In einer Client/Server-Netzwerkarchitektur wird die Kommunikation der Komponenten durch Protokolle geregelt. Die Wahl des Protokolls hat dabei Einfluss auf die Verzögerungszeiten im Datentransfer. Diese Arbeit hat ausgewählte Protokolle und Technologien für A12 Business-Anwendungen bezüglich des Aspekts der Performance getestet. Der Fokus lag auf HTTP/2 HTTP Long Polling, Web Sockets und der AMQP-Implementierung RabbitMQ. Um dies zu realisieren wurde die Applikation entwickelt, die alle Anwendungsfälle für jede der Technologien implementiert. Die erstellten Testszenarien wurden daraufhin ausgeführt und die Ergebnisse zeigen, welche Technologien in welchen Anwendungsfällen gut oder schlecht sind. HTTP/2 erzielt im Vergleich gute Ergebnisse, wenn der vorliegende Anwendungsfall dem Request/Response-Muster entspricht. Wenn es sich zudem um große zu sendene Objekte handelt, kann HTTP/2 Verzögerungseinsparungen von mindestens 22% gegenüber den anderen getesteten Technologien vorweisen. Long Polling erweist sich für A12 Business-Anwendungen mit sich ständig aktualisierenden Live-Daten als keine gute Option. WebSockets hingegen stechen in diesem Fall durch eine sehr geringe Latenz hervor, die insbesondere bei einer höheren Anzahl von Clients überzeugt. Hier existieren Anwendungsfälle, bei denen der WebSocket 63% schneller ist als die Alternativen. RabbitMQ überzeugt durch gute Resultate in verschiedensten Anwendungsfällen. Bei Live-Daten für einen Client kann die Message Queue mit den Latenzen des WebSockets mithalten. Erst eine Erhöhung der Anzahl der Clients bewirkt eine größer werdende Abweichung. Zudem überzeugt RabbitMQ mit geringen Zeiten in der Neu-Verbindung und für A12 Business-Anwendungen mit Request/Response-Muster. In Letzterem existieren Anwendungsfälle bei denen RabbitMQ 10% schneller ist als HTTP/2.

Time-triggered communication is widely used throughout several industry do- mains, primarily for reliable and real-time capable data transfers. However, existing time-triggered technologies are designed for terrestrial usage and not directly applicable to space applications due to the harsh environment. In- stead, specific hardware must be developed to deal with thermal, mechanical, and especially radiation effects. SpaceWire, as an event-triggered communication technology, has been used for years in a large number of space missions. Its moderate complexity, her- itage, and transmission rates up to 400 MBits/s are one of the main ad- vantages and often without alternatives for on-board computing systems of spacecraft. At present, real-time data transfers are either achieved by prior- itization inside SpaceWire routers or by applying a simplified time-triggered approach. These solutions either imply problems if they are used inside dis- tributed on-board computing systems or in case of networks with more than a single router are required. This work provides a solution for the real-time problem by developing a novel clock synchronization approach. This approach is focused on being compatible with distributed system structures and allows time-triggered data transfers. A significant difference to existing technologies is the remote clock estimation by the use of pulses. They are transferred over the network and remove the need for latency accumulation, which allows the incorporation of standardized SpaceWire equipment. Additionally, local clocks are controlled decentralized and provide different correction capabilities in order to handle oscillator induced uncertainties. All these functionalities are provided by a developed Network Controller (NC), able to isolate the attached network and to control accesses. / Zeitgesteuerte Datenübertragung ist in vielen Industriezweigen weit verbreitet, primär für zuverlässige und echtzeitfähige Kommunikation. Bestehende Technologien sind jedoch für den terrestrischen Gebrauch konzipiert und aufgrund der rauen Umgebung nicht direkt auf Weltraumanwendungen anwendbar. Stattdessen wird spezielle Hardware entwickelt, um Strahlungseffekten zu widerstehen sowie thermischen und mechanischen Belastungen standzuhalten. SpaceWire wurde als ereignisgesteuerte Kommunikationstechnologie entwickelt und wird seit Jahren in einer Vielzahl von