und zuverlässigen Systemimplementationen zu gelangen. Es wurden neue Konzepte für minimale Laufzeitumgebungen erarbeitet und beispielhaft umgesetzt. Es sollte jedoch nicht nur die Generierung von reinen Software-Implementationen betrachtet werden, sondern von diesen ausgehend auch die Hardware/Software- (HW/SW-) Partitionierung der Systeme unterstützt werden. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Cosimulations-Ansatz zur Kopplung eines Befehlssatzsimulators (Instruction Set Simulator, ISS) mit einer abstrakten SDL-Simulation untersucht und prototypisch implementiert. Durch die Verlagerung von Funktionen in eigens dafür entworfene HW-Komponenten ist es möglich, Last vom Mikrocontroller zu nehmen und den Gesamtenergieverbrauch des eingebetteten Systems durch das Absenken der Taktfrequenz und Versorgungsspannung zu verringern. Wegen der Verwendung von SDL eignet sich der Entwurfsprozess besonders für die Implementierung von Kommunikationsprotokollen und ist auf Anwendungen mit weichen Echtzeitanforderungen beschränkt. Für eine SDL-basierte Entwurfsmethodik ausgerichtet auf extrem ressourcenbeschränkte eingebettete Systeme fehlten bislang Konzepte und tatsächliche Implementationen von minimalen SDL-Laufzeitumgebungen. Verfügbare Werkzeuge erlauben zwar die Übersetzung von SDL-Modellen in C-Code, für eine effiziente Implementation ist jedoch die Integration in vorhandene Mikrocontroller-Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) erforderlich. Eine prototypische Implementation einer Laufzeitbibliothek für das RTOS Reflex wurde entwickelt, um die allgemeinen Konzepte zu validieren. Verglichen mit der betriebssystem-unabhängigen Laufzeitumgebung des Werkzeugherstellers Telelogic ist diese Implementation um ca. 30 % schneller und benötigt weniger als die Hälfte des Programmspeichers. Bei kleinen SDL-Systemen benötigt die gesamte Applikation weniger als 8 kB Programmspeicher und 1 kB RAM. Zur Bewertung von Entwurfsalternativen, die unterschiedliche HW/SW-Partitionierungen realisieren, eignen sich besonders Befehlssatzsimulatoren. Diese erlauben die taktgenaue Simulation der Ausführung von Programmen auf einem Prozessor, häufig auch von Modellen eigener HW-Komponenten, und sind um Größenordnungen schneller als reine HW-Simulationen. Mit ihnen lassen sich zeitkritische Teile eines HW/SW-Systems identifizieren. Um Reaktionen des zu evaluierenden Systems hervorzurufen und dessen Performance messen zu können, werden Teststimuli benötigt. Die Entwicklung einer Umgebung, welche solche Testsignale erzeugt, kann sehr aufwändig sein. Daher ist es naheliegend, gerade im Bereich der Entwicklung von Protokollen, die Teststimuli durch die Simulation eines Kommunikationsnetzes in SDL zu erzeugen. Ein solches SDL-Modell liegt ja bereits der Implementierung zu Grunde. Die im ISS ausgeführte Protokollimplementierung wird dann Teil der Netzwerksimulation. Die möglichst effiziente Kopplung von SDL-Simulationen mit dem ISS musste untersucht werden und wurde im Rahmen dieser Arbeit gelöst. Basierend auf den allgemeinen Konzepten wurde eine Cosimulation mit dem ISS TSIM für den LEON2-Prozessor vom Autor realisiert. Die gemeinsame Simulation ist sehr schnell, was anhand der Kopplung einer SW-Implementation des sehr komplexen MAC-Protokolls IEEE 802.15.3 mit einer SDL-Simulation eines aus vier Stationen bestehenden Netzes nachgewiesen wurde. Die reale Simulationszeit für 10 Sekunden simulierte Zeit betrug gerade einmal 50 Sekunden. Der gesamte Entwurfsprozess wurde anhand einer HW/SW-Implementierung des im Standard IEEE 802.15.3 festgelegten drahtlosen Medienzugriffsprotokolls validiert. Dazu wurde vom Autor ein komplettes SDL-Modell des Protokolls entwickelt, dieses in Reflex integriert und in einem HW/SW-Codesign-Prozess partitioniert. Dabei wurde die Cosimulationsumgebung mit dem TSIM-Simulator verwendet. Für die HW-Partition wurde vom Autor ein Protokollbeschleuniger entworfen. Dieser wurde gemeinsam mit dem LEON2-Prozessor auf einem Chip integriert und gefertigt. Somit wurde nachgewiesen, dass die vorgestellte Methodik geeignet ist, um effiziente HW/SW-Systeme zu entwerfen und zu implementieren. Sie kann folglich zur Entwicklung von zuverlässigen und Strom sparenden drahtlosen Sensorknoten und anderen eingebetteten Systemen angewendet werden. KW - Eingebettetes System KW - Protocol Engineering KW - Cosimulation KW - IEEE 802.15.3 KW - Model-based design KW - Protocol