In dieser Bachelorarbeit wird eine LTE Cell Search Procedure auf Basis von SDR entwickelt, um eine Synchronisation mit einem LTE-System in Zeit und Frequenz zu erreichen. Dabei werden mehrere Verarbeitungsblöcke implementiert, die zur LTE Cell Search Procedure gehören. Diese beinhalten die Erkennung des Integer Frequency Offsets (IFO), Primary Synchronisation Signals (PSS), Fractional Frequency Offset (FFO) und des Secondary Synchronisation Signals (SSS). Die Arbeit umfasst eine Literaturrecherche, die Implementierung der Verarbeitungsblöcke, die Simulation verschiedener Szenarien, statistische Analysen und die Anwendung auf ein gemessenes LTE-Signal. Sie liefert Antworten auf spezifische Forschungsfragen zur Effizienz, zum Einfluss des SNR und des CFO, sowie zur Eignung für reale LTE-Systeme. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf mögliche Anwendungen im Kontext von 5G NR, WLAN und Erweiterungen gegeben.:Kurzfassung.................................... III Abbildungsverzeichnis .............................. VII Tabellenverzeichnis................................ VIII Codeverzeichnis.................................. IX Abkürzungsverzeichnis .............................. X Symbolverzeichnis ................................ XIV 1. Einleitung................................... 1 1.1. Forschungsfragen ............................ 1 1.2. Untersuchungsdesign .......................... 2 2. Grundlagen .................................. 3 2.1. Zadoff-Chu (ZC)-Sequenzen ...................... 3 2.2. Maximum Length (M)-Sequenzen................... 5 2.3. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) ................ 7 2.4. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM): Kanal und Equalization............................... 10 2.5. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM): Carrier Frequency Offset (CFO).......................... 11 2.6. Carrier Frequency Offset (CFO)-Erkennung ................... 14 2.7. Short Time Fourier Transform (STFT) und Spektrogramm ......... 16 2.8. Software Defined Radio (SDR) .................... 17 2.9. 3rd Generation Partnership Project (3GPP)-Long Term Evolution (LTE).................................. 18 3. Praktische Untersuchung ........................... 23 3.1. Simulationsumgebung ......................... 27 3.2. Software Defined Radio (SDR)-basierte Long Term Evolution (LTE)- Messung................................. 29 3.3. Integer Carrier Frequency Offset (IFO)-Erkennung ............ 30 3.4. Primary Synchronization Signal (PSS)-Erkennung .............. 38 3.5. Fractional Carrier Frequency Offset (FFO)-Erkennung ........ 44 3.6. Secondary Synchronization Signal (SSS)-Erkennung ............ 49 3.7. Simulation der gesamten Implementierung .................... 57 4. Zusammenfassung und Ausblick ....................... 62 Literaturverzeichnis................................ 65

Platooning ermöglicht koordiniertes Fahren in Konvois, um Straßenauslastung, Emissionen, Verkehrsfluss und Sicherheit zu optimieren. Obwohl ursprünglich für Autobahnen entwickelt, könnten besonders urbane Gebiete, die mit Luftverschmutzung, Unfällen und Staus konfrontiert sind, von Platooning profitieren. Bisherige Platooning-Konzepte sind jedoch nicht speziell für urbane Umgebungen ausgelegt. In dieser Dissertation untersuchen wir erstmalig die Vorteile und Herausforderungen des urbanen Platoonings, speziell in Bezug auf Intra- und Inter-Platoon Kommunikation und Koordination in urbanen Gebieten. Zu diesem Zweck evaluieren wir die Realisierbarkeit von Platooning in urbanen Umgebungen unter Beachtung von Mobilitäts- und drahtlosen Kommunikationsaspekten. Unser Ansatz zur dynamischen Bildung von Platoons bringt deutliche Verbesserungen hinsichtlich der Fahrzeit und des Kraftstoffverbrauchs im urbanen Kontext im Vergleich zum konventionellen Fahren. Ferner zeigen wir die Limitationen der Nutzung von reiner IEEE 802.11p-basierten Kommunikation und zeigen die Schwächen von Vehicular Visible Light Communication (V-VLC) in urbanen Umgebungen, verglichen mit dessen vorteilhafter Anwendung auf Autobahnen. Zweitens stellen wir innovative Strategien für die Kommunikation innerhalb eines Platoons vor. Das Ergebnis ist LUNA, ein neuartiger Ansatz, der Beamforming und Full-Duplex Relaying (FDR) für urbanes Platooning kombiniert. Unsere Untersuchungen zeigen, dass LUNA im Gegensatz zu traditionellen Ansätzen wie V-VLC, sowohl für Autobahn- als auch für urbane Szenarien geeignet ist, mit einer PDR von 100 % und nahezu keinem Paketverlust in urbanen Umgebungen. Drittens