Weltraummissionen verwendet. Dessen erfolgreiche Verwendung, überschaubare Komplexität, und Übertragungsraten bis zu 400 MBit/s sind einige seiner Hauptvorteile. Derzeit werden Datenübertragungen in Echtzeit entweder durch Priorisierung innerhalb von SpaceWire Router erreicht, oder durch Anwendung von vereinfachten zeitgesteuerten Ansätzen. Diese Lösungen implizieren entweder Probleme in verteilten Systemarchitekturen oder in SpaceWire Netzwerken mit mehreren Routern. Diese Arbeit beschreibt eine Uhrensynchronisation, die bestimmte Eigenschaften von SpaceWire ausnutzt, um das Echtzeitproblem zu lösen. Der Ansatz ist dabei kompatibel mit verteilten Systemstrukturen und ermöglicht eine zeitgesteuerte Datenübertragung.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines monolithisch integrierten 60-GHz-Empfängerschaltkreises in einer modernen Silizium-Germanium-Halbleitertechnologie mit 190 GHz maximaler Transitfrequenz. Drei für die Entwicklung von MMIC-Empfängerschaltkreisen äußerst wichtige Prinzipien liegen dem Entwurf zugrunde: die Optimierung von Rauschverhalten und Bandbreite sowie die Betrachtung der maximal erreichbaren Ausgangsleistung. Diese Prinzipien werden detailliert untersucht und typische Schaltungen dahingehend analysiert. Insbesondere wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, die maximale Ausgangsleistung für die häufig verwendete Kaskodestufe vorherzusagen. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung der Methode der Lastkurve nach Cripps. Weiterhin werden Ansätze zur Modellierung von Leitungen vorgestellt und ihre Verwendbarkeit für die unterschiedlichen Simulationsarten diskutiert. Der Hauptteil der Arbeit behandelt den Entwurf des Empfängerschaltkreises, welcher aus einem breitbandigen Eingangsverstärker mit niedrigem Rauschen und einstellbarer Verstärkung, einem Leistungsteiler, einem direkten Quadratur-Abwärtsmischer, einem Basisbandverstärker, einem Treiberverstärker für das Lokaloszillatorsignal sowie einem 90°-Phasenschieber besteht. Zusätzlich sind verschiedene Referenzstrom- und -spannungsquellen im Schaltkreis integriert. Die gefertigte Schaltung wurde messtechnisch vollständig charakterisiert, und alle Ergebnisse sind wiedergegeben. Der gemessene Mischgewinn beträgt bis zu 40 dB bei einer Bandbreite von mehr als 15 GHz. Die Zweiseitenbandrauschzahl liegt bei moderaten 7,5 dB. Die gemessene Phasen- und Amplitudenabweichung sind geringer als 5° und geringer als 0,15 dB. Die Gesamtschaltung nimmt 360 mW Leistung aus einer 2,2-V-Spannungsquelle auf. Insbesondere die Bandbreite des Empfängerschaltkreises stellt eine Verbesserung des aktuellen Standes der Technik dar. / The present work studies the development of a monolithic 60 GHz receiver IC in a modern 190 GHz-fT silicon-germanium semiconductor technology. The design is based on three fundamental principles, which are of great importance for MMIC receiver design: noise optimisation, bandwidth enhancement and output power considerations. Those principles are discussed in detail, and typical circuit examples are comprehensively analysed. Specifically, a method is presented that allows the prediction of output power for the frequently-used cascode stage. This method is an extension of Cripps’ load line theory. Furthermore, modelling approaches for transmission lines and their suitability for various types of simulations are discussed. The main part focuses on the design process of the receiver IC, which consists of a broadband low noise amplifier with variable gain, a power divider, a zero-IF quadrature mixer, a baseband amplifier, an LO driver amplifier and a 90°-phase shifter. Additionally, several reference current and voltage sources are implemented in the IC. The manufactured circuit is characterised in detail, and all measurement results are presented. Over a bandwidth of more than 15 GHz, the measured conversion gain is up to 40 dB with a moderate double sideband noise figure of 7.5 dB. An I/Q imbalance measurement reveals a phase accuracy of better than 5° and an amplitude error of less than 0.15 dB. The total power consumption is 360 mW from a 2.2 V-source. Particularly in terms of bandwidth, the circuit performance exceeds the current state of the art.