engineering KW - Cosimulation KW - IEEE 802.15.3 Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-7848 ER - TY - THES A1 - Ortmann, Steffen T1 - Definition and configuration of reliable event detection for application in wireless sensor networks T1 - Definition und Konfiguration zuverlässiger Ereigniserkennung zur Anwendung in drahtlosen Sensornetzen N2 - Ubiquitous systems based on wireless sensor networks will amazingly increase our quality of life. These systems are to be deployed in large areas with high density where hundreds or thousands of nodes are used. Certainly that demands to use low cost devices with limited resources, which in turn are prone to faulty behaviour. This work introduces a novel concept for wireless sensor network configuration considering fault tolerance, energy efficiency and convenience as primary goals while being tailored to user needs. It allows to ignore low-level details like node resources, network structures, node availability etc. and enables the programmer to work on a high abstraction level, namely the event itself including event related constraints. The definition of events characterising real world phenomena is of prominent use in sensor networks. The presented concept autonomously configures and monitors events, even if it requires to organise collaboration between nodes to deliver the results. The contribution of this work is threefold. An intuitive XML-based ESL simplifies event configuration to a level that is even suitable for non-professionals. It features hardware independent description elements to define complex phenomena and enhances these by tailor-made voting schemes and application constraints. Based on that, a novel, fully decentralised mechanism to autonomously set up distributed event detection called EDT and a cost efficient means to maintain such EDT, are presented. EDTs can be efficiently constructed on every device by using a tiny generating finite state machine requiring eight states only. It enables every node to self-divide event queries according to its own resources and self-adapt to the tasks assigned. Simultaneously, the EDT provides the interface for efficient collaboration using a lease-based publish/subscribe approach. The simulations clearly show that this concept works well and the applied collaboration scheme outperforms even idealised acknowledgement-based approaches. On top of the EDT, a means is developed that enhances the reliability of detection beyond the scope of Boolean event decision. It examines behavioural trends in sensor readings to indicate the significance of actual measurements in relation to the configured event. Measured data is investigated in detail to finally attach a significance indicator "is" to each event. This automatically generated indicator shall support users or overlaying systems in decision-making. In the example scenario based on data of real test cases, the "is" indicates a flaming fire 88 seconds and a smouldering fire 48 seconds before the threshold-based method triggers the alarm. N2 - Drahtlose Sensornetze stellen eine Informationstechnologie dar, deren ubiquitäre Verwendung unsere zukünftige Lebensweise entscheidend beeinflussen und verbessern kann. Der massenhafte Einsatz solcher Systeme bedingt strengste Einschränkungen in Kosten und Ressourcen und führt damit zu einer verringerten Zuverlässigkeit der einzelnen Sensorknoten und des gesamten Sensornetzes. Diese Arbeit führt ein neuartiges Konzept zur Konfiguration von drahtlosen Sensornetzen ein. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Fehlertoleranz und Energieeffizienz unter besonderer Berücksichtigung von Verbraucherfreundlichkeit und Komplexität. Es erlaubt dem Nutzer auf einem hohen Abstraktionsniveau zu arbeiten, ohne niedrigstufige Details wie Sensor-Ressourcen, Netzwerkstrukturen, Verfügbarkeit der Knoten usw. beachten zu müssen. Die Beschreibung physikalischer Phänomene als Events findet breite Anwendung bei der Programmierung von Sensornetzen. Das vorgestellte Konzept konfiguriert und beobachtet einmalig definierte Events vollautomatisch, auch wenn dazu kooperative Beziehungen zwischen verschiedenen Sensorknoten notwendig sind. Die Arbeit besteht aus 3 Hauptteilen. Eine intuitive auf XML basierende Sprache zur Definition von Events vereinfacht die Konfiguration der Sensornetze auf ein Niveau, das auch für konventionelle Nutzer angemessen ist. Es besitzt hardware-unabhängige Elemente