Research

MIMO and Millimeter Wave Communications

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) in modern communications systems refers to the usage of several antennas at the transmitter as well as at the receiver. These antennas can be used to enhance the reliability of communications, e.g., by applying so-called diversity techniques, and/or to increase the data rate. If one is interested in very high data rates, MIMO systems are often combined with millimeter Wave (mmWave) communications, i.e, communications systems whose carrier frequencies have a wavelength of only a few millimeters.

Popular research topics in the area of MIMO are, e.g.,

  • massive MIMO, i.e., a communications system with a huge amount of antennas at the receiver and/or transmitter,
  • MIMO in combination with millimeter Wave (mmWave) communications, and
  • multicell and multiuser MIMO.


Wireless Sensor Networks

A modern topic in wireless communications is the Internet of Things (IoTs), like e.g., the network of sensors and other electronic equipment in a smart home. Another interesting application in this field of research is the so-called smart dust, i.e., a system of many tiny sensors which are wirelessly connected with each other in order to exchange and process measured data. The underlying wireless networks can have different topologies.

We are especially interested in a wireless meshed network of sensors which are measuring a physical field like, e.g., the temperature distribution in a room or the moisture distribution on an agricultural land. Thereby, data processing is done either centralized in a master node or distributed over the network, also denoted as in-network processing. The focus of research is on low-energy, low-cost, and reliable solutions. Low-energy realizations are especially important for applications where a long battery life is obligatory. These solutions are also supported via energy harvesting.


Software Defined Radios

Software Defined Radios (SDRs) are radios whose properties like, e.g., the modulation alphabet, the type of pulse shaping, the type of receiver structure, can be easily adopted via changing the underlying software. While this implementation approach is especially appealing for prototyping of new communications standards due to its flexibility, it has also some severe drawbacks.

Usually, SDR implementations are much less energy efficient than comparable hardware solutions. This is also the reason why SDRs are still not used in today's communications devices like, e.g., a mobile phone, where a long battery life is one of the key requirements. Therefore, our research focuses on the development of low-energy, low-complexity, and low-cost SDRs.


Synchronization

In most of the research areas within communications, synchronization, e.g., frame, clock or carrier synchronization, is often assumed to be ideal. However, in real systems, synchronization methods are erroneous and have a non-negligible effect on the performance of the whole system.

Our research focuses on an approach for clock synchronization, which is inspired by nature. A group of periodically flashing fireflies are synchronizing when they are in the vicinity of each other. This synchronization is performed in a non-centralized manner, i.e., there is no master firefly who tells the other flies when to flash. On the contrary, each firefly is adjusting its flashing times by observing the flashes of neighboring flies.

The following movie demonstrates a communications network whose nodes are synchronized by a method which is related to the synchronization of fireflies, therefore, also denoted as firefly synchronization.

Video demonstrating firefly synchronization of a communications network (source: G. Dietl)

Themen für Bachelor- und Masterarbeiten

Folgende Listen an Arbeitsthemen stellen lediglich eine sehr kurze Zusammenfassung dar. Bitte melden Sie sich bei Herrn Dietl, falls Sie an genaueren Details der einzelnen Themen interessiert sind!

Bachelorarbeitsthemen
  • Anwendung von Verfahren des maschinellen Lernens zur Detektion von digitalen Kommunikationssignalen
  • Entwicklung eines Bluetooth-Headsets mit Anbindung des Kopfhörers und Mikrofons über BLE
  • Realisierung eines Smartphones mit Raspberry Pi, Funkmodul und Touchscreen
  • Entwicklung eines Spektrumanalysators unter Verwendung eines Software Defined Radios mit Ansteuerung über GNU Radio auf einem Android-Endgerät (z.B. Mobiltelefon)
  • Realisierung eines Bluetooth-Meshed-Netzwerks basierend auf Bluetooth Low Energy (BLE) und unter Verwendung von NRF52840-DK Entwicklungsboards
  • Simulation der Leistungsfähigkeit von Kommunikationssystemen unter Verwendung der Programmiersprache Julia
  • Aufbau und Untersuchung eines Sensornetzwerks zur Messung eines physikalischen Felds (z.B. Temperaturverteilung im Raum oder Feuchteverteilung auf einem landwirtschaftlichen Feld)
  • Aufbau und Untersuchung einer Kommunikationsstrecke mit Software Defined Radios
  • Aufbau und Untersuchung eines Mehrantennensystems mit Software Defined Radios

