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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben ultraMEDIS Geschäftszeichen HE 3642/1-1und HE 3642/1-2 bearbeitendes Institut Institut für Informationstechnik, Technische Universität Ilmenau Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Univ.-Prof. Dr.rer.nat.habil. Matthias Hein Adresse des Instituts Technische Universität Ilmenau Institut für Informationstechnik Fachgebiet Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik Helmholtzplatz 2 98693 Ilmenau Titel des Beitrages „ultraMEDIS – Ultrabreitband-Antennen und Sensoren für biomedizinische Anwendungen“ U. Schwarz, R. Stephan, M.A. Hein Name des/der Bearbeiter Dipl.-Ing. Ulrich Schwarz Das Projekt ultraMEDIS wurde konzipiert, um die spezifischen Vorteile von Ultrabreitband (UWB) -Verfahren für medizinische Anwendungen nutzbar zu machen: Hohe zeitliche und räumliche Auflösung, Objektdurchdringung, niedrige Leistungspegel und problemlose Koexistenz mit etablierten Schmalbandsystemen. In der ersten Projektphase wurden mit der Erforschung und Entwicklung der Einzelkomponenten die nötigen Grundlagen geschaffen, um nun in der zweiten Projektperiode das Vorhaben ganzheitlich in den Fokus zu stellen. Hierbei werden die einzelnen Komponenten zu einem Gesamtsystem vereint und eingehend geprüft. Die daraus resultierenden Erkenntnisse gehen unmittelbar in die sukzessive Optimierung des Gesamtsystems ein. Das Projekt wird in enger methodischer und inhaltlicher Abstimmung mit Partnern der TU Ilmenau (Elektronische Messtechnik), der FSU Jena, der PTB Berlin, sowie dem UKoLoS-Projekt HALOS durchgeführt. In diesem Teilbeitrag steht die Entwicklung und Optimierung der UWB-Antennen und Sensorelemente im Vordergrund. Dabei werden die spezifischen Problemstellungen der beiden Teilaufgaben besonders beachtet: Für die biomedizinische Bildgebung, insbesondere der Brustkrebsdiagnostik, werden Sensorelemente benötigt, die speziell für die Signalein- und auskopplung in den menschlichen Körper optimiert sind. Die Herausforderungen bestehen darin, möglichst viele Sensoren auf engstem Raum zu positionieren und den dielektrischen Sprung zwischen der Umgebung und dem Körper mit größtmöglichem Erhalt der Dynamik zu überwinden. Dem gegenüber stehen die Anforderungen an Sensorelemente, unbeeinflusst von den starken Magnetfeldern im Inneren eines Magnetresonanztomographen (MRT) zu arbeiten. Dies erfordert grundlegende Veränderungen bekannter Antennenkonzepte um eine Navigatortechnik für MR-Tomographen zu ermöglichen, die systembedingte Bewegungsartefakte wirksam unterdrückt. In dem Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der ersten Projektphase zusammengefasst und die Fortschritte seit dem letzten Schwerpunkttreffen im Mai 2008 vorgestellt. Schließlich wird das vorgesehene Arbeitsprogramm für die beginnende zweite Projektphase vorgestellt.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben ultraMEDIS Geschäftszeichen SA 1035/4-1 und SA 1035/4-2 bearbeitendes Institut Institut für Informationstechnik, Technische Universität Ilmenau Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Dr.-Ing. Jürgen Sachs Adresse des Instituts Technische Universität Ilmenau Institut für Informationstechnik Fachgebiet Elektronische Messtechnik Helmholtzplatz 2 98693 Ilmenau Titel des Beitrages „ultraMEDIS – Rekonstruktion der Brustoberfläche als Grundlage einer medizinischen Bildgebung zur Erkennung von Brustkrebs mittels UWB“ M. Helbig, J. Sachs Name des/der Bearbeiter Dr.-Ing. Marko Helbig Das Projekt ultraMEDIS wurde konzipiert, um die spezifischen Vorteile von Ultrabreitband (UWB) -Verfahren für medizinische Anwendungen nutzbar zu machen: hohe zeitliche und räumliche Auflösung, Objektdurchdringung, niedrige Leistungspegel und Koexistenz mit etablierten Schmalbandsystemen. In der ersten Projektphase wurden mit der Erforschung und Entwicklung der Einzelkomponenten die nötigen Grundlagen geschaffen, um nun in der zweiten Projektperiode das Vorhaben ganzheitlich in den Fokus zu stellen. Hierbei werden die einzelnen Komponenten zu einem Gesamtsystem vereint und eingehend geprüft. Die daraus resultierenden Erkenntnisse gehen unmittelbar in die sukzessive Optimierung des Gesamtsystems ein. Das Projekt wird in enger methodischer und inhaltlicher Abstimmung mit Partnern der TU Ilmenau (FG Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik), der FSU Jena, der PTB Berlin sowie dem UKoLoS-Projekt HALOS durchgeführt. In diesem Vortrag wird der aktuelle Stand der Entwicklung einer UWB-Signalverarbeitung zur medizinischen Bildgebung dargestellt. Insbesondere wird auf folgende Problematik und ihre Lösung eingegangen: Herkömmliche Algorithmen zur UWB-Bildgebung in Mehrschicht-Szenarien (z. B. im Bodenradar) gehen von ebenen Oberflächen aus. Diese Annahme ist im Falle der medizinischen Bildgebung der weiblichen Brust nicht gerechtfertigt. Die Wölbung der Brustoberfläche wird sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Antennenposition in differierenden Reflexions- und Brechungswinkeln niederschlagen. Um im Brustinneren fokussieren zu können, ist es notwendig, die Oberfläche der Brust präzise zu identifizieren und diese Information mit in die Bildgebungs-Algorithmik einfließen zu lassen. Es wurde eine Methode entwickelt, dies mit Hilfe des an der Körperoberfläche reflektierten UWB-Signals zu realisieren. Dabei wurde der 2008 publizierte SEABED-Algorithmus für bistatische Messungen dahingehend erweitert, dass er für weitgehend beliebige Scan-Schemata anwendbar wird. Es werden die Methodik und erste Rekonstruktionsergebnisse, die u. a. anhand eines mit gewebe-äquivalentem Phantommaterial gefüllten Oberkörpertorsos gewonnen wurden, vorgestellt und auch mögliche Anwendungen außerhalb der medizinischen Bildgebung diskutiert.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben ultraMEDIS Geschäftszeichen SE 1566/1-1 und SE 1566/1-2 bearbeitendes Institut Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), AG 8.11 MR Messtechnik Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Dr.rer.nat. Frank Seifert Adresse des Instituts AG 8.11 MR Messtechnik Physikalisch-Technische Bundesanstalt Abbestr. 2-12, 10587 BERLIN Tel: +49-30-3481-7529, Fax: +49-30-3481-7505 Titel des Beitrages ultraMEDIS – Extraktion und Interpretation physiologischer Signaturen aus Ultra-Breitband Signalen und ihr Potential für die Magnetresonanztomographie bei hohen und ultrahohen Feldern. F. Thiel und F. Seifert Name des/der Bearbeiter Dr.-Ing. Florian Thiel Das Projekt ultraMEDIS wurde konzipiert, um die spezifischen Vorteile von Ultrabreitband (UWB) -Verfahren für biomedizinische Anwendungen nutzbar zu machen: Hohe zeitliche und räumliche Auflösung, Objektdurchdringung, niedrige Leistungspegel und problemlose Koexistenz mit etablierten Schmalbandsystemen. Das Projekt wird in enger methodischer und inhaltlicher Abstimmung mit Partnern der TU Ilmenau (Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik, Elektronische Messtechnik), der FSU Jena, sowie dem UKoLoS-Projekt HALOS durchgeführt. In diesem Teilbeitrag steht die Analyse und Interpretation physiologischer Vorgänge und deren Nutzen zur Verbesserung der klinischen Magnetresonanztomographie (MRT), insbesondere des Herzens, im Vordergrund. Die durch sich bewegende Organe hervorgerufenen Artefakte bei der MR-Bildgebung, wie sie z.B. der Herzmuskel oder die Atmung generiert, lassen sich durch eine intelligente Steuerung der MRT-Datenerfassung vermeiden (Navigator Technik). Konventionelle Techniken sind jedoch bei hohen und ultrahohen Magnetfeldern wie sie jetzt in den Kliniken Einzug finden, nicht mehr anwendbar. Das Ultra-Breitband Radar bietet sich prinzipiell als eine berührungslose, nicht-invasive Methode an, diese Bewegungen im Sinne eines Monitorings zu verfolgen, um damit die MRT-Datenerfassung auch unter diesen Bedingungen zu steuern. Nach der Analyse der Kompatibilität und der simultanen Nutzung dieser Verfahren in der ersten Projektphase, ist nun ein tieferes Verständnis der in den empfangenen UWB-Signalen enthaltenen physiologischen Vorgänge notwendig, um aus diesen geeignete Landmarken zur MR-Steuerung zu extrahieren. Dazu ist eine vergleichende Analyse mit simultan gewonnen Referenzdaten aus der Magnetresonanztomographie und dem Elektrokardiogramm (EKG) Voraussetzung. In dem Vortrag werden die wesentlichen Ergebnisse der ersten Projektphase zusammengefasst und die Fortschritte seit dem letzten Schwerpunkttreffen im Mai 2008 vorgestellt. Schließlich wird das vorgesehene Arbeitsprogramm für die beginnende zweite Projektphase beleuchtet.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen Forschungsvorhaben