zur Definition von komplexen Phänomenen (Events) und erweitert diese durch maßgeschneiderte Verfahren zum Mehrheitsentscheid (Voting) und verfeinerte Ausführungsbedingungen. Darauf aufbauend wird ein neuartiger, komplett dezentraler Mechanismus zur autonomen verteilten Event Erkennung, genannt Event Entscheidungsbaum (EDT), vorgestellt. EDTs werden auf sehr effiziente Weise auch auf kleinsten Geräten durch einen generierenden endlichen Automaten mit lediglich acht Zuständen erstellt und verwaltet. Der EDT ermöglicht es jedem Sensorknoten, sich auf Grundlage seiner verfügbaren Ressourcen die übermittelten Aufgaben selbstständig einzuteilen und zu konfigurieren. Gleichzeitig bildet er die Schnittstelle für effiziente Zusammenarbeit zwischen mehreren Knoten mittels eines Lease-basierten Publish/Subscribe Verfahrens. Die Aufwandsschätzungen und Simulationen zeigen deutlich, dass dieses Verfahren sehr effizient arbeitet und sogar idealisierte auf Bestätigungen (Acknowledgements) basierende Verfahren deklassiert. Zusätzlich wurde ein Verfahren entwickelt und getestet, das die Zuverlässigkeit in der Erkennung von Events über die üblichen, auf Schwellwerten basierenden, Methoden hinaus steigern kann. Es untersucht den Trend vergangener Messwerte um die Relevanz aktueller Messwerte in Relation zum Event zu ermitteln. Daraus ergibt sich ein Indikator für die Signifikanz des Messwerts ("is"). Dieser automatisch generierbare Indikator soll Nutzer oder höherrangige Systeme bei Entscheidungen und weiteren Aktionen unterstützen. In der vorgestellten Beispielanwendung, die auf Daten aus realen Testläufen basiert, indiziert "is" ein flammendes Feuer 88 Sekunden und einen Schwelbrand 48 Sekunden vor den auf Schwellwerten basierten Methoden, die erst entsprechend später einen Alarm auslösen. KW - Drahtloses Sensorsystem KW - Zuverlässigkeit KW - Zuverlässigkeit KW - Ereigniserkennung KW - Verbraucherfreundlichkeit KW - Drahtlose Sensornetze KW - Reliability KW - Event detection KW - Usability KW - Wireless Sensor Networks Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-19602 SN - 978-3-8322-9445-8 ER - TY - THES A1 - Maaser, Michael T1 - Design and realization of privacy guaranteeing means for context-sensitive systems T1 - Design und Realisierung privatsphärenschützender Mittel für kontextsensitive Systeme N2 - Privacy issues are becoming more and more important, especially since the cyber and the real world are converging up to certain extent when using mobile devices. Means that really protect privacy are still missing. The problem is, as soon as a user provides data to a service provider the user looses control over her/his data. The simple solution is not to provide any data but then many useful services, e.g., navigation applications, cannot be used. The dissertation addresses two aspects of privacy protection. The first aspect regards not producing private information if possible. Such unnecessary information are traces of access controlled service uses. Hence, one approach in this dissertation enables k-anonymous authorization for services uses. It equips the users of the system with trusted pseudonymous certificates reflecting their respective authorizations. Analogous to anonymous e-cash, the certificates are issued by a trusted authority with knowledge of the actual authorizations of an identified user. The certificates can be verified by any service supported by the trusted authority but without knowledge of the user’s identity. Not even the issuing authority is able to reveal the users identity from the pseudonym of a certificate. Hence, service usage cannot be tracked, neither by the service nor by the authority. This protects the privacy of service usage behavior of users. The second aspect of privacy protection is to remain in control over private data released to others. Temporary release of private data is essential to context-sensitive services, which rely on these context data to provide or improve added value. Therefore, the dissertation designs a Privacy Guaranteeing Execution Container (PGEC), which enables applications to access private user data and guarantees that the user data is deleted as soon as the service or application is finished. Basically, the concept is that the application obtains access to the user data in a specially protected and certified environment, the PGEC. The PGEC also restricts the communication between the application and the