Gerne können Sie sich auch bei Herrn Dietl melden, falls Sie eigene Themenvorschläge im Bereich der Kommunikationstechnik bearbeiten wollen!

Masterarbeitsthemen

Die oben genannten Bachelorarbeitsthemen können mit Ergänzungen auch als Masterarbeitsthemen geeignet sein. Bitte fragen Sie bei Interesse einfach Herrn Dietl!

  • Aufbau und Untersuchung eines digitalen Effektgeräts (z.B. Nachahmung eines analogen Verstärkers) mit DSP
  • Simulation von Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung unter Verwendung der Programmiersprache Julia
  • Entwicklung und Aufbau eines Low-Cost Low-Energy Software Defined Radios für Anwendungen im Bereich der Internet of Things (IoT)

Gerne können Sie sich auch bei Herrn Dietl melden, falls Sie eigene Themenvorschläge im Bereich der Kommunikationstechnik und digitalen Signalverarbeitung bearbeiten wollen!


Forschungs­projekt: SafeAERIAL - Sichere Alarmgebung elektro­medizinischer Geräte über Rettungs­hub­schrauber-Intercom-Anlagen (abgeschlossen)

Förderprogramm
Medizintechnik vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
Partner
Laufzeit
1. Februar 2018 bis 31. Januar 2020 (2 Jahre)
Mitarbeiter
M.Eng. Janusz Wituski
Zusammenfassung

Obwohl Medizingeräte sowohl mit akustischen und optischen Alarmfunktionen ausgestattet sind, ist es aufgrund des hohen Geräuschpegels im Rettungshubschrauber kaum möglich, Alarme ohne Zeitverzögerung zu detektieren und in Folge dessen, mit sofortiger Wirkung zu reagieren. Insbesondere pathophysiologische Entgleisungen oder Veränderungen der Vitalparameter des Patienten, aber auch Funktionsstörungen der Geräte, müssen hinsichtlich der Sicherstellung von Vitalfunktionen klar erkennbar sein und akustisch wiedergegeben werden können. Bislang existiert in Rettungshubschraubern kein Alarmmanagementsystem, das Alarme medizinischer Geräte im präklinischen Einsatz bündelt und an eine dritte Stelle (z.B. Intercom-Anlage) weiter gibt.

Ziel des Projekts war es, ein Überwachungssystem zu entwickeln, bei welchem die von den Geräten aufgezeichneten und ausgegebenen Ereignisse als akustische Hinweise von einem zentralen Gerät, im Folgenden als Alarmhub bezeichnet, über drahtlose Kommunikationsschnittstellen gesammelt und über die Intercom-Schnittstelle des Hubschraubers an die Headsets des medizinischen Rettungspersonals ausgegeben werden.

Die Umsetzung des Projekts umfasste folgende zwei Hauptthemen:

  1. Drahtloses Kommunikationssystem:
    Das erste Projektthema erörterte ein drahtloses Kommunikationssystem mit zuverlässigen Verbindungen zwischen Medizingeräten verschiedener Hersteller und dem Alarmhub, sowie dem Alarmhub mit der Intercom-Anlage des Hubschraubers.
    Einige Medizingeräte besitzen bereits drahtlose Schnittstellen, wie z.B. Bluetooth oder WLAN, mit untereinander abweichenden proprietären Protokollen, um externe Geräte (z.B. externer Monitor für die Telemedizin) anzubinden. Es wurde im Projekt überprüft, ob sich die vorhandenen Kommunikationssysteme und Protokolle zur zuverlässigen Übertragung der Alarme eignen. Je nach Interferenzsituation, kann die Übertragung mittels Bluetooth oder WLAN kritisch sein. Für diesen Fall wurden im Projekt alternative Übertragungsverfahren untersucht, die eine fehlerfreie und zuverlässige Verbindung garantieren.
  2. Alarmmanagementsystem:
    Das zweite Projektthema war die Erforschung eines sicheren Alarmmanagementsystems, über das die Alarme der medizinischen Einzelgeräte eindeutig an das Intercom-System weitergegeben und vom Rettungspersonal erkannt und identifiziert werden können. Zur Untersuchung der unterschiedlichen Alarmweitergabeverfahren wurden auch psychologische Aspekte, v.a. in der rauen Umgebung des Rettungshubschraubers, berücksichtigt.

Das Hauptergebnis des Projekts ist ein nahezu marktreifer Prototyp des Alarmhubs (siehe Bild unten). Die Funktionsweise des Alarmhubs wurde in mehreren Feldtests im Rettungshubschrauber evaluiert und bestätigt. Neben der geplanten Entwicklung des Alarmhubs wurde zusätzlich ein energiesparsamer Adapter für die drahtlose Bluetooth-Low-Energy-Anbindung aller Medizingeräte, die keine drathlose Schnittstelle besitzen, entwickelt. Um aufwendige Wartungsarbeiten aufgrund von Batteriewechsel an all diesen Adaptern zu vermeiden, wurde eine intelligente Lösung gefunden, die die notwendige Betriebsenergie der Adapter direkt aus den angebundenen Kommunikationsschnittstellen sammelt (Energy Harvesting).

Abbildung des Alarmhub-Prototypen mit Anbindung an die Interkom-Anlage und den Helm
(Bildquelle: GPP Communication GmbH & Co. KG)
Danksagung

Besonderen Dank gebührt den assoziierten Partnern, insbesondere der ADAC Luftrettung gGmbH, ohne deren tatkräftigen Unterstützung die Ergebnisse des Projekts nicht zustande gekommen wären.


Supervised Doctoral, Bachelor und Master Theses

Doctoral Theses

[1]Emmanuel Ternon. Energy Savings in Dual Connectivity Heterogeneous Networks. PhD thesis, Universtät Bremen, December 2016. Supervised at DOCOMO Euro-Labs.
[2]Samer Bazzi. Linear Precoding and Analysis of Performance Criteria in MIMO Interference Channels. PhD thesis, Technische Universtät München, March 2016. Supervised at DOCOMO Euro-Labs.
[3]Marwa El Hefnawy. Spectral Efficiency and Spectral Shaping of Faster-than-Nyquist Signals. PhD thesis, Technische Universtät München, December 2015. Supervised at DOCOMO Euro-Labs.