KA-923/7-1; Hi 698/9-2 ultraMEDIS

bearbeitendes Institut: Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie; Universitätsklinikum Jena Name des verantwortlichen Wissenschaftlers: Prof. Dr. med Dipl.-Chem. Werner A. Kaiser und Prof. Dr. Ingrid Hilger Adresse des Instituts Universitätsklinikum Jena Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie Erlanger Allee 101 07747 Jena Titel des Beitrages „ultraMEDIS – Physiological Signatures of UWB Radar Signals” Name des/der Bearbeiter Christiane Geyer, Gabriella Rimkus The project ultraMEDIS examines the potential role of ultra-wideband radio sensors in biomedical applications. High temporal and spatial resolution, penetration into objects, low integral power, and co-existence with narrowband systems indicate advantages for this application form. The analyses requires a close, interdisciplinary cooperation between physicists and engineers from TU Ilmenau (Department for RF and Microwave Technique, Electronic Measurement Research Lab) and PTB Berlin (Research group 8.11 MR technology), medical scientists (Institute of Diagnostic and Interventional Radiology, University Hospital, Jena) and the UKoLoS-project HALOS. In the first phase of ultraMEDIS the manufacture of oil-in-gelatine phantoms was established. The investigations yielded a selective adjustment of different permittivity values according to the corresponding experimental specifications. During the second ultraMEDIS year, the production of the phantoms was improved and their dielectric properties were compared to the examined dielectric values of biological tissue. These tissue-mimicking phantoms are currently used by the EMT of the TU Ilmenau to improve the UWB radar signal processing (e.g. surface reconstruction, resolution, etc.). Further studies comprise the detection of physiological signatures with UWB in regard to the diagnosis of breast cancer. According to the investigations of the first phase of ultraMEDIS, the permittivity values of malignant and glandular tissues are quite similar between each other. Therefore, in preparation of the second phase of ultraMEDIS (ultraMEDIS II), initial studies monitoring of the accumulation of selected contrast media in vivo were carried out. Malignant cells (BT474 cells – a human breast ductal carcinoma cell line) were implanted subcutaneously into mice (SCID, Balb/c). After determining the native dielectric properties of the grown tumours using the UWB-system and a coaxial probe (Ø 6.5 mm), defined contrast media such as iron oxide nanoparticles were injected directly into the tumour. As a result, the real part of the permittivity decreased about 7 units in relation to native tumour values (without contrast agent). On the other hand side, the accumulation of contrast media due to tissue vascularisation was investigated on a liver model (a rich vascularised organ). Liver permittivity of mice (NMRI) was monitored online while the contrast media (90 – 150µl 0.9 % (w/v) NaCl) was injected by tail vein puncture, and an increase of 2 units of the real part of the permittivity was determined in comparison to native liver values. One important step in the course of ultraMEDIS comprises approval of UWB to human volunteers and patients. In this context, the acquisition of a compliance certificate for the UWB application from the German Technical Inspection Agency (TÜV) was of particular interest and diverse technical optimisations and riskanalysis of the UWB-system for the use of the device were performed. Even though no harmful effects are expected in relation to UWB radiation in biomedical applications, there was a need to perform corresponding risk analysis particularly on a human cell system prior to the intended human application. In this context, selected human living cells in culture were used such as malignant (BT474 cells – a human breast ductal carcinoma cell line) and healthy cells (BJ cells – human fibroblast cells from the foreskin) which were exposed to UWB-radiation (integral power of the UWB sensor system = 4mW; exposure times: 5, 30 and 60 min). No effects on viability of living cells were observed for exposure times between 5 and 60 min indicating that there is no risk for patients during medical UWB-applications, when using the above mentioned radiation power. Further risk analysis were performed in relation to the device itself. These investigations together with the evaluation of a dedicated clinical study plan led to a positive vote of the ethics commission of the University Hospital Jena.

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Our clinical study plan focuses on selected pathophysiological signatures, such as fat content in selected body regions, water accumulation in different disease courses and the effects of individual drinking habits on the permittivity, etc. Volunteers are currently enrolling for the intended investigations. First examinations on 3 test persons showed that e.g. the real part of the permittivity of the biceps (Musculus biceps brachii) is between 27 and 33 for a frequency range of 1 – 4 GHz. In summary, the presentation will give an overview about the achieved results during the first phase of ultraMEDIS and the proceedings since the last UKoLoS meeting in may 2008. Nevertheless, a short outline about the beginning of the second phase will be shown.

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SCHU 630/7-2; ME 1016/11-2; Li 659/8-2 High-performance UWB systems for biomedical diagnostics and short-range communications (UWB in Medicine)

Name des verantw. Wissens. / bearbeitendes Institut / Adresse des Instituts Prof. Dr. Hermann Schumacher Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen, Universität Ulm Albert-Einstein-Allee 45, 89081 Ulm Tel. 0731-5026152 Fax 0731-5026155 E-Mail: [email protected] Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Menzel Institut für Mikrowellentechnik, Universität Ulm Albert-Einstein-Allee 41, 89081 Ulm Tel. 0731-5026350 Fax 0731-5026359 E-Mail: [email protected] Prof. Dr. Jürgen Lindner Institut für Informationstechnik, Universität Ulm Albert-Einstein-Allee 43, 89081 Ulm Tel. 0731-5026250 Fax 0731-5026259 E-Mail: [email protected] Titel des Beitrages

High-performance UWB systems for biomedical diagnostics and short-range communications

Name des/der Bearbeiter

Thanawat Thiasiriphet, Mario Leib, Bernd Schleicher, Dayang Lin

The focus of our project are impulse-radio UWB techniques in medical applications, including sensing, imaging, and short-range communications. The vision is a radio frontend architecture which can be used in all of these scenarios. System architecture, RF integrated circuit design, and algorithms place special emphasis on low-power consumption and real channels with high path loss and multi-path propagation. Miniaturization of hardware for a very compact sensors is also aspired. A rigid co-design methodology involving architecture, antenna development, RFIC and baseband design is applied in this project. The overall presentation is divided into three parts where the concept, different aspects for communication, sensing and the developed analog circuits and antennas will be discussed. Due to the wide frequency range of UWB systems, down conversion of I-UWB signals to lower IF frequencies and AD-conversion are not possible. For digital transmission this means that analog signal processing is needed for detection and also for the first step of our intended imaging. Moreover, we expect to have many sensors working together which must be organized in an appropriate way. And there is a further problem we have to cope with: strong narrowband interference and very low signal-to-noise ratios, because we want to restrict to very low transmit power levels and face strong attenuation in biological tissue for some applications. Our system approach is a consequence of these considerations. In the presentation we describe the concept in more details especially the role of our key items comb filter and spreading sequence. Simulation results show that with some restrictions and proper sequence design, multi-user/multisensor interferences can be totally eliminated by the comb filter. Additionally, a novel modulation technique to cope with long multipath channel impulse responses which cause interchip and intersymbol interference will be introduced. Furthermore, suitable detection and synchronization algorithm will be considered. In the previous presentations the focus regarding analog circuits was put on FCC-compliant UWB circuits for pulse generation and correlation detection. Now, the integration of these circuits together with the antennas is presented forming a compact FCC-compliant UWB bistatic radar sensor. The sensor is controlled by a commercial DDS IC and the data acquisition to a computer is done with a low-performance USB oscilloscope. Further processing is done in the computer. Furthermore, the current status on circuits for UWB communication is presented. It comprises simulation results for an impulse generator for the European mask, and an energy detector, consisting of two baluns, a squaring device and an integrator. The baluns are used for a conversion of the signals from single-ended to differential, which is needed in the squaring device and can be omitted, when the system is operated purely differential. To save the power consumed by the baluns and to overcome grounding problems of single-ended antennas, the use of a complete differential