service provider to what is explicitly allowed by the service user. In addition to those means, the PGEC also implements countermeasures against malicious attacks such as modified host systems and covert channel attacks, which might be misusing CPU load to signal data out of the PGEC. Thus, the PGEC guarantees a “one time use” of the provided private data. N2 - Privatsphären- und Datenschutzfragen gewinnen immer mehr an Bedeutung. Vor allem seit die Cyber- und die reale Welt durch die Verwendung mobiler Geräte zu einem gewissen Grad konvergieren. Mittel, die tatsächlich die Privatsphäre schützen, fehlen noch immer. Das Problem ist: Sobald ein Benutzer seine Daten an einen Diensteanbieter übermittelt, verliert er die Kontrolle über seine Daten. Die einfachste Lösung wäre es, überhaupt keine Daten zu übermitteln. Dann können jedoch viele nützliche Dienste, z. B. Navigations-Anwendungen, nicht verwendet werden. Diese Dissertation adressiert zwei Aspekte des Privatsphärenschutzes. Der erste Aspekt betrifft die Nicht-Erzeugung privater Informationen wenn möglich. Solche unnötigen Informationen sind Nutzungsspuren an zugriffsbeschränkten Diensten. Deshalb ermöglicht ein Ansatz dieser Dissertation eine k-anonyme Zugangsberechtigung. Er stattet die Benutzer des Systems mit vertrauenswürdigen pseudonymisierten Zertifikaten aus, welche die entsprechende Autorisierung reflektieren. Analog zu anonymen e-Cash-Ansätzen werden die Zertifikate von einer vertrauenswürdigen Autorität mit Kenntnis über die tatsächlichen Berechtigungen identifizierter Nutzer ausgestellt. Die Zertifikate können von jedem Dienst mit Unterstützung der Autorität verifiziert werden, ohne die Identität des Benutzers zu kennen. Nicht einmal die ausstellende Autorität ist in der Lage, die Identität des Benutzers aus dem Pseudonym des Zertifikates zu ermitteln. Daher kann die Servicenutzung nicht nachverfolgt werden, weder durch den Dienst noch durch die Autorität. Dieses schützt die Privatsphäre des Dienstnutzungsverhaltens der Nutzer. Der zweite Aspekt des Privatsphärenschutzes ist, die Kontrolle über ausgegebene private Daten zu behalten. Die vorübergehende Herausgabe privater Daten ist unerlässlich für kontextsensitive Dienste, die auf solche Kontextdaten angewiesen sind, um den Mehrwert des Dienstes anzubieten oder zu erhöhen. Dazu wird in dieser Dissertation ein Privatsphären garantierender Ausführungscontainer (PGEC) entworfen, der Anwendungen den Zugriff auf private Nutzerdaten ermöglicht, dabei aber garantiert, dass die Nutzerdaten gelöscht werden, sobald der Dienst oder die Anwendung beendet ist. Im Grunde ist das Konzept, dass die Anwendung den Zugriff nur innerhalb einer speziell geschützten und zertifizierten Umgebung, dem PGEC, erhält. Der PGEC beschränkt außerdem die Kommunikation zwischen der Anwendung und dem Dienstanbieter auf das Maß, welches explizit durch den Dienstnutzer festgelegt wird. Zusätzlich zu diesen Mitteln wendet der PGEC Gegenmaßnahmen an gegen böswillige Angriffe, wie modifizierte Hostsysteme und Angriffe über verdeckte Kanäle, die zum Beispiel die CPU-Last missbrauchen könnten, um Daten aus dem PGEC herauszuschleusen. Damit garantiert der PGEC eine “Einmalnutzung” der herausgegebenen privaten Daten. KW - Digital Rights Management KW - Datenschutzfreundliche Techniken KW - Anonymität KW - DRM KW - Dateneinmalnutzung KW - Privacy enhancing techniques KW - Anonymity KW - DRM KW - One-time-use of data Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-19596 SN - 978-3-8322-9448-9 ER - TY - THES A1 - Ehrig, Marcus T1 - Hardwareimplementierte latenzarme drahtlose Medienzugriffsprotokolle für höchsten Datendurchsatz T1 - Hardware implemented low latency wireless medium access control protocols for highest data throughput N2 - Der Fortschritt der Technik ermöglicht immer leistungsfähigere drahtlose Dienste mit hohen Anforderungen an Latenz, Jitter und Übertragungsgeschwindigkeit. Aktuelle digitale Protokolle für drahtgebundene hochauflösende Multimediaübertragungen (HDMI, DisplayPort) oder Peripherieschnittstellen (USB, PCIe, SATA) in der Computertechnik erreichen Datenraten im Multi-Gigabit Bereich. Die Übertragung der Inhalte z.B. Filme, Musikstreaming oder Dateiübertragungen mit Hilfe breitbandiger drahtloser Übertragungsverfahren vereinfacht die kabellose „Installation“ und die daraus folgende Benutzerfreundlichkeit (Mobilität) im Heimbereich (Indoor). Weiterhin werden Systeme mit