The development of synthetic life once envisioned by Feynman and Flynn many decades ago has stimulated significant research in materials science, biology, neuroscience, robotics, and computer science. The cross-disciplinary effort and advanced technologies in soft miniature robotics have addressed some of the significant challenges of actuation, sensing, and subsystem integration. An ideal Soft motile miniaturised robot (SMMRs) has innovative applications on a small scale, for instance, drug delivery to environmental remediation. Such a system demands smart integration of micro/nano components such as engines, actuators, sensors, controllers, and power supplies, making it possible to implement complex missions controlled wirelessly. Such an autonomous SMMR spans over multiple science and technology disciplines and requires innovative microsystem design and materials. Over the past decade, tremendous efforts have been made towards mastering one of such a SMMR's essential components: micro-engine. Chemical fuels and magnetic fields have been employed to power the micro-engines. However, it was realized seven years ago in work of TU-Chemnitz Professorship of Material Systems in Nanoelectronics and institute of investigative Nanosciences Leibniz IFW Dresden including Chemnitz side. Write explicitly that it is essential to combine the micro-engine with other functional microelectronic components to create an individually addressable smart and motile microsystem. This PhD work summarises the progress in designing and developing a novel flexible and motile soft micro autonomous robotic tubular systems (SMARTS) different from the well-studied single-tube catalytic micro-engines and other reported micromotors. Our systems incorporate polymeric nanomembranes fabricated by photolithography and rolled-up nanotechnology, which provide twin-tube structures and a spacious platform between the engines used to integrate onboard electronics. Energy can be wirelessly transferred to the catalytic tubular engine, allowing control over the SMARTS direction. Furthermore, to have more functionality onboard, a micro-robotic arm was integrated with remote triggering ability by inductive heating. To make the entire system smart, it is necessary to develop an onboard processor. However, the use of conventional Si technology is technically challenging due to the high thermal processes. We developed complex integrated circuits (IC) using novel single crystal-like organic and ZnO-based transistors to overcome this issue. Furthermore, a novel fabrication methodology that combines with six primary components of an autonomous system, namely motion, structure, onboard energy, processor, actuators, and sensors to developing novel SMARTSs, is being pursued and discussed.:List of acronyms 8 Chapter 1. Introduction 12 1.1 Motivation 14 1.2 Objectives 17 1.3 Thesis structure 18 Chapter 2. Building blocks of micro synthetic life 19 2.1 Soft structure 20 2.1.1 Polymorphic adaptability 20 2.1.2 Dynamic reconfigurability 20 2.1.3 Continuous motion 21 2.2 Locomotion 21 2.2.1 Aquatic 22 2.2.2 State-of-the-art aquatic SMMR 24 2.2.3 State-of-the-art terrestrial SMMR 25 2.2.4 State-of-the-art aerial SMMR 27 2.3 Onboard sensing 28 2.3.1 State-of-the-art 3D and flexible sensors systems 28 2.4 Onboard actuation 30 2.4.1 State-of-the-art actuators 30 2.5 Embedded onboard intelligence 32 2.5.1 State-of-the-art flexible integrated circuits 32 2.6 Onboard energy 33 2.6.1 State-of-the-art micro energy storage 34 2.6.2 State-of-the-art onboard energy harvesting SMMR 35 Chapter 3. Technology overview 38 3.1 Structure 38 3.1.1 Self-assembled “swiss-roll” architectures 40 3.1.2 Polymeric “swiss-roll” architectures 41 3.2 Motion: micro tubes as propulsion engines 44 3.2.1 Chemical engines 44 3.3 Embedded onboard intelligence 46 3.3.1 Thin film transistor 46 3.3.2 Basic characteristics of MOSFETs 48 3.4 Growth dynamics of organic single crystal films 51 3.4.1 Thin films