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system will be investigated. Here the simulation results of a differential LNA and a combination of the singleended pulse generator with the unbal circuit are presented. For the comb-filter system a true time delay operation is necessary. To support a fixed true time delay, using e.g. a transmission line, a first example of an active true time delay is presented. It uses a second-order all-pass filter, which could be used for a fine adjustment of the signal delay. The adjustment is not yet implemented, but simulation results of the all-pass filter core are shown. Finally, the investigations of different omnidirectional and directional planar ultra-wideband differentially fed antennas applicable for communication and sensing systems are presented. Due to the small ground area at compact ultra-wideband monopole antennas, parasitic waves on the outer coaxial shell of the feeding cables occur leading to a distortion of the radiation pattern. Differentially fed antenna do not show this undesired effect because of the defined ground plane. An additional advantage of symmetrical feeding for the overall front-end structure are less radiation of feeding lines and no need for a balun to integrate differential RF ICs. Beside a well-known circular dipole antenna, several realized and characterized differentially fed antennas (Vivaldi antenna, stacked patch antenna, slot antenna) will be discussed. Furthermore, a ultra-wideband balun, necessary for the measurement of the radiation pattern, will be introduced. One advanced target application of the project is communication with implants. Therefore, miniaturized and body environment optimized antennas are unavoidable. A first approach of a novel triplatefed ultra-wideband slot antenna capable of being used in lossy media will be shown. The broadband characterization in a suitable tissue mimic liquid will be addressed in particular.

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Forschungsvorhaben SPP 1202/1 Cooperative Localisation and Object Recognition in Autonomous UWB Sensor Networks (CoLOR) bearbeitendes Institut Technische Universität Ilmenau Institut für Informationstechnik Fachgebiet Elektronische Messtechnik Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Prof. Dr.-Ing. habil. Reiner S. Thomä Adresse des Instituts TU Ilmenau FG-EMT Max-Planck-Ring 2 98684 Ilmenau, Germany Titel des Beitrages Kalman filter based tracking of moving persons using UWB sensors Name des/der Bearbeiter Rudolf Zetik Extended Abstract Imaging of environments as well as tracking of persons or objects can be components of surveillance systems. Consequently both methods are investigated within the project “CoLOR”. The high range resolution of UWB systems improves resolution in case of imaging applications while a high accuracy of the path estimation can be achieved in case of localization and tracking. At this stage of project “CoLOR” we work both on imaging of environments and on localization of persons. In this talk we focus on the tracking of moving persons using UWB sensors. There are a number of applications where the knowledge of person’s location is beneficial. A typical example covers the situations where entering of a room or a building is considered as hazardous. Inspection of the interior from outside through the walls is desired in such cases. Localization and tracking of e.g. firemen inspecting the inside of a partially destroyed building full of smoke is of great interest. Typically passive localization methods are applied. Our previous research was focused on the detection and subsequent localization of moving persons using UWB radar [1], [2]. Usually the moving persons have to be detected in the presence of strong clutter created by the static environment. Therefore, the first processing step is background subtraction [1], which eliminates or at least reduces disturbing static signals. Background subtraction considerably enhances the dynamic range for detection of weak time variant signals reflected from moving (or just breathing) persons. It is followed by the location estimation [2]. The goal of this article is to analyze Kalman filter based algorithms for the tracking of persons. Tracking algorithms increase the localization precision by taking into account correlation of the particular location estimates. An overview of tracking algorithms for moving objects can be found e. g. in [3], [4]. We have adopted selected algorithms for tracking of moving persons in an indoor environment. We propose an algorithm using the “input estimation” approach. This approach is introduced and described in [4]. Here, a target maneuver - a sudden change in the movement of the target - is modeled as a deterministic system input. It is estimated from measured data and used in the Kalman filter model. In [4], a maneuver lasts for some time like e.g. an airplane that turns into another direction by changing the orientation of it’s tail unit. However, changes in the movement of a person happen rather abrupt. The Kalman filter model described in [4] does not match this behavior. Our adapted algorithm models abrupt target maneuvers. An illustration of the algorithm performance for tracking of a single person is given by a simulated example. References [1] R. Zetik, S. Crabbe, J. Krajnak, P. Peyerl, J. Sachs, R. Thomä, “Detection and localization of persons behind obstacles using M-sequence through-the-wall radar”, SPIE Defense and Security Symposium, Orlando, Florida, USA , 17-21 April 2006 [2] Svecova, D. Kocur, R. Zetik, “Object Localization Using Round Trip Propagation Time Measurements,” 18th International Conference RADIOELEKTRONIKA, Prague, Czech Republic, April 2008 [3] S. Thrun, W. Burgard, D. Fox,.”Probabilistic Robotics,” MIT Press, 2005. [4] Bar-Shalom, Y., Fortmann, T.,”Tracking and Data Association,” New York: Academic Press, 1988

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben WI 2299/1-1 Cooperative Localisation and Object Recognition in Autonomous Sensor Networks bearbeitendes Institut Universität Duisburg-Essen Name des verantwortlichen Wissenschaftlers: Prof. Dr.-Ing. I. Willms Adresse des Instituts Fachgebiet NTS Bismarckstr. 81 47048 Duisburg Titel des Beitrages UWB Object Recognition based on Ray-tracing Reference Data Name des/der Bearbeiter Rahmi Salman The UWB object recognition aims at identifying objects (e.g. furniture) in a room as well as parts of the building structures (like supporting beams) in the case of a scenario with an emergency situation. It was investigated to what extent an object recognition of a set of objects based on a-priory known reference data is possible. For this purpose a scenario was considered in which a network of sensor nodes mounted on moveable platforms is moving on a circular track around an object. The recognition is accomplished for simple canonical and more complex 2D objects and is performed on the basis of radargram data. Here the objects characteristic geometric features were examined using Moment Invariants and polar Fourier descriptors. The Fourier descriptors were extended in order to identify multiple reflections such that both specular reflections and multiple reflections contribute to the recognition process. For enhanced robustness of the recognition algorithm an invariance against translation and rotational shift of the scanned object was implemented. This invariance can be improved by a contour-adaptive track and a contour-adaptive alignment of the UWB antennas. R. Salman, Th. Schultze, I. Willms UWB Material Characterisation and Object Recognition with Applications in Fire and Security, 2008 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, ICUWB 2008, Hannover, September 2008 R. Salman, Th. Schultze, M. Janson, W. Wiesbeck, I. Willms Robust UWB Radar Object Recognition, 2008 IEEE International Radio Frequency and Microwave Conference, RFM 2008, Kuala Lumpur, December 2008

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben Cooperative Localisation and Object Recoginition in Autonomous UWB Sensor Networks (CoLOR) bearbeitendes Institut Lehrstuhl für Informationstechnik mit dem Schwerpunkt Kommunikationselektronik, Friedrich-AlexanderUniversität Erlangen-Nürnberg Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Prof. Dr.-Ing. Jörn Thielecke Adresse des Instituts Am Wolfsmantel 33 91058 Tennenlohe / Erlangen Titel des Beitrages Room Reconstruction with a Bat-Type UWB Sensor Name des/der Bearbeiter Dipl.-Ing. Tobias Deißler Indoor navigation for autonomous vehicles relies on the knowledge of the surrounding environment, i.e. a map is needed. If no a priori information is available, a SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) algorithm can be used to generate a map from sensor data. In conditions where optical or other “conventional” sensors aren’t feasible, UWB radar is an alternative for this task. This is demonstrated using a bat-type UWB sensor array with one transmitter and two receivers. Time-of-flight measurements between the transmitter and the receivers are used to distinguish different propagation conditions like single reflection, double reflection and point scattering which are then used to detect and localize simple features like walls and corners. Measurement data is associated with already known features using unique-neighbor data association. Initialization of new features is done with a particle filter which implements JPDA (Joint Probabilistic Data Association). Actual localization and tracking of the features is done by a simple SLAM algorithm based on Extended Kalman Filters. Results from simulation and real-life data are shown.