Die Bauteileigenschaften von Bauteilen und Baugruppen im Karosseriebau werden maßgeblich durch die während des Tiefziehprozesses auftretenden Formänderungen und Verfestigungen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird daher die Umformsimulation in eine repräsentative virtuelle Prozesskette des Karosseriebaus integriert. Dazu wird zunächst die Datenübertragung zwischen den einzelnen Simulationsprogrammen in der Prozesskette Umformen - Fügen - Crash realisiert. Mit der anschließend durchgeführten Sensitivitätsanalyse wird festgestellt, welche Größen einen signifikanten Einfluss auf die Folgesimulationen haben. Aufbauend auf den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse wird eine Methode zur Gestaltung von einfachen Ankonstruktionen zur Verbesserung der Qualität der Ergebnisse der inversen Umformsimulation entwickelt und an einem Bauteil aus dem Karosseriebau validiert. Mit den durch die einfache Ankonstruktion erzielten Verbesserungen in den Ergebnissen der inversen Umformsimulation kann die entwickelte Methode einen Beitrag zur Erhöhung der Qualität der nachfolgenden Prozesssimulationen in der Prozesskette leisten.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines monolithisch integrierten 60-GHz-Empfängerschaltkreises in einer modernen Silizium-Germanium-Halbleitertechnologie mit 190 GHz maximaler Transitfrequenz. Drei für die Entwicklung von MMIC-Empfängerschaltkreisen äußerst wichtige Prinzipien liegen dem Entwurf zugrunde: die Optimierung von Rauschverhalten und Bandbreite sowie die Betrachtung der maximal erreichbaren Ausgangsleistung. Diese Prinzipien werden detailliert untersucht und typische Schaltungen dahingehend analysiert. Insbesondere wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, die maximale Ausgangsleistung für die häufig verwendete Kaskodestufe vorherzusagen. Dabei handelt es sich um eine Erweiterung der Methode der Lastkurve nach Cripps. Weiterhin werden Ansätze zur Modellierung von Leitungen vorgestellt und ihre Verwendbarkeit für die unterschiedlichen Simulationsarten diskutiert. Der Hauptteil der Arbeit behandelt den Entwurf des Empfängerschaltkreises, welcher aus einem breitbandigen Eingangsverstärker mit niedrigem Rauschen und einstellbarer Verstärkung, einem Leistungsteiler, einem direkten Quadratur-Abwärtsmischer, einem Basisbandverstärker, einem Treiberverstärker für das Lokaloszillatorsignal sowie einem 90°-Phasenschieber besteht. Zusätzlich sind verschiedene Referenzstrom- und -spannungsquellen im Schaltkreis integriert. Die gefertigte Schaltung wurde messtechnisch vollständig charakterisiert, und alle Ergebnisse sind wiedergegeben. Der gemessene Mischgewinn beträgt bis zu 40 dB bei einer Bandbreite von mehr als 15 GHz. Die Zweiseitenbandrauschzahl liegt bei moderaten 7,5 dB. Die gemessene Phasen- und Amplitudenabweichung sind geringer als 5° und geringer als 0,15 dB. Die Gesamtschaltung nimmt 360 mW Leistung aus einer 2,2-V-Spannungsquelle auf. Insbesondere die Bandbreite des Empfängerschaltkreises stellt eine Verbesserung des aktuellen Standes der Technik dar. / The present work studies the development of a monolithic 60 GHz receiver IC in a modern 190 GHz-fT silicon-germanium semiconductor technology. The design is based on three fundamental principles, which are of great importance for MMIC receiver design: noise optimisation, bandwidth enhancement and output power considerations. Those principles are discussed in detail, and typical circuit examples are comprehensively analysed. Specifically, a method is presented that allows the prediction of output power for the frequently-used cascode stage. This method is an extension of Cripps’ load line theory. Furthermore, modelling approaches for transmission lines and their suitability for various types of simulations are discussed. The main part focuses on the design process of the receiver IC, which consists of a broadband low noise amplifier with variable gain, a power divider, a zero-IF quadrature mixer, a baseband amplifier, an LO driver amplifier and a 90°-phase shifter. Additionally, several reference current and voltage sources are implemented in the IC. The manufactured circuit is characterised in detail, and all measurement results are presented. Over a bandwidth of more than 15 GHz, the measured conversion gain is up to 40 dB with a moderate double sideband noise figure of 7.5 dB. An I/Q imbalance measurement reveals a phase accuracy of better than 5° and an amplitude error of less than 0.15 dB. The total power consumption is 360 mW from a 2.2 V-source. Particularly in terms of bandwidth, the circuit performance exceeds the current state of the art.