growth dynamics 52 3.5 Powering SMARTSs 55 3.5.1 Onboard energy storage 56 3.5.2 Wireless power delivery 59 3.6 Integrable micro-arm 63 3.6.1 Stimuli-responsive actuator 63 3.6.2 Remote activation 64 Chapter 4. Fabrication and characterization 65 4.1 Thin film fabrication technology 65 4.1.1 Photolithography 65 4.1.2 E-beam deposition 68 4.1.3 Sputtering 69 4.1.4 Physical vapour deposition 70 4.1.5 Atomic layer deposition 71 4.1.6 Ion beam etching 72 4.2 Characterization methods 73 4.2.1 Atomic force microscopy 73 4.2.2 Scanning electron microscopy 74 4.2.3 Cyclic voltammetry 75 4.2.4 Galvanic charge discharge 77 4.2.5 Electrochemical impedance spectroscopy 78 Chapter 5. Development of soft micro autonomous robotic tubular systems (SMARTS) 81 5.1 Soft, flexible and robust polymeric platform 82 5.2 Locomotion of SMARTS 84 5.2.1 Assembly of polymeric tubular jet engines 84 5.2.2 Catalytic self-propulsion of soft motile microsystem 85 5.2.3 Propulsion power generated by the catalyst reaction 87 5.3 Onboard energy for SMARTS 89 5.3.1 Onboard wireless energy 90 5.3.2 Onboard ‘zero-pitch’ micro receiver coil 90 5.3.3 Evaluation of the micro receiver coil 91 5.4 Onboard energy storage 92 5.4.1 Fabrication of nano-biosupercapacitors 93 5.4.2 Electrochemical performance of “Swiss-roll” nBSC 97 5.4.3 Self-discharge performance and Bio enhancement: 98 5.4.4 Electrochemical and structural life time performance 100 5.4.5 Performance under physiologically conditions 101 5.4.6 Electrolyte temperature and flow dependent performance 102 5.4.7 Performance under hemodynamic conditions 105 5.4.8 Biocompatibility of nBSCs 105 5.5 Wireless powering and autarkic operation of SMARTS 108 5.5.1 Remote activation of an onboard IR-LED 108 5.5.2 Wireless locomotion of SMARTS 109 5.5.3 Effect of magnetic moment on SMARTS locomotion 111 5.5.4 Full 2D wireless locomotion control of SMARTS 112 5.5.5 Self-powered monolithic pH sensor system 114 5.6 Onboard remote actuation 119 5.6.1 Fabrication of integrable micro-arm 120 5.6.2 Remote actuation of integrable micro-arm 122 5.7 Flexibility of SMARTS 122 5.8 Onboard integrated electronics 123 5.9 Onboard organic electronics 124 5.9.1 Growth of BTBT-T6 as active semiconductor material 125 5.9.2 Confined Growth of BTBT-T6 to form Single-Crystal-Like Domain 128 5.9.3 Fabrication of OFET based on Single-Crystal-Like BTBT-T6 129 5.9.4 Carrier injection optimization 132 5.9.5 Performance of single-crystal-like BTBT-T6-OFET 133 5.10 Onboard flexible metal oxide electronics 136 5.10.1 Fabrication flexible ZnO TFT 138 5.10.2 Performance of ZnO TFT 139 5.10.3 Flexible integrated circuits 140 5.10.4 Logic gates 140 Chapter 6. Summary 142 Chapter 7. Conclusion and outlook 144 References 147 List of Figures & tables 173 Versicherung 177 Acknowledgement 178 Research achievements 180 Research highlight 183 Cover pages 184 Theses 188 Curriculum-vitae 191

Hybrid memory systems consisting of DRAM and NVRAM offer a great opportunity for column-oriented data systems to persistently store and to efficiently process columnar data completely in main memory. While vectorization (SIMD) of query operators is state-of-the-art to increase the single-thread performance, it has to be combined with thread-level parallelism (MIMD) to satisfy growing needs for higher performance and scalability. However, it is not well investigated how such a SIMD-MIMD interplay could be leveraged efficiently in hybrid memory systems. On the one hand, we deliver an extensive experimental evaluation of typical workloads on columnar data in this paper. We reveal that the choice of the most performant SIMD version differs greatly for both memory types. Moreover, we show that the throughput of concurrent queries can be boosted (up to 2x) when combining various SIMD flavors in a multi-threaded execution. On the other hand, to enable that optimization, we propose an adaptive SIMD-MIMD cocktail approach incurring only a negligible runtime overhead.