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Forschungsvorhaben:

WI 1044/24-2 „Cooperative Localisation and Object Recognition in Autonomous UWB Sensor Networks“ „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik“ (UKoLoS)

Bearbeitendes Institut:

Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik, Universität Karlsruhe (TH)

Verantw. Wissenschaftler: Professor Dr.-Ing. Dr. h.c. Dr.-Ing. E.h. Werner Wiesbeck Adresse des Instituts: Kaiserstr 12, 76131 Karlsruhe

Influence of multipath propagation and near field effects on UWB imaging. Dipl.-Ing. Malgorzata Janson The „CoLOR“ project aims at design of algorithms for cooperative localization, navigation, feature recognition and imaging of a complex unknown environment using UWB sensor networks. Because of the wide frequency band used a fine time resolution can be achieved, which allows for precise distance estimation using the received signals. In the first part of the project a method based on the Kirchoff migration algorithm has been chosen for the imaging of the unknown environment. In this method the received signals are summed over all positions of the sensor track. The quality of the target image depends on the shape and the delay of the received pulse. These features are influenced by factors like bandwidth, impulse response of the antennas and the overall quality of the radio channel. As the algorithm is only able to utilize single reflections on the objects within the environment for the image creation, multiple reflections may cause unwanted contributions in the image. Also objects placed in the near field of the imaging systems may cause inaccuracies in the image, as they cause additional coupling between the antennas and distort thus the received pulse. In this talk the influence of the aforementioned effects on the images obtained using the migration methods will be presented. The analysis of the multipath effects is based on ray tracing simulations, which allow for easy separation of the directly reflected propagation paths from multiply reflected propagation paths. In this way a comparison of the image under ideal conditions (no multiple reflections) and under realistic conditions (multipath) is done. As the ray tracing method assumes that the objects are placed in the far field of the antennas the Finite Integral Method simulations are used to study the near field effects and their impact on the images.

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HE 1789/1-1/2, KR 1952/4-1/2, SA 1035/3-1/2, WE 1299/21-1/2

Hochfrequenzkomponenten für Ultra-Breitband-Lokalisierungs- und Sensoranwendungen: Neue Systemarchitekturen und Schaltungstopologien für integrierte UWB-HF-Transceiver. HaLoS bearbeitendes Institut • Chair of Integrated Analog Circuits (IAS) • Chair of (Wireless) Systems (SYS) • Electronic Measurement Research Lab (EMT) • Institute for Electronics Engineering (LTE) Name des verantwortlichen Wissenschaftlers • Stefan Heinen, Univ.-Prof. Dr.-Ing. • Rolf Kraemer, Prof. Dr.-Ing., • Jürgen Sachs, Dr.-Ing., • Robert Weigel, Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil., Adresse des Instituts • RWTH Aachen University, Sommerfeldstr. 24, D-52074 Aachen, Germany • BTU-Cottbus, P.O. Box 101344, D-3013 Cottbus, Germany • Technische Universität Ilmenau, P.O. Box 100565, 98684 Ilmenau, Germany • Friedrich-Alexander University of Erlangen, Cauerstr. 9, D-91058 Erlangen, Germany Titel des Beitrages Leistungsfähiger Ultra-Breitbandsensor nach dem Pseudo-Rausch-Verfahren: Konzeption, Entwicklungsstand und Kennwertabschätzung. Name des/der Bearbeiter: Y. Borokhovych, H. Gustat, S. Heinen, M. Kmec, R. Krämer, M. Robens, J. Sachs, Ch. Scheytt, K. Schilling, B. Sewiolo, R. Weigel, R. Wunderlich, Der Vortrag vermittelt den Bearbeitungstand des HaLoS-Projektes: RF-Hardware Components for UWB Localisation and Sensing. Im Rahmen dieses Projektes wird ein präzises Ultra-Breitbandverfahren auf der Basis von Pseudorauschsignalen konzipiert, entworfen, aufgebaut und getestet. Beabsichtigte Anwendungen ist hochauflösendes Radarbildgebung bewegter oder verborgener Objekte sowie genaue Positionierung und Lokalisierung. Einsatzfelder sind in der Medizin, der Rettungs- bzw. Sicherheitstechnik, der Kontrolle hilfsbedürftiger Personen, der industriellen Sensorik, der Materialprüfung etc. zu sehen. Die Mehrzahl heutiger UWB-Sensoren basiert auf der Anwendung das klassischen Impulsverfahrens. Im Gegensatz dazu wird im Rahmen des HaLoS-Projektes ein alternatives Verfahren betrachtet. Zum Einen verwendet es Pseudorauschsignale, die infolge ihres Korrelationsgewinnes schon bei geringen Signalpegeln einen großen Dynamikbereich ermöglichen. Geringe Signalpegel erlauben den Einsatz kostengünstiger HF-Halbleitertechnologien und führen nicht zur Zerstörung von Testobjekten bei sehr kleinen Messvolumina. Zum Anderen wird ein spezielles Abtastverfahren eingesetzt, welches eine hohe zeitliche Konstanz aufweist. Das ermöglicht den Einsatz von präzisen Kalibrierverfahren (bei anderen UWB-Sensorverfahren nicht bekannt), die Verwendung von Superresolution-Techniken bei der Radardatenverarbeitung als auch das Verfolgen sehr schneller Targets. Nachteil aller UWB-Techniken (und damit auch der Impulstechnik) ist ihr geringer Wirkungsgrad hinsichtlich der Ausnutzung des Empfangssignals. Das bedeutet, dass es aus physikalischer Sicht noch Verbesserungspotential bezüglich der Sensorempfindlichkeit gibt, man aber gegenwärtig an einer technischen Grenze angelangt ist. Diese resultiert letztlich aus der Limitierung der Verlustleistung der Bauelemente. Im Rahmen des Halos-Projektes werden Schaltungskonzepte untersucht, mit denen diese Schranken überwunden werden sollen. Der Vortrag wird zunächst wesentliche konzeptionelle Gesichtspunkte für den Entwurf des Sensorverfahrens und der zu erwartenden Systemkenngrößen behandeln. Daran anschließend werden Teilaspekte spezifischer Schaltungskomponenten, wie Ausgangs- und Eingangsstufen, AD- und DA-Wandler etc. besprochen. Dabei werden sowohl konzeptionelle Gesichtspunkte wie auch Ergebnisse bereits realisierter Schaltungen diskutiert. Die betrachteten Schaltungen sind dabei meist von allgemeinem Interesse, da deren Anwendbarkeit nicht auf das Pseudorauschverfahren begrenzt ist. Abschließend wird anhand eines Demonstrators die Funktionsfähigkeit der bisher implementierten Baugruppen demonstriert. Dieser Demonstrator dient gleichzeitig zur Evaluierung der Einzelkomponenten wie auch des Gesamtsystems. Einige Parameter des Sensorsystems überschreiten die Möglichkeiten heute verfügbarer HF-Messgeräte, weshalb spezifische Messmethoden anhand des Demonstrators entwickelt wurden.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen Forschungsvorhaben

GZ: KN 253/11-1

Kontaktlose Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften unregelmäßig geformter Objekte (ISOPerm) bearbeitendes Institut Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik, Technische Fakultät, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Prof. Dr.-Ing. Reinhard Knöchel Adresse des Instituts Kaiserstraße 2, 24143 Kiel Titel des Beitrages Kontaktlose Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften unregelmäßig geformter Objekte Name des/der Bearbeiter Dipl.-Ing. Henning Mextorf