untersuchen wir das Potenzial urbaner Infrastruktur zur Koordination zwischen Platoons in Smart Cities. Wir zeigen, dass der opportunistische Einsatz von unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs) zur Weiterleitung drahtloser Übertragungen von Fahrzeugen nicht nur gewinnbringender ist als ein dedizierter UAV-Einsatz, sondern auch den Kanalzugriff über mehrere Platoons koordinieren kann. Dies reduziert den Paketverlust im Vergleich zu Szenarien ohne UAVs erheblich. Diese Arbeit demonstriert die Machbarkeit von Urban Platooning, stellt Methoden für zuverlässige drahtlose Kommunikation vor und legt damit einen Grundstein für zukünftige Forschungen.:Abstract Kurzfassung 1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Control Systems............................... 12 2.2 Communication in Vehicular Networks ................. 16 2.3 Intra-Platoon Communication ...................... 31 2.4 Unmanned Aerial Vehicles in Smart Cities .................. 33 3. Urban Platoon Formation 39 3.1 State of the Art ............................... 42 3.2 Platoon Formation ............................. 44 3.3 Simulative Evaluation ........................... 48 3.4 Lessons Learned............................... 52 4 Wireless Communication Challenges for Urban Platooning 53 4.1 State of the Art ............................... 56 4.2 Heterogeneous Communication Protocols using Vehicular Visible Light Communication(V-VLC).......................... 57 4.3 Simulative Evaluation ........................... 59 4.4 Lessons Learned............................... 67 5 Beamforming for Platoons 71 5.1 State of the Art ............................... 74 5.2 Experimental Validation .......................... 76 5.3 Simulative Evaluation ........................... 79 5.4 Lessons Learned............................... 87 6 Full-Duplex Relaying and Beamforming for Platoons 89 6.1 State of the Art:Full-Duplex Relaying ................. 92 6.2 The Need for Multi-Hop Relaying Approaches for Platoons . . . . . 94 6.3 LUNA (full duplex relaying with beamforming) . . . . . . . . . . . 94 6.4 Simulative Evaluation: Freeway Platooning . . . . . . . . . . . . . . 96 6.5 Lessons Learned:Freeway Platooning ................. 104 6.6 State of the Art: Full-Duplex Relaying for Urban Environments . . 105 6.7 Simulative Evaluation: Urban Platooning . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.8 Lessons Learned:Urban Platooning................... 112 7 Utilization of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in Cooperative Urban Wireless Networks 117 7.1 An Open-Source Fully Modular Multi Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Simulation Framework........................... 122 7.2 State of the Art: Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in Wireless Networks ..................................... 133 7.3 Opportunistic Relaying........................... 135 7.4 Simulative Evaluation ........................... 136 7.5 Influences on Opportunistic Relay Success . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.6 Optimized Missions vs. Opportunistic Relaying . . . . . . . . . . . . 147 7.7 Lessons Learned............................... 148 8 Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Supported Urban Platooning 151 8.1 State of the Art ............................... 154 8.2 Inter-Platoon Channel Access Coordination with Unmanned Aerial Vehicles(UAVs) ............................... 154 8.3 Simulative Evaluation ........................... 157 8.4 Lessons Learned............................... 159 9 Conclusion 161 Bibliography 177 / Platooning empowers vehicles to drive in coordinated convoys, improving road utilization, emissions, traffic flow, and road safety. To realize platooning, reliable wireless communication is required. Although designed for freeways, platooning could be especially beneficial in urban environments facing pollution, accidents, and congestion challenges. However, current system designs for platooning are not tailored to the characteristics of urban environments. This dissertation addresses the benefits and challenges of wireless communication among platooning vehicles (intra-platoon communication) and the coordination of multiple platoons (inter-platoon coordination) for the first time with a dedicated focus on urban environments. For this, we first evaluate the viability of platooning in urban environments, considering mobility and wireless communication aspects. Using our approach for dynamic platoon formation, we show that urban platooning