In dieser Arbeit werden die verschiedenen Möglichkeiten der Elektronenstrahlstrukturierung von organischen Schichten untersucht und charakterisiert. Je nach ihrer Energie und Leistung bewirkt die Interaktion der beschleunigten Strahlelektronen mit dem Material, auf das sie treffen, unterschiedliche Wechselwirkungen. Im Rahmen der durchgeführten Versuche wird demonstriert, dass diese Wirkung von lokalen, strahlchemischen Strukturveränderungen bis hin zu einem örtlich begrenzten Materialabtrag reicht. Neben den Untersuchungen einzelner organischer Schichten, werden ebenso organische Leuchtdioden (OLEDs) und deren Veränderungen unter Elektroneneinwirkung charakterisiert. Bei der Elektronenstrahlstrukturierung einer OLED mit sehr kleinen Leistungen wird sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die Leuchtdichte der OLED reduziert. Dabei sind die Veränderungen in den organischen Materialien lokal stark auf den Ort der Elektroneneinwirkung begrenzt. Dies konnte genutzt werden, um eine hochauflösende Graustufenstrukturierung zu demonstrieren und ein Bild mit Strukturbreiten von 2 µm mit einem Elektronenstrahlprozess in eine weiße OLED zu schreiben. Elektronenstrahlprozesse mit höheren Leistungen bedingen eine thermische Wirkung und können so dünne organische Schichten lokal verdampfen. Mit solch einem Prozess konnte ein linien- und flächenhafter Abtrag realisiert werden, ohne die darunterliegende Elektrode zu schädigen. OLEDs haben den Vorteil, dass sie in Dünnschichttechnik hergestellt werden können und sehr kontrastreiche und farbechte Flächenlichtquellen sind. Daher bilden sie auch die Grundlage moderner Displays, an die jedoch stets wachsende Anforderungen gestellt werden. Klassischerweise werden OLED-Farbdisplays mithilfe einer strukturierten Abscheidung durch feine Metallmasken oder durch die Nutzung weißer OLEDs zusammen mit Farbfiltern hergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Strukturierungskonzept entwickelt, dass die Möglichkeit bietet, ein OLED-Farbdisplay mithilfe eines Elektronenstrahlprozesses herzustellen. Das Schichtsystem der OLED bildet einen optischen Resonator, bei dem die Elektroden die Mikrokavität darstellen und die Dicke der organischen Schichten die Resonatorlänge definiert. Mittels kavitätsselektiver Modenauswahl ist es möglich, aus dem Spektrum einer weißen OLED verschiedene Farben auszukoppeln, wenn man die Resonatorlänge ändert. In der vorliegenden Arbeit wurde diese Anpassung der Resonatorlänge durch die Elektronenstrahlstrukturierung der ersten organischen Schicht vorgenommen und so rote, grüne und blaue OLEDs erzeugt und charakterisiert. Neben den grundlegenden Untersuchungen zu diesem Ansatz werden abschließend Grenzen und Möglichkeiten des Verfahrens aufgezeigt.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Leuchtdioden (OLEDs) 2.1.1 Organische Halbleiter 2.1.2 Aufbau und Funktionsweise von OLEDs 2.1.3 Elektro-optische Charakteristik 2.2 OLED-Vollfarbdisplays 2.2.1 Funktionsweise und Konzepte 2.2.2 Strukturierungsmethoden – Stand der Technik 2.3 Elektronenstrahlstrukturierung 2.3.1 Wechselwirkungen von Elektronen mit Festkörpern 2.3.2 Thermische Mikrobearbeitung 2.3.3 Nichtthermische Mikrobearbeitung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 3.1 Ziele dieser Arbeit 3.2 Prinzip Mikrokavität-OLED 4 Methodische Untersuchungen und Charakterisierung 4.1 OLED-Testsubstrate 4.1.1 Aufbau und Layout 4.1.2 Schichtabscheidung 4.2 Elektronenstrahlbehandlung 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Schichtcharakterisierung 4.3.2 Elektro-optische Charakterisierung 4.3.3 FTIR-Spektroskopie 4.3.4 Photolumineszenz-Spektroskopie 5 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 5.1 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von organischen Einzelschichten 5.1.1 Spektroskopische Untersuchungen 5.1.2 Elektrische Untersuchungen von Hole-Only-Devices 5.2 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von OLEDs 5.2.1 Elektro-optische Untersuchungen 5.2.2 Hochauflösende Graustufenstrukturierung 5.2.3 Einfluss eines anschließenden Temperns 5.3 Thermische Elektronenstrahlbearbeitung 5.3.1 Thermische Elektronenstrahlstrukturierung organischer Schichten 5.3.2 Elektronenstrahlstrukturierung für Mikrokavität-OLEDs 6 Zusammenfassung und Ausblick A Technische Ergänzunge B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungsverzeichnis F Lebenslauf der Autorin G Wissenschaftliche Publikationen H Danksagung / In this work different possibilities of electron beam patterning for