Das Teilprojekt ISOPerm innerhalb des Schwerpunktprogramms UKoLoS wird seit Anfang Oktober am Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik der Technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel bearbeitet. Ziel ist die kontaktlose Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften unregelmäßig geformter Objekte. Hauptaugenmerk liegt zu Beginn des Projektes auf der Entwicklung dual polarisierter UWB-Antennen und deren Anordnung als geeignetes Messsystem. Hierzu wird ein dual polarisiertes EmpfangsArray bestehend aus Dipolantennen favorisiert, welches über Baluns gespeist wird. Als Sendeantenne soll im ersten Schritt eine Vivaldi-Antenne zum Einsatz kommen, später soll eine dual polarisierte Antenne durch geeignete Anordnung aus mehreren Vivaldi-Antennen verwendet werden. Im Messsystem wird zunächst gegenüber der Sendeantenne nur ein Empfangsarray angeordnet. Später sollen weitere Empfangsantennen auf Senderseite platziert werden. Um die Auswirkungen auf elektromagnetische Felder durch dielektrische Objekte zu veranschaulichen und um erste Tests mit multivariaten Methoden durchzuführen, werden mit Microwave Studio von CST Feldsimulationen durchgeführt. Dabei werden verschiedene dielektrische Objekte mit den drei Parametern Größe, Permittivität und Lage im Raum mit einer ebenen Welle bestrahlt, hinter dem jeweiligen Objekt werden in einem zweidimensionalen Array aus Feldsonden Signale in zwei orthogonalen Polarisationsebenen aufgenommen. Durch geeignete Wahl der Eingangsvariablen lassen sich beispielsweise mit Hilfe der Hauptkomponentenanalyse in verschiedenen Bereichen gute Ergebnisse in der Bestimmung der Parameter erzielen. Für reale Messungen wird eine große Anzahl unterschiedlicher Messobjekte benötigt. Mit Mixturen aus Perlen verschiedener Beschaffenheit und unterschiedlichen Flüssigkeiten können dielektrische Eigenschaften in einem weiten Bereich variiert werden. Erste Materialcharakterisierungen wurden mit Glasperlen verschiedenen Durchmessers, destilliertem Wasser, Methanol und Ethanol durchgeführt. Eine offene Koaxialleitung ist zur Charakterisierung nur für kleine (im Vergleich zur Aperturfläche der Koaxialleitung) Perlen geeignet. Es wird deshalb der Aufbau einer befüllbaren Koaxialleitung für breitbandige Messungen angestrebt.

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Forschungsvorhaben: „Erweiterter Fußgängerschutz durch breitbandige automotive Radarsysteme“ (ESPURS) bearbeitendes Institut: Institut für Nachrichtentechnik Technische Universität Hamburg-Harburg verantwortlicher wissenschaftlicher Mitarbeiter: Henning Ritter Adresse des Instituts: Eißendorfer Straße 40 21073 Hamburg Titel des Beitrages: „Fußgängererkennung mit automotiven Radarsystemen variabler Bandbreite“ Dipl.-Ing. Henning Ritter, Prof. Dr. Hermann Rohling Straßenverkehr ist heute noch sehr gefährlich. Die Erhebungen des Bundesamtes für Statistik zeigen zwar seit Jahren eine rückläufige Anzahl an Todesfällen im Straßenverkehr, allerdings steigt die Anzahl der Unfälle mit Verletzten. Erschwerend kommt hinzu, dass 50% der Verkehrstoten nicht Autoinsassen, sondern ungeschützte Teilnehmer im Straßenverkehr, wie Fußgänger und Fahrradfahrer sind. Fahrzeuginsassen sind durch viele ausgereifte technische Systeme passiver und aktiver Natur geschützt. Ein großes Potenzial liegt im nachhaltigen Schutz von Fußgängern bei Kollisionen mit Fahrzeugen. Die automatische Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit kann beispielsweise Unfallfolgen erheblich mindern und somit Leben retten. Die Beobachtung des Fahrzeugumfelds mit Radarsensoren ist die Basis für aktive Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen. Die Sensormessergebnisse werden analysiert und es wird automatisch und aktiv in den Fahrablauf durch Betätigen der Bremse oder des Gaspedals eingegriffen, um gefährliche Situationen zu vermeiden. 24GHz Radarsensoren spielen hier ihre Fähigkeiten der simultanen Messung von Objektentfernung, azimutalem Winkel und radialer Geschwindigkeit auch in Mehrzielsituationen und bei allen Wetterbedingungen aus. Ihre Messdaten stellen das Fahrzeugumfeld sehr genau dar und ermöglichen eine genaue Situationsbeschreibung und Bewertung der Vorgänge auf der Straße. Radarsysteme arbeiten bereits heute zuverlässig in Serienfahrzeugen für Komfortsysteme wie dem Adaptive Cruise Control (ACC) und dem Lane Change Assistant (LCA) auf Autobahnen und Schnellstraßen. Der dichte städtische Verkehr stellt noch höhere Anforderungen an die Radarsensoren und fordert eine Objektklassifikation. Aus der Radarmessung werden das Rangeprofil und das Dopplerprofil berechnet und mit diesen detaillierten Messungen eine Objektklassifikation entwickelt. Dabei spielen die Systembandbreite mit der resultierenden Entfernungsauflösung und die Beobachtungszeit mit der resultierenden Dopplerfrequenzauflösung eine zentrale Rolle in der Situationsanalyse und der geforderten Genauigkeit.

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Forschungsvorhaben

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MA 1184/14-2 “Power, Rate and Location Control for Multi-User Ultra-Wideband Communication”

bearbeitendes Institut

Lehrstuhl für Theoretische Informationstechnik RWTH Aachen

Name des verantwortlichen Wissenschaftlers

Prof. Dr. Rudolf Mathar

Adresse des Instituts

Sommerfeldstraße 24 52056 Aachen

Titel des Beitrages

„Vergleich von Netztopologien für die verteilte Detektion mit IR-UWB Sensornetzen“

Name des/der Bearbeiter

Dipl.-Ing. Daniel Bielefeld

Aufgrund günstiger Sender- und Empfängereinheiten sowie geringen Energieverbrauchs ist impulsbasierte Ultra-Breitband Funkübertragung (IR-UWB) als Funkschnittstelle für drahtlose Sensornetzwerke besonders geeignet. Eine wichtige Anwendung drahtloser Sensornetze ist die verteilte Detektion von Ereignissen. In der Literatur werden dazu verschiedene Topologien des Sensornetzes diskutiert, wobei üblicherweise der Einfluss von interferenzund rauschbehafteten Kommunikationskanälen unberücksichtigt bleibt. Diese können allerdings gerade bei begrenzten Systemressourcen, wie sie bei Sensorknoten üblich sind, deutlichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems haben. In diesem Vortrag wird ein Cross-Layer Ansatz präsentiert, dessen Ziel es ist, die begrenzte Gesamtsendeleistung eines IR-UWB basierten Sensornetzes so aufzuteilen, dass die Detektionsfehlerwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems minimiert wird. Dieser Ansatz führt für die untersuchten Netztopologien zu einer deutlichen Leistungssteigerung gegenüber uniformer Leistungszuweisung zu allen Knoten. Darauf aufbauend wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Netztopologien unter Berücksichtigung von IR-UWB Kommunikationskanälen verglichen. Simulationsergebnisse zeigen, dass sich durch eine zusätzliche Berücksichtung der beschriebenen Ressourcenbeschränkung die Bewertung der Topologien deutlich ändert.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben

(Geschäftszeichen)

Fe 423/11-1 60 GHz Short Range Communication

(Titel des Vorhabens)

bearbeitendes Institut Name des verantwortlichen Wissenschaftlers

Gerhard P. Fettweis, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Rave, Dr.-Ing. habil. Adresse des Instituts

Vodafone-Stiftungslehrstuhl Mobile Nachrichtensysteme, Technische Universität Dresden, Georg Schumann Str. 11, D-01187 Dresden Titel des Beitrages

‘60 GHz UWB transmission with iterative blind channel estimation and equalization using soft feedback’ Name des/der Bearbeiter

André Fonseca dos Santos, Wolfgang Rave and Gerhard Fettweis T E X T ... In this talk we present recent results of blind reception in the context of 60 GHz UWB systems. An algorithm based on the constraints imposed by the parity check equations of a channel code is applied to 60 GHz UWB channels. We also show an iterative (turbo) algorithm which exploits such constraints and the soft feedback provided by a channel decoder. Furthermore we compare the codebased approach to traditional blind algorithms exploiting second and higher-order statistics. We also combine the different approaches for magnitude and phase spectrum estimation in order to use the best characteristics of each approach. Finally, we show the remaining challenges and the next steps in our research.