massively enhances travel time and fuel consumption compared to traditional driving. Additionally, we demonstrate the limitations of solely using Radio Frequency (RF) communication and underscore the shortcomings of Vehicular Visible Light Communication (V-VLC) in urban environments compared to its beneficial use on freeways. Second, we present novel strategies for intra-platoon communication, resulting in LUNA, a novel approach combining beamforming and Full-Duplex Relaying (FDR) for urban platooning. Our evaluation shows that LUNA, unlike traditional approaches such as V-VLC, is appropriate for freeway and urban scenarios, achieving a 100 % PDR on freeways and negligible packet loss in an urban environment. Third, we investigate the potential of urban infrastructure for inter-platoon coordination in future smart cities. We show that an opportunistic use of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to relay wireless transmissions of vehicles outperforms a dedicated UAV deployment and can further coordinate wireless channel access, substantially reducing packet loss compared to scenarios without UAVs. In this thesis, we demonstrate the feasibility of urban platooning and present approaches for reliable wireless communication, thereby providing a step towards its realization and the foundation for future research.:Abstract Kurzfassung 1 Introduction 2 Fundamentals 2.1 Control Systems............................... 12 2.2 Communication in Vehicular Networks ................. 16 2.3 Intra-Platoon Communication ...................... 31 2.4 Unmanned Aerial Vehicles in Smart Cities .................. 33 3. Urban Platoon Formation 39 3.1 State of the Art ............................... 42 3.2 Platoon Formation ............................. 44 3.3 Simulative Evaluation ........................... 48 3.4 Lessons Learned............................... 52 4 Wireless Communication Challenges for Urban Platooning 53 4.1 State of the Art ............................... 56 4.2 Heterogeneous Communication Protocols using Vehicular Visible Light Communication(V-VLC).......................... 57 4.3 Simulative Evaluation ........................... 59 4.4 Lessons Learned............................... 67 5 Beamforming for Platoons 71 5.1 State of the Art ............................... 74 5.2 Experimental Validation .......................... 76 5.3 Simulative Evaluation ........................... 79 5.4 Lessons Learned............................... 87 6 Full-Duplex Relaying and Beamforming for Platoons 89 6.1 State of the Art:Full-Duplex Relaying ................. 92 6.2 The Need for Multi-Hop Relaying Approaches for Platoons . . . . . 94 6.3 LUNA (full duplex relaying with beamforming) . . . . . . . . . . . 94 6.4 Simulative Evaluation: Freeway Platooning . . . . . . . . . . . . . . 96 6.5 Lessons Learned:Freeway Platooning ................. 104 6.6 State of the Art: Full-Duplex Relaying for Urban Environments . . 105 6.7 Simulative Evaluation: Urban Platooning . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.8 Lessons Learned:Urban Platooning................... 112 7 Utilization of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in Cooperative Urban Wireless Networks 117 7.1 An Open-Source Fully Modular Multi Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Simulation Framework........................... 122 7.2 State of the Art: Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) in Wireless Networks ..................................... 133 7.3 Opportunistic Relaying........................... 135 7.4 Simulative Evaluation ........................... 136 7.5 Influences on Opportunistic Relay Success . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.6 Optimized Missions vs. Opportunistic Relaying . . . . . . . . . . . . 147 7.7 Lessons Learned............................... 148 8 Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Supported Urban Platooning 151 8.1 State of the Art ............................... 154 8.2 Inter-Platoon Channel Access Coordination with Unmanned Aerial Vehicles(UAVs) ............................... 154 8.3 Simulative Evaluation ........................... 157 8.4 Lessons Learned............................... 159 9 Conclusion 161 Bibliography 177