organic layers are investigated and characterized. Depending on the energy and power of the accelerated beam electrons, different interaction processes with the material can be initiated. Within the performed experiments it could be demonstrated that these effects range from structural chemical changes up to a localized evaporation of material. In addition to investigations of individual organic layers, organic light-emitting diodes (OLEDs) and their changes under the influence of electrons are also characterized. When OLEDs are patterned with an electron beam process with low power, both the electrical conductivity and the luminance of the OLED are reduced. The changes in the organic materials are locally strongly limited to the location of the electron penetration. This could be used to demonstrate a high-resolution grayscale patterning and to write an image with critical dimensions of 2 µm into a white OLED using an electron beam process. Electron beam processes with higher power cause a thermal effect and are able to evaporate thin organic layers locally. With such a process, a linear and areal shaped removal could be realized without damaging the underlying electrode. OLEDs have the advantage that they can be produced in thin-film technology. Furthermore they are an area light source, that has a high contrast and very good color properties. Therefore, most of the modern displays consist of OLEDs. Traditionally, OLED color displays are made by structured deposition through fine metal masks or by the use of white OLEDs together with color filters. As part of this work, an alternative structuring concept has been developed that offers the possibility of producing an OLED color display using an electron beam process. The layer system of the OLED forms an optical resonator in which the electrodes represent the microcavity and the thickness of the organic layers defines the resonator length. By means of cavity-selective mode selection, it is possible to extract different colors from the spectrum of a white OLED by changing the resonator length. In the present work, this adjustion of the resonator length was carried out by electron beam patterning of the first organic layer, thus generating and characterizing red, green and blue OLEDs. In addition to the fundamental investigations on this approach, limits and future perspectives of the method were finally pointed out.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Leuchtdioden (OLEDs) 2.1.1 Organische Halbleiter 2.1.2 Aufbau und Funktionsweise von OLEDs 2.1.3 Elektro-optische Charakteristik 2.2 OLED-Vollfarbdisplays 2.2.1 Funktionsweise und Konzepte 2.2.2 Strukturierungsmethoden – Stand der Technik 2.3 Elektronenstrahlstrukturierung 2.3.1 Wechselwirkungen von Elektronen mit Festkörpern 2.3.2 Thermische Mikrobearbeitung 2.3.3 Nichtthermische Mikrobearbeitung 3 Zielsetzung und Lösungsansatz 3.1 Ziele dieser Arbeit 3.2 Prinzip Mikrokavität-OLED 4 Methodische Untersuchungen und Charakterisierung 4.1 OLED-Testsubstrate 4.1.1 Aufbau und Layout 4.1.2 Schichtabscheidung 4.2 Elektronenstrahlbehandlung 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Schichtcharakterisierung 4.3.2 Elektro-optische Charakterisierung 4.3.3 FTIR-Spektroskopie 4.3.4 Photolumineszenz-Spektroskopie 5 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion 5.1 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von organischen Einzelschichten 5.1.1 Spektroskopische Untersuchungen 5.1.2 Elektrische Untersuchungen von Hole-Only-Devices 5.2 Nichtthermische Elektronenstrahlbearbeitung von OLEDs 5.2.1 Elektro-optische Untersuchungen 5.2.2 Hochauflösende Graustufenstrukturierung 5.2.3 Einfluss eines anschließenden Temperns 5.3 Thermische Elektronenstrahlbearbeitung 5.3.1 Thermische Elektronenstrahlstrukturierung organischer Schichten 5.3.2 Elektronenstrahlstrukturierung für Mikrokavität-OLEDs 6 Zusammenfassung und Ausblick A Technische Ergänzunge B Literaturverzeichnis C Abbildungsverzeichnis D Tabellenverzeichnis E Abkürzungsverzeichnis F Lebenslauf der Autorin G Wissenschaftliche Publikationen H Danksagung