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Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm

„Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik“ (UKoLoS) am 26./27.02.2009 in Erlangen Forschungsvorhaben:

FI 982/3-1

Coding, Modulation, and Detection for Power-Efficient Low-Complexity Impulse-Radio Ultra-Wideband Transmissions Systems Bearbeitendes Institut:

Lehrstuhl für Informationsübertragung Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Name der verantwortlichen Wissenschaftler: Prof. Dr.-Ing. Robert Fischer Prof. Dr.-Ing. Lutz Lampe, Prof. Dr.-Ing. Johannes Huber Adresse des Instituts:

Cauerstraße 7/LIT 91058 Erlangen

Titel des Beitrages:

Aufwandsgünstige „Multiple-Symbol Differential Detection“ basierend auf dem „Sphere Decoder“ und einem neuen Abbruchkriterium

Namen der Bearbeiter:

Andreas Schenk, Robert Fischer

Zusammenfassung: Übertragungssysteme mit extrem großer Bandbreite, sog. „Ultrawideband“ (UWB)-Systeme, haben in den letzten Jahren stark an Interesse gewonnen. Gerade für die Nahbereichskommunikation verspricht man sich von der „Impulse-Radio Ultra-Wideband“ (IR-UWB)-Technik einfach zu implementierende und kostengünstige Alternativen zu bestehenden Ansätzen. Relativ neue Varianten von IR-UWB, wie z.B. „Differential Transmitted Reference“ (DTR) IR-UWB ermöglichen eine weitere Reduktion der Empfängerkomplexität, da keine Kanalschätzung nötig ist. Diese Komplexitätsreduktion wird jedoch im ersten Ansatz mit einer reduzierten Leistungseffizienz erkauft. Leistungseffiziente Empfänger für DTR-IR-UWB, welche die Lücke zu kohärenten Verfahren schließen können, erhält man durch Anwendung von sog. „MultipleSymbol Differential Detection“-Verfahren. Diese können wiederrum aufwandsgünstig mittels des sog. „Sphere Decoders“ realisiert werden. In den Vorarbeiten zum ab März anlaufenden Vorschungsvorhaben wurde die aufwandsgünstige Multiple-Symbol Differential Detection für klassische differentielle Phasenumtastung (DPSK) basierend auf dem Sphere Decoder untersucht. Insbesondere wurde ein neues Abbruchkriterium entwickelt, welches es erlaubt, bereits sehr frühzeitig den Suchvorgang (ohne Verlust in der Leistungseffizienz/Fehlerrate) abzubrechen und damit die Suchkomplexität des Decoders erheblich zu verringern. Der Vortrag erläutert den Decoder und belegt dessen Leistungsfähigkeit anhand numerischer Simulationen. Darüber hinaus wird die Anwendung des neuen Ansatzes zur aufwandsgünstigen aber dennoch leistungseffizienten Detektion in DTRIR-UWB-Systemen diskutiert.

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Forschungsvorhaben:

GZ: WO 1442/1-2 Titel: "Development and evaluation of low complexity physical layer concepts for energy efficient UWB communications " bearbeitendes Institut: TU Ilmenau, Fachgebiet Nachrichtentechnik Name der verantwortlichen Wissenschaftler: Mike Wolf und Martin Haardt Adresse des Instituts: TU Ilmenau, FG Nachrichtentechnik PF 100565, 98684 Ilmenau Titel des Beitrags: Non-coherent receivers for energy efficient UWB-transmission Name des Bearbeiters: Nuan Song The main purpose of this project is the development and investigation of low complexity UWB physical layer solutions, which provide energy efficiency combined with robustness in multiuser environments or scenarios with narrowband interference. To capture the multipath energy easily, the detection is based on non-coherent multipath combining, namely envelope detection (or square-law detection) and differential detection. In Phase 1 of the project we show that non-coherently combining the chips of the user-specific codes may cause an additional loss in Eb/N0 for a fixed bit error rate (where Eb is the energy per bit and N0 is the noise power density) [1]. Therefore, for the second phase we propose to use a Code Matched Filter (CMF) prior to the non-coherent processing as shown in Figure 1. This approach is more robust to AWGN, Multi-User Interference (MUI) as well as Multipath Interference (MPI) than the traditional system investigated in Phase 1. We further suggest a digital realization of the CMF (DCMF) as well as digital multipath combining. The Analog-to-Digital Converter (ADC) is therefore a crucial part within the receiver.

Figure 1: Block diagram of the DCMF-based non-coherent receiver. (a) Envelope detector, (b) Differential detector. The quadrature down-conversion is not shown.

Assuming an ideal ADC (Nyquist sampling rate, full resolution), we investigate the DCMF-based non-coherent receiver in the presence of AWGN, MUI, and MPI. The performance is analyzed and compared with the case when the decoder of the user-specific code is applied after the non-coherent processing [2]. The main results are as follows: •

•

•

For a system using multiple access techniques in an AWGN channel, the signal energy is spread over time by user-specific codes. The non-coherent combining of the spreading chips results in a loss (compared to the coherent detection), which can be determined by the code weight [2]. The DCMF that coherently combines the chips before the non-coherent operation significantly reduces this loss. In order to obtain the MUI influences on the system performance, we consider a low data rate multi-user THPPM system with square-law detection in the absence of AWGN. The BER performance is analyzed in terms of the number of active users. We show that the proposed DCMF-based non-coherent receiver provides a higher signal-to-MUI ratio than the one in [2]. Moreover, we take into account the MPI in a high data rate DPSK-based DS-UWB system using differential detection. Since bipolar pseudo random sequences have better autocorrelation properties, the MPI can be suppressed by DCMF before non-coherent processing. The performance results of our proposed receiver indicate that it has a good resilience against MPI.

References: [1] M. Wolf and N. Song, “Chapter 5: Non-Coherent Detection,” in Short-Range Wireless Communications: Emerging Technologies and Applications, R. Kraemer and M. D. Katz, Eds., Wiley, Jan. 2009. [2] N. Song, M. Wolf, and M. Haardt, “Performance of PPM-Based Non-Coherent Impulse Radio UWB Systems using Sparse Codes in the Presence of Multi-User Interference,” in Proc. of IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2009), 2009.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen Forschungsvorhaben

WI 1044 25-1 sowie BO 1734 13-1

„Strategies for Highly Efficient UWB-Impulse Radio Systems Architectures” (UltraEfficiency) bearbeitendes Institut (gemeinsamer Vortrag) 1) Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik (Universität Karlsruhe) 2) Heinrich-Hertz Lehrstuhl für Mobilkommunikation (Technische Universität Berlin) Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Werner Wiesbeck, Thomas Zwick sowie Holger Boche Adresse des Instituts Institut für Höchstfrequenztechnik und Elektronik (IHE) Engesser Str. 5 (Gebäude 30.10) 76128 Karlsruhe sowie Heinrich-Hertz Lehrstuhl für Mobilkommunikation Technische Universität Berlin Einsteinufer 25 10587 Berlin

Titel des Beitrages “Design and implementation of strategies for ultra-efficient impulse radio transmission” Name des/der Bearbeiter

(gemeinsamer Vortrag) Jens Timmermann, Philipp Walk

Summary: (vgl. nächste Seite)

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Summary: During the first phase of the project, a joint system simulator has been created that takes into account the relevant non-ideal hardware of impulse radio frontends as well as the non-ideal transmission link that is influenced by multipath propagation, noise and interference. These non-ideal effects degrade the system performance, and optimal strategies must be found to get a highly efficient system. The current contribution does not present all results achieved in the meantime but concentrates on the design, implementation and results of optimal strategies focusing on -

predistortion to compensate non-ideal effects optimal pulse shaping to maximize the constrained transmit power and advanced modulation schemes to increase the data rate