In the continuous search for Hydrocarbon and Geothermal resources in the earth, wells are drilled for various purposes. Wildcat, Appraisal, Production and Injection wells are drilled for proper field development and operation. Based on the purpose and plan for the wells, trajectory and targets are defined. During drilling, continuous monitoring of trajectory, rock and fluid characteristics are required to achieve defined objectives. Measurement while Drilling (MWD) and Logging while Drilling (MWD) systems are included as part of the Bottom Hole Assembly (BHA) to perform continuous measurement and transmission of downhole data to the surface. Measured data are converted to binary form and transferred to the surface for further processing and interpretation. Several methods of data transfer are possible albeit with various pros and cons. Currently, the most widely used method of transfer still remains the Mud Pulse Telemetry (MPT) system which makes use of the mud (drilling fluid) within the system for transmission of data. The major focus of this research was to further expand the envelope in the research towards increasing data transmission rates using the mud siren, a form of mud pulse telemetry. This research includes practical investigations which was conducted within the unique Flow Loop Laboratory at the Institute of Drilling and Fluid Mining, TU Bergakademie Freiberg. Within the research, minor adjustments were made to the flow loop facility to align with realities expected on the Rig. Effects of the changes made were evaluated and presented. The pulser section of the flow loop was also redesigned and new mud sirens manufactured to allow for the practical investigation in series and parallel. The major concept for increasing data transmission rate investigated in this research is the Multifrequency Mud Siren transmission in series and parallel. Following up with previous research, simulation of the flop loop scenario using ANSYS CFX was done to allow for numerical evaluation of the multifrequency transmission concept. Simulation runs were performed with various scenarios both in series and parallel, results evaluated and analyzed thereafter. A little mention on the amplification theory was also investigated and results shown. For the practical experiments, the pulser section was redesigned to allow investigations both into the series and parallel conditions for multifrequency transmission. Various experimental flow runs were successfully performed, observations recorded, data analyzed using MATLAB and results discussed. In closing, a conceptual design that contributes towards the possible field application of the Multifrequency transmission concept was developed. The Compact Double Multifrequency Siren concept was designed to aid easier adaptation of the Multifrequency transmission concept both in series and parallel.:Table of Contents Declaration ii Abstract iii Acknowledgements v List of Abbreviations vi List of Symbols viii Table of Contents x 1. Introduction 1 2. Literature Review and Fundamentals 5 2.1. Historical perspective 5 2.1.1. Introduction 5 2.1.2. Mud Pulse Telemetry 6 2.1.3. Telemetry drill pipe 7 2.1.4. Electromagnetic telemetry 7 2.1.5. Acoustic Telemetry 8 2.2. Mud Pulse Telemetry devices 9 2.2.1. Positive Pulser 9 2.2.2. Negative Pulser 10 2.2.3. Mud Siren 11 2.2.4. Oscillating Shear Valve 12 2.3. Modulation Techniques for Data Transmission 13 2.3.1. Baseband Transmission 13 2.3.2. Passband Transmission 15 2.4. Signal Transformation and Processing 16 2.4.1. Fourier Transformation 17 2.4.2. Short time Fourier Transformation 17 2.4.3. Continuous Wavelet Transformation 18 2.5. Summary of Previous Research Work on the Flowloop 19 3. Flowloop setup and current changes 21 3.1. Description of Flowloop 21 3.1.1. General overview of Flowloop 21 3.1.2. Pulser Prototypes 25 3.2. Improvement in Flow Loop Set-Up 28 3.2.1. Pump Change Justification 28 3.2.2. Pump replacement 35 3.2.3. Analysis of Pump Replacement 36 4. ANSYS Modelling and Simulation of the Multi Frequency Mud Siren in Series and Parallel 47 4.1. Basics of Numerical simulation with ANSYS CFX 48 4.2. Mesh Generation and Quality 51 4.3. Modelling 53 4.4. CFX-Pre Set-up and Post view 54 4.5. Flow Simulation Results in Series and Parallel 57 5. Laboratory Investigation on the Multi-Frequency Mud Siren Concept 64 5.1. Experiment Background and setup 64 5.2. Laboratory Practical Results and Analysis 68 5.2.1. Series Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 69 5.2.2. Series Transmission Test 2: Double Siren, Multi Frequency 72 5.2.3. Series Transmission Test 3: Double Siren, Multi Frequency Data String Transmission 75 5.2.4. Parallel Transmission Test 1: Single Siren vs Double Siren, Same Frequency 79 5.2.5. Parallel transmission test 2: Double siren, multi frequency 82 5.2.6. Parallel transmission test 3: Double siren, multi frequency Data String Transmission 84 6. Discussion on the Multi-Frequency Mud Siren Simulation and Practical Results 89 6.1. Result Discussion 89 6.2. Challenges and Sources of Errors 93 7. Outlook 100 7.1 Future Work (Compact Multifrequency Mud Siren) 100 7.2 Recommendations 106 8. Conclusion 107 9. References 111 10. List of Figures 114 11. List of Tables 120 12. Appendix 121

In dieser Arbeit wird das Real-Time Streaming Protocol (RTSP) spwie das Real-Time Transport Protocol (RTP) analysiert. Die Syntax und Semantik von Präsentations-Beschreibungen im Format des Session Description Protocol (SDP) werden vorgestellt. Es wird eine kurze Einführung in das Format von MPEG-1-Videosequenzen gegeben. In der Analysephase wird der aktuelle Stand des Inline-MPEG-1-Players und des Multicast MPEG-Servers untersucht. Ausgehend davon werden die Ziele der Implementierung eines neuen Java-Applets sowie eines RTSP-Servers festgelegt und beschrieben, in welchen Schritten diese erreicht werden sollen. In der Implementierungsphase werden die Erstellung eines RTSP- und eines RTP-Klienten in Java beschrieben. Es wird dargelegt, wie unter Verwendung dieser Klienten auf Basis des Inline-MPEG-1-Players ein Java-Applet erzeugt wurde, daß MPEG-1-Videosequenzen von einem Medienserver empfangen und abspielen kann. Es wird der Entwurf eines RTSP-Medienservers und dessen Implementierung beschrieben. Mit Abschluß dieser Arbeit steht ein einsatzbereites System aus RTSP-Server und RTSP-Klient bereit, daß ohne weitere Klientsoftware auf einer Weboberfläche eingesetzt werden kann.