Die überraschende Entdeckung von ferroelektrischem Hafniumoxid durch Böscke et al. im Jahre 2011 eröffnet zahlreich technologische Möglichkeiten wie zum Beispiel voll CMOS kompatible ferroelektrische RAM Speicherzellen. Als kristallographische Ursache für dieses Verhalten erwies sich die Raumgruppe Pca21. In theoretischen Untersuchungen mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie erwies sich diese Phase jedoch als thermodynamisch instabil. Ziel dieser Dissertation ist daher zu klären, wie diese Phase stabilisiert werden kann. Dazu werden Faktoren wie Stöchiometrie, Temperatur, Druck, Spannung, Grenzflächenenergie sowie Defekte und Dotierung mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die errechneten Ergebnisse werden mit Hilfe von Modellen interpretiert, welche im laufe dieser Dissertation erarbeitet werden. Es zeigt sich, dass neben dem energetischen Zustand auch der Herstellungsprozess des Materials eine bedeutende Rolle in der Stabilisierung der ferroelektrischen Phase von Hafniumoxid spielt. Abschließend wird versucht Verbindung zum Experiment herzustellen, in dem experimentell zugängliche Stellschrauben aufgezeigt werden, welche die ferroelektrischen Eingenschaften von Hafniumoxid verbessern können und sich aus den erarbeiteten Ergebnissen ableiten. / The surprising discovery of ferroelectric hafnium oxide by Böscke et al. in 2011 enables various technological possibilities like CMOS compatible ferroelectric RAM devices. The space group Pca21 was identified as the crystallographic cause of this behavior. However, this phase was proved to be thermodynamically unstable by several theoretical studies using density functional theory. Therefore, the goal of this dissertation is to investigate physical effects contributing to the stabilization of the ferroelectric phase by means of density functional theory. These effects include stoichiometry, temperature, stress, strain, interface energy, as well as defects and dopants. The computational results will be interpreted with models, which will be developed within this dissertation. It will become apparent, that in addition to the energetic state, the production process of a sample plays an important role in the stabilization of the ferroelectric phase of hafnium oxide. In the conclusion, this work will attempt to find a connection to the experiment, by identifying experimentally accessible parameters within the computational results which can be used to optimize the ferroelectric properties of ferroelectric materials.

Radio resource allocation in communication networks is essential to achieve optimal performance and resource utilization. In modern interference networks the corresponding optimization problems are often nonconvex and their solution requires significant computational resources. Hence, practical systems usually use algorithms with no or only weak optimality guarantees for complexity reasons. Nevertheless, asserting the quality of these methods requires the knowledge of the globally optimal solution. State-of-the-art global optimization approaches mostly employ Tuy's monotonic optimization framework which has some major drawbacks, especially when dealing with fractional objectives or complicated feasible sets. In this thesis, two novel global optimization frameworks are developed. The first is based on the successive incumbent transcending (SIT) scheme to avoid numerical problems with complicated feasible sets. It inherently differentiates between convex and nonconvex variables, preserving the low computational complexity in the number of convex variables without the need for cumbersome decomposition methods. It also treats fractional objectives directly without the need of Dinkelbach's algorithm. Benchmarks show that it is several orders of magnitude faster than state-of-the-art algorithms. The second optimization framework is named mixed monotonic programming (MMP) and generalizes monotonic optimization. At its core is a novel bounding mechanism accompanied by an efficient BB implementation that helps exploit partial monotonicity without requiring a reformulation in terms of difference of increasing (DI) functions. While this often leads to better bounds and faster convergence, the main benefit is its versatility. Numerical experiments show that MMP can outperform monotonic programming by a few orders of magnitude, both in run time and memory consumption. Both frameworks are applied to maximize throughput and energy efficiency (EE) in wireless interference networks. In the first application scenario, MMP is applied to evaluate the EE gain rate splitting might provide over point-to-point codes in Gaussian interference channels. In the second scenario, the SIT based algorithm is applied to study throughput and EE for multi-way relay channels with amplify-and-forward relaying. In both cases, rate splitting gains of up to 4.5% are observed, even though some limiting assumptions have been made.