Concerning predistortion, two methods are presented how compensation of the transmit antenna can be achieved. The main idea is to compensate the fluctuations of the antenna gain function versus frequency by using a predistorted pulse shape. This can be achieved by designing a pulse with respect to a modified target mask or by designing a pulse that is multiplied by the inverse antenna function in frequency domain. Both theoretical methods have also been implemented in the system simulator, and the respective improvement of the bit error rate is shown. The second topic of the presentation is optimal pulse shaping focusing on optimal FIR filters to maximize the constrained transmit power with respect to a given regulation. Three methods will be presented to solve the optimization problem for the case that the input of the FIR filter is a Dirac function. However, a Dirac function cannot be generated by hardware. Therefore, the problem is extended to an arbitrary input signal. For a given pulse shape that can be generated by low-cost devices (for example a Gaussian Monocycle), the optimal FIR filters have to be determined. This leads to a non-linear optimization problem with infinite number of non-linear constraints, which cannot be solved exactly. One approach to solve this problem is to approximate it by discretizing objective and constraints. The result delivers therefore suboptimal FIR coefficients for a given filter length L. Compared to analogue antenna-filter co-design, the advantage of FIR filter design is that only the FIR coefficients and not the hardware must be modified if the UWB device is used in a country with different regulation. The presentation shows suboptimal FIR coefficients and suboptimal pulse shapes for both FCC and European regulation together with the respective power efficiency. The third topic of the presentation studies advanced modulation schemes to maximize the data rate. In classical modulation schemes like On Off Keying (OOK) or Pulse Position Modulation (PPM), only one bit is transmitted within the pulse repetition time, and the data rate is increased by reducing the pulse repetition rate. However, this method can lead to strong inter symbol interference if the pulse repetition time is less than the channel delay spread. To overcome this problem at high data rates, pulse shape modulation using orthogonal pulse shapes (which now overlap in time) is considered, whereas the orthogonal pulses are n based on a basis pulse. Then, a set of 2 pulse shapes is used to transmit n bits simultaneously within the pulse repetition time. The main problem reported in recent literature is however that the power efficiency of the generated orthogonal pulses is much less compared to the basis pulse and varies from pulse to pulse. The current presentation takes as basis pulse a suboptimal pulse from the optimization problem and applies an orthogonalization method that solves the reported problems from literature. The power efficiency of the orthogonal pulses does not vary at all and is comparable to the efficiency of the basis pulse. The topics of this presentation will be published at conferences (joint Gemic 2009 paper accepted), and joint journal publications are already in preparation.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben

JO 258/12-2

Physical layer optimisation for the multiband impulse radio UWB architecture (MIRA) bearbeitendes Institut

Institut für Nachrichtentechnik

Name des verantwortlichen Wissenschaftlers

Prof. Dr.rer. nat Friedrich Jondral

Adresse des Instituts

Universität Karlsruhe (TH) Institut für Nachrichtentechnik 76128 Karlsruhe

Titel des Beitrages

Interferenzbehandlung in einem inkohärenten impulsbasierten Multiband UWB System

Name des/der Bearbeiter

Hanns-Ulrich Dehner, Dennis Burgkhardt, Holger Jäkel, Friedrich Jondral

Vortragskurzfassung Das im Teilprojekt MIRA zu untersuchende inkohärente impulsbasierte Multiband UWB (MIR-UWB) System soll sich bei Vorhandensein von breit- oder schmalbandigen Störeinflüssen in seiner Leistungsfähigkeit nicht verschlechtern. Aus diesem Grund müssen Möglichkeiten eines effizienten Umgangs mit Störungen betrachtet werden. Im Rahmen dieses Vortrags wird ein einfach zu realisierender, effizienter und dynamischer Koexistenzansatz vorgestellt, wobei als Störquelle das in ersten auf dem Markt erhältlichen UWB-Produkten eingesetzte Multiband OFDM UWB (MB-OFDM UWB) betrachtet wird. Der vorgeschlagene Ansatz basiert auf dem Zusammenspiel eines in das MIR-UWB System integrierten 2-dimensionalen Bandplan Arrays sowie einem mit geringer Komplexität verbundenen „Pixel“ basierten Stördetektionsalgorithmus. Im Vergleich zum statischen Koexistenzansatz, bei dem Subbänder deaktiviert werden, ermöglicht der dynamische Koexistenzansatz höhere Datenraten während der Datenübertragungsphasen ohne signifikante Verluste bei der Bitfehlerwahrscheinlichkeit. Die durch den Koexistenzalgorithmus geringfügig modifizierte MIR-UWB-Architektur kann mit wenig Hardwareänderungen realisiert werden und ist anwendbar zur Realisierung leistungseffizienter und kostengünstiger Anwendungen mit hohen Datenraten. Darauf aufbauend erfolgt eine Erweiterung des vorgestellten Algorithmus im Falle von mehreren breit- oder schmalbandigen Störern mit unterschiedlicher Störleistung. In diesem Zusammenhang werden ein globaler iterativer Koexistenzansatz sowie eine lokale iterative hierarchische Methode vorgestellt. Abschließend wird auf die rekursive Nachführung aktuell gemessener Energiewerte eingegangen. Es wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt nicht nur das Einschalten eines schmalbandigen Störers innerhalb eines Datenpakets zu detektieren, sondern auch dessen Ausschalten erfasst. Die korrekte Nachführung ermöglicht zuverlässige Entscheidungen für nicht gestörte Bits innerhalb desselben Datenpakets und trägt damit zu einer verbesserten Performance bzgl. schmalbandiger Störungen bei.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben

bearbeitendes Institut

FI 470/9-2

(Geschäftszeichen)

MIRA

(Titel des Vorhabens)

Lehrstuhl für theoretische Nachrichtentechnik Institut für Nachrichtentechnik Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Dresden

Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Dipl.-Ing. Rainer Moorfeld Adresse des Instituts

Lehrstuhl für theoretische Nachrichtentechnik Institut für Nachrichtentechnik Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Technische Universität Dresden 01062 Dresden

Titel des Beitrages

Zwischenergebnisse des Projekts MIRA

Name des/der Bearbeiter

Dipl.-Ing. Rainer Moorfeld

Ziel der aktuellen Arbeiten am Projekt MIRA des Lehrstuhls für theoretische Nachrichtentechnik haben zum Ziel die Datenrate des vorgeschlagenen Multiband Impuls Radio Systems zu erhöhen. Hier gibt es nur eine Möglichkeit dies zu realisieren. Eine modifizierte Pulse Amplituden Modulation wird vorgestellt und für den nicht koherenten Energiedetektor optimiert. Bei weiterer Erhöhung der Datenrate und in Kanälen mit einem sehr langen Channel Delay Spread wird das Problem der Intersymbol Interferenz immer größer. Erste Ideen und Ergebnisse zur Unterdrückung von ISI bei nicht koherenter Energiedetektion werden vorgestellt. Weiterhin soll der Energiedetektor optimiert werden. Ideen und erste Ergebnisse hierzu werden ebenfalls kurz vorgestellt.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben WI 2299/1-1 Cooperative Localisation and Object Recognition in Autonomous Sensor Networks bearbeitendes Institut Universität Duisburg-Essen Name des verantwortlichen Wissenschaftlers: Prof. Dr.-Ing. I. Willms Adresse des Instituts Fachgebiet NTS Bismarckstr. 81 47048 Duisburg Titel des Beitrages UWB Object Recognition based on Ray-tracing Reference Data Name des/der Bearbeiter Rahmi Salman The UWB object recognition aims at identifying objects (e.g. furniture) in a room as well as parts of the building structures (like supporting beams) in the case of a scenario with an emergency situation. It was investigated to what extent an object recognition of a set of objects based on a-priory known reference data is possible. For this purpose a scenario was considered in which a network of sensor nodes mounted on moveable platforms is moving on a circular track around an object. The recognition is accomplished for simple canonical and more complex 2D objects and is performed on the basis of radargram data. Here the objects characteristic geometric features were examined using Moment Invariants and polar Fourier descriptors. The Fourier descriptors were extended in order to identify multiple reflections such that both specular reflections and multiple reflections contribute to the recognition process. For enhanced robustness of the recognition algorithm an invariance against translation and rotational shift of the scanned object was implemented. This invariance can be improved by a contour-adaptive track and a contour-adaptive alignment of the UWB antennas. R. Salman, Th. Schultze, I. Willms UWB Material Characterisation and Object Recognition with Applications in Fire and Security, 2008 IEEE International Conference on Ultra-Wideband, ICUWB 2008, Hannover, September 2008 R. Salman, Th. Schultze, M. Janson, W. Wiesbeck, I. Willms Robust UWB Radar Object Recognition, 2008 IEEE International Radio Frequency and Microwave Conference, RFM 2008, Kuala Lumpur, December 2008

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben

NO201/16-1: CHIP2CHIP UWB Nahbereichskommunikation, insbesondere Chip-to-Chip und On-Chip Kommunikation

bearbeitendes Institut

Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Technische Universität München

Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Adresse des Instituts

Titel des Beitrages

Univ.-Prof. Dr. techn. Dr. h. c. Peter Russer

Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik Technische Universität München Arcisstr. 21, 80333 München

Wireless Chip-to-Chip Communication via Integrated Antennas

Name des/der Bearbeiter Hristomir Yordanov und Prof. Peter Russer

The rate of signal transmission on or between monolithic integrated circuits is limited by the cross-talk and the dispersion due to the wired interconnects. The bandwidth limitations can be overcome by wireless chipto-chip and on-chip interconnects via integrated antennas. In this work the utilisation of the electronic circuit ground planes as radiating elements for the integrated antennas has been proposed. This allows for optimal usage of chip area, as the antennas share the same metallisation structure as the circuits. By exciting the interconnection structures in transmission line modes and the antennas in antenna modes the interference between the circuit and the antennas has been minimised. Examples of possible antenna and feeding structures have been investigated numerically. Scaled prototypes of the integrated antennas have been manufactured and measured.