Mit der zunehmenden Verbreitung mobiler Endgeräte und Dienste ergeben sich auch neue Herausforderungen für ihre Sicherheit. Diese lassen sich nur teilweise mit herkömmlichen Sicherheitsparadigmen und -mechanismen meistern. Die Gründe hierfür sind in den veränderten Voraussetzungen durch die inhärenten Eigenschaften mobiler Systeme zu suchen. Die vorliegende Arbeit thematisiert am Beispiel von Wireless LANs die Entwicklung von Sicherheitsmechanismen für drahtlose Ad-hoc- und Infrastrukturnetze. Sie stellt dabei den umfassenden Schutz der einzelnen Endgeräte in den Vordergrund, die zur Kompensation fehlender infrastruktureller Sicherheitsmaßnahmen miteinander kooperieren. Den Ausgangspunkt der Arbeit bildet eine Analyse der Charakteristika mobiler Umgebungen, um grundlegende Anforderungen an eine Sicherheitslösung zu identifizieren. Anhand dieser werden existierende Lösungen bewertet und miteinander verglichen. Der so gewonnene Einblick in die Vor- und Nachteile präventiver, reaktiver und angriffstoleranter Mechanismen führt zu der Konzeption einer hybriden universellen Rahmenarchitektur zur Integration beliebiger Sicherheitsmechanismen in einem kooperativen Verbund. Die Validierung des Systementwurfs erfolgt anhand einer zweigeteilten prototypischen Implementierung. Den ersten Teil bildet die Realisierung eines verteilten Network Intrusion Detection Systems als Beispiel für einen Sicherheitsmechanismus. Hierzu wird eine Methodik beschrieben, um anomalie- und missbrauchserkennende Strategien auf beliebige Netzprotokolle anzuwenden. Die Machbarkeit des geschilderten Ansatzes wird am Beispiel von infrastrukturellem WLAN nach IEEE 802.11 demonstriert. Den zweiten Teil der Validierung bildet der Prototyp einer Kooperations-Middleware auf Basis von Peer-to-Peer-Technologien für die gemeinsame Angriffserkennung lose gekoppelter Endgeräte. Dieser kompensiert bisher fehlende Mechanismen zur optimierten Abbildung des Overlay-Netzes auf die physische Struktur drahtloser Netze, indem er nachträglich die räumliche Position mobiler Knoten in die Auswahl eines Kooperationspartners einbezieht. Die zusätzlich definierte Schnittstelle zu einem Vertrauensmanagementsystem ermöglicht die Etablierung von Vertrauensbeziehungen auf Kooperationsebene als wichtige Voraussetzung für den Einsatz in realen Umgebungen. Als Beispiel für ein Vertrauensmanagementsystem wird der Einsatz von Reputationssystemen zur Bewertung der Verlässlichkeit eines mobilen Knotens diskutiert. Neben einem kurzen Abriss zum Stand der Forschung in diesem Gebiet werden dazu zwei Vorschläge für die Gestaltung eines solchen Systems für mobile Ad-hoc-Netze gemacht. / The increasing deployment of mobile devices and accompanying services leads to new security challenges. Due to the changed premises caused by particular features of mobile systems, these obstacles cannot be solved solely by traditional security paradigms and mechanisms. Drawing on the example of wireless LANs, this thesis examines the development of security mechanisms for wireless ad hoc and infrastructural networks. It places special emphasis on the comprehensive protection of each single device as well as compensating missing infrastructural security means by cooperation. As a starting point this thesis analyses the characteristics of mobile environments to identify basic requirements for a security solution. Based on these requirements existing preventive, reactive and intrusion tolerant approaches are evaluated. This leads to the conception of a hybrid and universal framework to integrate arbitrary security mechanisms within cooperative formations. The resulting system design is then validated by a twofold prototype implementation. The first part consists of a distributed network intrusion detection system as an example for a security mechanism. After describing a methodology for applying anomaly- as well as misuse-based detection strategies to arbitrary network protocols, the feasibility of this approach is demonstrated for IEEE 802.11 infrastructural wireless LAN. The second part of the validation is represented by the prototype of a P2P-based cooperation middleware for collaborative intrusion detection by loosely coupled devices. Missing mechanisms for the improved mapping of overlay and physical network structures are compensated by subsequently considering the spatial position of a mobile node when choosing a cooperation partner. Furthermore, an additional interface to an external trust management system enables the establishment of trust relationships as a prerequisite for a deployment in real world scenarios. Reputation systems serve as an example of such a trust management system that can be used to estimate the reliability of a mobile node. After outlining the state of the art, two design patterns of a reputation system for mobile ad hoc networks are presented.