Master Theses

[1]Andreas Marquardt. Entwurf eines frequenzabhängigen simulationsbasierten Verlustleistungsmodells für induktive Bauelemente. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, December 2018. External at SUMIDA Components & Modules GmbH, Obernzell.
[2]Theresa-Sophie Wagner. Entwicklung und Bewertung eines kostengünstigen bildverarbeitendenSystems zur Homogenitätsprüfung fotometrischer Größen im Umfeld der Ambientebeleuchtung im Automotive-Bereich. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, January 2018. External at Fritz Dräxlmaier GmbH & Co. KG, Vilsbiburg, Second Examiner, First Examiner: Prof. Dr. Christian Faber.
[3]Verena Nußbaumer. Entwicklung Entwicklung und Validierung einer Software für normkonforme Schallleistungsauswertungen und experimentelle Analyse der Schallleistungen von Radialgebläsen in unterschiedlichen Einbausituationen. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, October 2017. External at ebm-pabst Landshut GmbH, Landshut.
[4]Zbigniew Dziubek. Implementierung und Evaluierung adaptiver Entzerreralgorithmen auf einem Software Defined Radio. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, July 2017.
[5]Markus Paul Reininger. Konzeption und Integration eines neuen automobilen Nachrichtenprotokolls in eine Messtechnikanwendung im Entwicklungsbereich. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, December 2016. External at in-tech GmbH, Garching, Second Examiner, First Examiner: Prof. Dr. Petra Tippmann-Krayer.
[6]Florian Koller. Konzeptfindung für die Direktansteuerung von Wechselrichter-Powerblöcken zur Minimierung der Totzeit im Regelkreis von elektrischen Antrieben. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, September 2016. External at ZF Friedrichshafen AG, Passau, Second Examiner, First Examiner: Prof. Dr. Alexander Kleimaier.
[7]Steve Markgraf. Efficient Use of the Programmable Realtime Unit in a System On Chip for Dedicated Tasks in Automotive Applications. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, June 2016. External at Texas Instruments Deutschland GmbH, Freising.
[8]Juliane Trommler. Analyse eines Kalibrierteststands für einen analogen Hochfrequenzsynthesizer und Entwicklung einer dialogbasierten Steuersoftware zur Automatisierung der Kalibrierroutinen. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, May 2016. External at Raytheon, Freising, Second Examiner, First Examiner: Prof. Dr. Christian Faber.
[9]Moritz Steinberg. Embedded Real-Time Signal Processing Software on a Multi-Core SoC for Automotive Radar. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, December 2015. External at Texas Instruments Deutschland GmbH, Freising.
[10]Roland Beilharz. Entwicklung eines passiven Implantats zur drahtlosen Sauerstoffmessung an Gewebe. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, May 2015. External at Technische Universität München, München.
[11]Christian Debera. Projektierung eines Gateways für ein Heizungsregelungssystem. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, August 2014. External at Wolf GmbH, Mainburg, Second Examiner, First Examiner: Prof. Dr. Mathias Rausch.
[12]Simon Jagla. Development and Analysis of a Capacitive Sensor for Liquid Level Metering. Master thesis, Landshut University of Applied Sciences, September 2013. External at Texas Instruments Deutschland GmbH, Freising.

Bachelor Theses

[1]Daniel Vorderhuber. An Energy-Efficient Wireless Network Implementation for the Internet of Things. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, October 2018.
[2]Patrick Wurstbauer. Development and Analysis of a Wireless Letterbox Notification System. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, July 2018.
[3]Daniel Gaedtke. Analyse und Design einer HF-Switching-Methode zum Multiplexen von UTP-leitungen. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, May 2018. External at Fritz Dräxlmaier GmbH & Co. KG, Vilsbiburg.
[4]Julian Brosig. Evaluation and Optimization of a Smart Entry System. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, August 2017. External at Texas Instruments Deutschland GmbH, Freising.
[5]Sebastian Kehl-Waas. Implementation of a Multiple-Antenna-OFDM-System with Software Defined Radios Using Alamouti-Coding. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, December 2015.
[6]Paul Simon Obermayer. Realisierung räumlicher Diversitätsverfahren für Mehrantennensysteme mittels Software Defined Radios. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, April 2015.
[7]Philipp Reiter. Development of an Analysis Program in Perl for Correlation of Probe and Final Test Data. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, March 2014. External at Texas Instruments Deutschland GmbH, Freising.
[8]Jan-Erik Pauleweit. Implementierung einer Funkstrecke zur Übertragung und Auswertung von Telemetriedaten. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, March 2014. External at enders Ingenieure GmbH, Landshut.
[9]Eric Günther. Algorithmus zur Differenzierung von Crashsituationen auf Basis von Körperschall und Frequenzanalyse. Bachelor thesis, Landshut University of Applied Sciences, March 2013. External at Continental AG, Regensburg.