hohen Datenraten und kleinen Latenzen unter 5 ms im Mobilfunkbereich benötigt, um Basisstationen (3G, LTE) mit dem Kernnetzwerk zu verbinden. Diese Backhaul-Verbindungen können auch im innerstädtischen Bereich zum Aufbau von Small-Cell-Installationen genutzt werden, da nicht immer eine Kabelverlegung möglich ist. Eine Verkettung der Verbindungen vergrößert den Abstand zum Zugangspunkt des Kernnetzes und stellt zusätzliche Anschlußpunkte für Basisstationen bereit. Allerdings vergrößert sich auch die Latenz für die weiter entfernten Stationen. In dieser Arbeit wird ein MAC-Protokoll für hochratige und latenzarme drahtlose Verbindungen vorgestellt. Dazu werden sowohl Punkt-zu-Punkt- als auch Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen auf ihre speziellen Anforderungen bei der Implementierung der MAC-Komponenten in einer programmierbaren Hardware (FPGA) analysiert. Eine Integration des MAC-Protokolls zusammen mit einem OFDM-Basisbandprozessor mit Brutto-Datenraten größer 5 GBit/s erlaubt die Überprüfung der Funktionalität sowie die Messung wichtiger Protokollparameter unter realen Einsatzbedingungen. Das vorgeschlagene Medienzugriffsprotokoll unterstützt den Einsatz von Beamsteering-Verfahren zur Suche von benachbarten Kommunikationsteilnehmern und den gleichzeitigen räumlich getrennten Kanalzugriff mehrerer Kommunikationsteilnehmer. Eine Anwendungsschnittstelle für nutzerspezifische Implementierungen mit exklusivem Zugriff auf das Übertragungsmedium erleichtert die Integration zusätzlicher Funktionalität wie z.B. eine hochauflösende Entfernungsmessung. Weiterhin wird ein Verfahren zur latenzarmen Detektierung und Umschaltung blockierter Pfade vorgestellt. Umfangreiche Simulationen bestätigen die Funktionalität des MAC-Protokolls in unterschiedlichen Szenarien mit und ohne Übertragungsfehler. N2 - The progress in the technology leads to higher performance of wireless services with high requirements in latency, jitter, and data rates. Current digital protocols for wired high definition multimedia transmissions (HDMI, Display Port) or peripheral interfaces (USB, PCIe, SATA) reach data rates in the order of several gigabits per second. The transmission of the content, e.g., movie and music streaming, or file transfers with broadband wireless transmission techniques allows more easy setup procedures and results in better usability in indoor environments. The infrastructure for mobile services requires transmission systems with high data rates and low latencies of below 5 ms for connecting mobile base stations to the core network. These connections can also be used for building up small-cells in the inner cities, because in some cases there are no wired connections possible. The daisy-chaining of the connections increases the distance between the core network and provides additional access points for the mobile base stations. However, the latency is increasing for stations with higher distance between them. This work presents a MAC protocol for high data rate and low latency connections. Therefore, the requirements for the integration of the components of the MAC protocol in a programmable hardware (FPGA) are analyzed for point-to-point and point-to-multi-point connections. The integration of the MAC protocol together with an OFDM baseband processor with gross data rates of about 5 GBit/s allows the test of the functionality and the measurement of important parameters of the protocol under real operational conditions. The proposed MAC protocol supports the use of beamsteering methods for searching of stations in the neighborhood and allows simultaneous space division access of stations. Additionally, a method for low latency detection and switching of blocked connections is presented. An application interface for user-defined implementations can assign exclusive access to the transfer medium. This facilitates the integration of additional functionality, e.g., high definition measurements of distances (ranging). Exhaustive simulations confirm the functionality of the MAC protocol in different scenarios with and without transmission errors. KW - Drahtlose Breitbandkommunikation KW - Drahtlose Medienzugriffssteuerung (MAC) KW - Hochdirektive Antennen KW - Wireless Broadband Communication KW - Highly Directional Antennas KW - Breitbandkommunikation KW - Breitbandantenne KW - Funktechnik KW - Zugangsverfahren Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34828 ER -