Mit der zunehmenden Verbreitung mobiler Endgeräte und Dienste ergeben sich auch neue Herausforderungen für ihre Sicherheit. Diese lassen sich nur teilweise mit herkömmlichen Sicherheitsparadigmen und -mechanismen meistern. Die Gründe hierfür sind in den veränderten Voraussetzungen durch die inhärenten Eigenschaften mobiler Systeme zu suchen. Die vorliegende Arbeit thematisiert am Beispiel von Wireless LANs die Entwicklung von Sicherheitsmechanismen für drahtlose Ad-hoc- und Infrastrukturnetze. Sie stellt dabei den umfassenden Schutz der einzelnen Endgeräte in den Vordergrund, die zur Kompensation fehlender infrastruktureller Sicherheitsmaßnahmen miteinander kooperieren. Den Ausgangspunkt der Arbeit bildet eine Analyse der Charakteristika mobiler Umgebungen, um grundlegende Anforderungen an eine Sicherheitslösung zu identifizieren. Anhand dieser werden existierende Lösungen bewertet und miteinander verglichen. Der so gewonnene Einblick in die Vor- und Nachteile präventiver, reaktiver und angriffstoleranter Mechanismen führt zu der Konzeption einer hybriden universellen Rahmenarchitektur zur Integration beliebiger Sicherheitsmechanismen in einem kooperativen Verbund. Die Validierung des Systementwurfs erfolgt anhand einer zweigeteilten prototypischen Implementierung. Den ersten Teil bildet die Realisierung eines verteilten Network Intrusion Detection Systems als Beispiel für einen Sicherheitsmechanismus. Hierzu wird eine Methodik beschrieben, um anomalie- und missbrauchserkennende Strategien auf beliebige Netzprotokolle anzuwenden. Die Machbarkeit des geschilderten Ansatzes wird am Beispiel von infrastrukturellem WLAN nach IEEE 802.11 demonstriert. Den zweiten Teil der Validierung bildet der Prototyp einer Kooperations-Middleware auf Basis von Peer-to-Peer-Technologien für die gemeinsame Angriffserkennung lose gekoppelter Endgeräte. Dieser kompensiert bisher fehlende Mechanismen zur optimierten Abbildung des Overlay-Netzes auf die physische Struktur drahtloser Netze, indem er nachträglich die räumliche Position mobiler Knoten in die Auswahl eines Kooperationspartners einbezieht. Die zusätzlich definierte Schnittstelle zu einem Vertrauensmanagementsystem ermöglicht die Etablierung von Vertrauensbeziehungen auf Kooperationsebene als wichtige Voraussetzung für den Einsatz in realen Umgebungen. Als Beispiel für ein Vertrauensmanagementsystem wird der Einsatz von Reputationssystemen zur Bewertung der Verlässlichkeit eines mobilen Knotens diskutiert. Neben einem kurzen Abriss zum Stand der Forschung in diesem Gebiet werden dazu zwei Vorschläge für die Gestaltung eines solchen Systems für mobile Ad-hoc-Netze gemacht. / The increasing deployment of mobile devices and accompanying services leads to new security challenges. Due to the changed premises caused by particular features of mobile systems, these obstacles cannot be solved solely by traditional security paradigms and mechanisms. Drawing on the example of wireless LANs, this thesis examines the development of security mechanisms for wireless ad hoc and infrastructural networks. It places special emphasis on the comprehensive protection of each single device as well as compensating missing infrastructural security means by cooperation. As a starting point this thesis analyses the characteristics of mobile environments to identify basic requirements for a security solution. Based on these requirements existing preventive, reactive and intrusion tolerant approaches are evaluated. This leads to the conception of a hybrid and universal framework to integrate arbitrary security mechanisms within cooperative formations. The resulting system design is then validated by a twofold prototype implementation. The first part consists of a distributed network intrusion detection system as an example for a security mechanism. After describing a methodology for applying anomaly- as well as misuse-based detection strategies to arbitrary network protocols, the feasibility of this approach is demonstrated for IEEE 802.11 infrastructural wireless LAN. The second part of the validation is represented by the prototype of a P2P-based cooperation middleware for collaborative intrusion detection by loosely coupled devices. Missing mechanisms for the improved mapping of overlay and physical network structures are compensated by subsequently considering the spatial position of a mobile node when choosing a cooperation partner. Furthermore, an additional interface to an external trust management system enables the establishment of trust relationships as a prerequisite for a deployment in real world scenarios. Reputation systems serve as an example of such a trust management system that can be used to estimate the reliability of a mobile node. After outlining the state of the art, two design patterns of a reputation system for mobile ad hoc networks are presented.