In dieser Arbeit wird das Real-Time Streaming Protocol (RTSP) spwie das Real-Time Transport Protocol (RTP) analysiert. Die Syntax und Semantik von Präsentations-Beschreibungen im Format des Session Description Protocol (SDP) werden vorgestellt. Es wird eine kurze Einführung in das Format von MPEG-1-Videosequenzen gegeben. In der Analysephase wird der aktuelle Stand des Inline-MPEG-1-Players und des Multicast MPEG-Servers untersucht. Ausgehend davon werden die Ziele der Implementierung eines neuen Java-Applets sowie eines RTSP-Servers festgelegt und beschrieben, in welchen Schritten diese erreicht werden sollen. In der Implementierungsphase werden die Erstellung eines RTSP- und eines RTP-Klienten in Java beschrieben. Es wird dargelegt, wie unter Verwendung dieser Klienten auf Basis des Inline-MPEG-1-Players ein Java-Applet erzeugt wurde, daß MPEG-1-Videosequenzen von einem Medienserver empfangen und abspielen kann. Es wird der Entwurf eines RTSP-Medienservers und dessen Implementierung beschrieben. Mit Abschluß dieser Arbeit steht ein einsatzbereites System aus RTSP-Server und RTSP-Klient bereit, daß ohne weitere Klientsoftware auf einer Weboberfläche eingesetzt werden kann.

Die Bauteileigenschaften von Bauteilen und Baugruppen im Karosseriebau werden maßgeblich durch die während des Tiefziehprozesses auftretenden Formänderungen und Verfestigungen beeinflusst. In der vorliegenden Arbeit wird daher die Umformsimulation in eine repräsentative virtuelle Prozesskette des Karosseriebaus integriert. Dazu wird zunächst die Datenübertragung zwischen den einzelnen Simulationsprogrammen in der Prozesskette Umformen - Fügen - Crash realisiert. Mit der anschließend durchgeführten Sensitivitätsanalyse wird festgestellt, welche Größen einen signifikanten Einfluss auf die Folgesimulationen haben. Aufbauend auf den Ergebnissen der Sensitivitätsanalyse wird eine Methode zur Gestaltung von einfachen Ankonstruktionen zur Verbesserung der Qualität der Ergebnisse der inversen Umformsimulation entwickelt und an einem Bauteil aus dem Karosseriebau validiert. Mit den durch die einfache Ankonstruktion erzielten Verbesserungen in den Ergebnissen der inversen Umformsimulation kann die entwickelte Methode einen Beitrag zur Erhöhung der Qualität der nachfolgenden Prozesssimulationen in der Prozesskette leisten.

The development of wireless sensor networks has reached a point where each individual node of a network may store and deliver a massive amount of (sensor-based) information at once or over time. In the future, massively connected, highly dynamic wireless sensor networks such as vehicle-2-vehicle communication scenarios may hold an even greater information potential. This is mostly due to the increase in node complexity. Consequently, data volumes will become a problem for traditional data aggregation strategies trafficwise as well as with regard to energy efficiency. Therefore, in this thesis, proposed a database aggregation strategy can be used to minimize most of these problems of big data in embedded and wireless sensor networks which enables the efficient use of energy and the handling of large data volumes. Moreover, evaluated latency and traffic volume in the network based on experiments using sensor platforms.