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Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen

Forschungsvorhaben

NO201/16-1: CHIP2CHIP UWB Nahbereichskommunikation, insbesondere Chip-to-Chip und On-Chip Kommunikation

bearbeitendes Institut

Lehrstuhl für Netzwektheorie und Signalverarbeitung Technische Universität München

Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Adresse des Instituts

Titel des Beitrages

Univ.-Prof. Dr. techn. Josef A. Nossek

Lehrstuhl für Netzwerktheorie und Signalverarbeitung Technische Universität München Arcisstr. 21, 80333 München

Fast, Robust, and Efficient Coding for Large Discrete Memoryless Channels with Application to High Speed Chip2Chip and On-Chip Links.

Name des/der Bearbeiter Amine Mezghani, Dr.-Ing. Michel T. Ivrlac, und Prof. Josef A. Nossek

The challenge with nonsymmetric and/or nonbinary channels is that the capacity-achieving probability distribution is not uniform. In this case, distribution shapers are needed to approach capacity, which results in very large block sizes. This is of course impractical for channels with low complexity receiver or where the sender and receiver wish to communicate without substantial average delay. The talk propose a method to increase the capacity achieved by uniformly distributed input in discrete memoryless channels (DMC) with high input cardinality. It consists in appropriately reducing the input set to increase the capacity under uniform distribution. In addition, this idea of reducing the input to symbols that are maximally spaced makes the task of the decoder considerably easier and inherently includes some robustness against the quality of the channel state information at the transmitter and other parameter fluctuation (SNR) in the system. Different design criteria of the input subset are discussed. We develop an efficient algorithm to solve this problem based on the maximization of the cut-off rate. To find the optimal input subset, we explored among others SDP relaxation techniques, that turns to be a very efficient approach providing excellent solutions for this problem. The method is applied to Chip2Chip MIMO links, and it is shown that the capacity can be approached within tenths of a dB by employing standard binary codes while avoiding the use of distribution shapers.

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Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „UltrabreitbandFunktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen Forschungsvorhaben (NO 201/16-1) UWB Nahbereichskommunikation, insbesondere Chip-to-Chip und On-Chip Kommunikation bearbeitendes Institut Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Datenverarbeitungssysteme der RWTH Aachen Name des verantwortlichen Wissenschaftlers Univ.-Prof. Dr.-Ing. Tobias G. Noll Adresse des Instituts Schinkelstr. 2 52062 Aachen Titel des Beitrages 45 nm CMOS-Technologie-gerechte Optimierung von hochratigen LDPC-Dekodern mit geringer Latenz Name des Bearbeiters Matthias Korb Die Verwendung von Low-Density-Parity-Check-Codes (LDPC) als Kanalcodes ermöglicht fehlergeschützte Übertragungskanäle, die sehr nahe an der theoretischen Shannon-Grenze arbeiten. Hierzu sind hohe Blockgrößen erforderlich, die zum einen zu einer hohen Latenz und zum anderen zu sehr komplexen Verbindungsnetzwerken in den empfangsseitigen Dekoder-Schaltungen führen. Dekoder-Architekturen mit einem bit-parallelem Verbindungsnetzwerk und einer parallelen Implementierung der Arithmetik zeichnen sich sowohl durch eine hohe erzielbare Blockdurchsatzrate als auch durch eine relativ geringe Latenz aus. Die Realisierung der komplexen Verdrahtung resultiert in einem hohen Flächenbedarf, der regelmäßig die für die Logik benötigte Siliziumfläche übersteigt. Bei einer bit-seriellen Realisierung des Verbindungsnetzwerkes kann die Siliziumfläche zwar reduziert werden, die erhöhte Latenz innerhalb einer Dekodier-Iteration führt aber zu einer Reduktion der Durchsatzrate. Diese kann mit Hilfe von Pipelining und Interleaving gesteigert werden, die ohnehin hohe Latenz serieller Architekturen wird dabei aber weiter erhöht. Durch eine systematische Untersuchung der darstellbaren Kombinationen konnte eine Architektur identifiziert werden, die zum einen ein serielles Verbindungsnetzwerk besitzt und zum anderen die Durchsatzraten und die geringe Latenz paralleler Architekturen erreicht. Des Weiteren wurde die Optimierung von segmentierten, gepufferten Verbindungsleitungen erweitert und an eine 45 nm CMOSTechnologie angepasst. Die entwickelten Kostenmodelle werden für die effiziente Realisierung des komplexen Verbindungsnetzwerkes genutzt. Neben dem ursprünglich von Gallager entwickelten Sum-Produkt-Algorithmus werden in der Literatur attraktive approximative Algorithmen wie z.B. insbesondere der Min-Sum-Algorithmus vorgestellt. Die geringere Komplexität dieser Algorithmen führt zwar zu einer Reduktion der Implementierungskosten der Dekoder, im Allgemeinen wird aber auch das Dekodierverhalten beeinträchtigt. Die Dekodier-Performance von Dekodern, die auf dem Min-Sum-Algorithmus basieren, wird neben Implementierungsparametern wie Wortbreite und Anzahl der Dekodier-Iterationen insbesondere von der gewählten Post-Processing-Funktion bestimmt. Aus der Literatur sind verschiedene Vorschläge zu deren Festlegung bekannt, die die DekodierPerformance-Verluste des Min-Sum-Dekoders im Vergleich zu einem Sum-Product-Dekoder verringern. Die Ableitung dieser Funktionen erfolgt dabei weitestgehend ohne Berücksichtigung der Implementierungskosten einer späteren CMOS-Realisierung, sodass die Verwendung dieser Post-Processing-Funktionen zu einem signifikant erhöhten Flächenbedarf als auch zu einer Reduktion des Durchsatzes führt. Durch eine kombinierte Analyse der Implementierungskosten und der erzielbaren Dekodier-Performance konnte eine Post-Processing-Funktion gefunden werden, die zum einen die Dekodier-Performance im Vergleich zu den anderen vorgeschlagenen Funktionen erhöht als auch die Implementierungskosten des Min-Sum-Dekoders reduziert. Die Bit-Fehler-Raten des resultierenden Min-Sum-Dekoders liegen dabei in den ersten Iterationen sogar unter den Bit-Fehler-Raten, die bei der Dekodierung mit einem Sum-Produkt-basierten Dekoder erreicht werden können. Das Fehlerkorrekturverhalten wurde dazu simulativ bis zu Bit-Fehler-Raten von 10-12 untersucht. Im Rahmen einer Feasibility-Studie zu der vorgeschlagenen Dekoder-Architektur wurden die Schlüsselkomponenten in einer 45 nm Technologie implementiert.

UKoLoS

Erlangen, 26./27. Februar 2009

Kopftext der Vortrags-Kurzfassungen für das Kolloquium 2009 im DFG-Schwerpunktprogramm „Ultrabreitband-Funktechniken für Kommunikation, Lokalisierung und Sensorik (UKoLoS)" am 26./27.02.2009 in Erlangen Forschungsvorhaben

Infrastracture-Aided Localisation with UWB Antenna Arrays (RoboLoc)

Titel des Beitrages

Progress Report „RoboLoc“, January 2009

Name des/der Bearbeiter

Grzegorz Adamiuk, Saeed Arafat, Sebastian Sczyslo

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