Efficient energy use is primarily for any sensor networks to function for a longer time period. There have been many efficient schemes with various progress levels proposed by many researchers. Yet, there still more improvements are needed. This thesis is an attempt to make wireless sensor networks with further efficient on energy usage in the network with respect to rate of delivery of the messages. In sensor network architecture radio, sensing and actuators have influence over the power consumption in the entire network. While listening as well as transmitting, energy is consumed by the radio. However, if by reducing listening times or by reducing the number of messages transmitting would reduce the energy consumption. But, in real time scenario with critical information sensing network leads to information loss. To overcome this an adaptive routing technique should be considered. So, that it focuses on saving energy in a much more sophisticated way without reducing the performance of the sensing network transmitting and receiving functionalities. This thesis tackles on parts of the energy efficiency problem in a wireless sensor network and improving delivery rate of messages. To achieve this a routing technique is proposed. In this method, switching between two routing paths are considered and the switching decision taken by the server based on messages delivered comparative previous time intervals. The goal is to get maximum network life time without degrading the number of messages at the server. In this work some conventional routing methods are considered for implementing an approach. This approach is by implementing a shortest path, Gradient based energy routing algorithm and an observer component to control switching between paths. Further, controlled switching done by observer compared to normal initial switch rule. Evaluations are done in a simulation environment and results show improvement in network lifetime in a much more balanced way.

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Im Rahmen der Arbeiten wurde ein Algorithmus zur initialen Bestimmung und Verfolgung der Position von mobilen Netzwerkknoten erarbeitet und implementiert. Das Verfahren basiert auf Entfernungsinformationen zwischen mobilen und ortsfesten Knoten. Es wird ein zweistufiger Ansatz verfolgt. In einem ersten Schritt wird die Position des zu lokalisierendenKnotens durch mindestens drei (2D) bzw. vier (3D) Entfernungswerte zu Knotenmit bekannter Position, sogenannten Anker-Knoten, bestimmt. Auf Basis dieser Position erfolgt im zweiten Schritt die Verfolgung des mobilen Knotens mittels Kalmanfilter. Der Algorithmus wurdemit Hilfe eines Netzwerksimulators in einem realen Kommunikationsszenario verifiziert.

Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten. Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen. Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar. / The volatile energy supply by solar cells for wireless sensor nodes causes vast challenges for the energy management of such systems. Conditioned by seasonal and short time effects, the incoming power continuously varies. Simultaneously a reliable and constant function of the system has to be realized. To reconcile this, a model for the expected incoming solar power has been derived, which enables the estimation of the planned energy curve. This curve can be compared with the real progression of incoming power measured in parallel, to determine the current state of energy of a sensor node. This comparison is used to derive decision criteria for the control of the energy distribution or operating conditions. Within this work, the physical backgrounds for the modelling of the incoming solar energy and the state of the art of modelling solar power are described. A model is chosen as basis for further investigations and adapted to the limited hardware of wireless sensor nodes. The main challenges are the reduced processing power, few data memory in the system and the objective to consume as few energy as possible for the calculation. The results show that an adapted model can be implemented on wireless sensor systems and that it is executable despite the heavy limitations. This enables a distinct improvement of the distribution of energy across the day, which results in a constant systems function, despite the varying incoming power. At the same time the reliability and failure safety are being improved and the oversizing of the solar cell and the storage elements can be reduced. Therefore the model based energy management is an important component for a stable power supply of wireless sensor systems.

Handling mobility in wireless sensor networks can pose formidable challenges in protocol design, especially, at the link layer. Since most of the proposed Medium Access Control (MAC) protocols do not accommodate mobility, a node has two options to deal with a deteriorating link: (a) to continue data transmission until the link breaks and then establishes a new link with a new relay node; or (b) to seamlessly transfer the communication to a better link parallel to the data transmission over the existing link. Different from option (a) where a node can only search for a new link after the original link disrupts, option (b) enables a node to perceive the change in the quality of a link in advance. The link quality prediction is implemented by an adaptive handover mechanism. Both approaches will inevitably introduce latency. This thesis aims to quantify and compare such latency. Specifically, it investigates the latency of packet transmission in a mobile wireless sensor network with and without the support of a handover mechanism. To start with, the thesis elaborates the effect of mobility on the performance of the existing MAC protocols, and the need to maintain an unbroken link during data transmission. To implement the handover, a target MAC protocol is required to be selected first. Since the Receiver-Initiated MAC protocol (RI-MAC) uses only short beacon and data packets during communication that substantially reduce overhearing, collision probability and data recovery cost, it is chosen as the carrier for the latency evaluation. Even though RI-MAC performs well in many aspects, it has several demerits. To address the monotonous increment in the backoff window size and to reduce the occurrence frequency of the dwell time, a burst data transmission pattern is adopted to optimize RI-MAC. With the optimization, the protocol reduces the long idle listening time that a node has to wait before data transmission, and thus, works well in a static scenario. However, due to the high probability of link disconnection, the burst data transmission does not perform well in case of mobility. For the sake of accommodating mobility, an adaptive handover mechanism is developed on top of the optimized RI-MAC. Once a node evaluates that the data packets cannot be completely transmitted before the link terminates, it will search for a new relay node while keeping communicating with the original collaborator. It is implemented by embedding a neighbor discovery request in a data packet that will be transmitted in a broadcast channel. Neighbors of the node will participate in the handover process as long as they are in an active state and their distance to the transmitter does not exceed a pre-defined threshold. As a proof-of-concept for the handover mechanism, a mathematical model is established. The transmission rate, the moving speed of human beings, the duty cycle and the network density are all taken into consideration. The analytical result shows that the communication latency decreases with an increment in the network density and the duty cycle when the handover mechanism is used, whereas the latency exhibits a reverse trend when the handover mechanism is not used. To validate the mathematics-based evaluation, the NS2 network simulator is employed. The simulation result is found to perform in accordance with the analytical result. It is asserted that the latency of packet transmission with the handover support is much less than that without the handover support. The communication latency can be saved by at least 0.28s when the handover mechanism is applied. This figure can even grow as the duty cycle and the network density increase. From this perspective, the handover mechanism is verified to improve the latency of packet transmission as far as mobility is concerned.

Future high-capacity wireless communications will extensively use the broad bands still available millimeter-wave frequencies. Channels with bandwidth broader than those in use today will guarantee enhanced data-rate and reduced latency performance. The recent progress of integrated-circuit semiconductor technologies finally allowed the design of reliable electronics operating at millimeter-wave frequencies. On top, advanced Fully Depleted Silicon On Insulator (FD-SOI) Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) and Silicon Germanium (SiGe) Bipolar CMOS (BiCMOS) processes enabled to co-integrate large digital blocks with frontends operating at tens or hundreds of GHz. The current under-deployment fifth-generation mobile-communication standard (5G) takes advantage of these advancements, massively exploiting the frequency bands from 24 GHz to 100 GHz. Furthermore, besides enlarging the channel bandwidth, improvements of the signal-to-noise power ratio (SNR) at the receiver input, combined with Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) techniques provide an additional boost to the communication data-rate. Both approaches require arrays of antennas, plus electronic beam-steering which becomes essential in the case of moving transmitting-receiving pairs. Finally, social, economic, historical, and technological trends indicate that future wireless standards will require data-rates, latencies, and density of served users per square kilometer well beyond those offered by the 5G. Envisioned to be deployed towards the end of this decade, the six mobile communication standard (6G) will win future challenges thanks to the very ultra-broad bands available from 100 GHz until the tens of THz. Basic research is hence needed to address the open challenges necessary to reach the goals of future wireless communication systems, such as bandwidth and frequency operation factor-10 increase or power consumption reduction against the actual state of the art. This Habilitation thesis proposes circuit theory and concepts up to feasibility study of circuit implementation and experimental characterization in the laboratory of transceiver electronics for future high-capacity communications useful for the knowledge gain necessary for the conception of future communication systems. In detail, basic scientific research to understand the operation of millimeter-wave communication circuits implemented in 22 nm FD-SOI CMOS and 130 nm SiGe BiCMOS technologies has been performed.