Development of efficient and clean energy sources to meet the ever-increasing de- mand of humankind is one of the greatest challenges of the 21st century. There is a dire need to decarbonise the power sector, and the focus needs to shift to re- newable resources such as wind and solar energy. In this regard, organic solar cells are a promising and novel technology owing to its low carbon footprint, innovative applications, and possible integration into the current infrastructure. Due to its unique advantages, a considerable research effort has been put into its development in the last decades. As a result, the power conversion efficiency (PCE) of the organic photovoltaics has steadily risen from as low as 0.5% to around 17 % at the current stage. This improvement primarily originates from the better understanding of the underlying physical processes and as a result of extensive material development. In the most general case, organic solar cells consist of a binary blend of an electron donating and an electron accepting organic semiconductor forming the so-called ‘bulk-heterojunction’ (BHJ) morphology. Thermodynamics places an upper limit on the power conversion efficiency (PCE) of binary blend BHJ devices and for further enhancement in efficiency novel device concepts like the use of ternary blends and tandem device architectures is being investigated. In relation to these approaches, the development of low optical-gap (Eopt ≤ 1.5 eV) organic semiconductors has gained importance as these materials provide for the complementary absorption with respect to the other components and better harvesting of the solar spectrum. This work mainly deals with the investigation of low optical gap donor and acceptor materials for organic solar cells. We investigate the effect of the molecular structure on the device performance and the photophysical processes in the binary and ternary blend configuration. In the first part of the thesis, we study a family of low optical- gap diketopyrrolopyrrole (DPP) based polymers while varying the conjugated core and the branching position and length of the solubilizing alkyl side chains. The branching position of the side chains is found to have a significant influence on the polymers ability to crystallize, which in turn influences the mobility of free charge carriers. The branching position also affects the solubility of the polymer, which in turn influences the morphology of the bulk-heterojunction (BHJ) and ultimately the yield of photogenerated charge carriers. To investigate the electron transfer and charge separation dynamics in the blends consisting of DPP polymers and fullerene, we employed ultrafast pump-probe spec- troscopic techniques. In the spectroscopy data, we observe signatures suggesting an ultrafast electron transfer process and an efficient charge separation process due to the high mobility of the free charge carriers shortly after separation (∼10-100 ps). Lastly, we investigated indacenodithiophene (IDT) based non-fullerene acceptor (NFA) molecules. In particular, we studied the effect of fluorination on the device performance when these acceptors are blended with PTB7-Th and P3HT donor polymers. The kinetics of the photophysical processes in the binary and ternary blends are characterized using ultrafast spectroscopy and related to the morphology of the blend and the molecular structure of the acceptors. Overall, we investigated the structural variations in the DPP polymers and flu- orinated non-fullerene acceptor (NFA) molecules and suggest design rules for the synthesis of optimal DPP polymers and non-fullerene acceptors to achieve supe- rior device performance. Additionally, we also shed light on the phenomenological processes happening on an ultrafast time scale (0.2-1000 ps) in the binary and the ternary blends with the aim of developing a better understanding of the photophys- ical processes in these promising material systems.

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK), im Speziellen kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), besitzen im Vergleich zu metallischen Werkstoffen bei einer verhältnismäßig geringen Dichte hohe Festigkeitswerte. Die Anforderungen hinsichtlich Emissionsreduzierung und der dadurch gestiegene Einsatz von Leichtbauwerkstoffen in der Automobilindustrie macht die Verwendung von FVKs zunehmend interessanter. Ein sicherer Betrieb von FVKs über den gesamten Produktlebenslaufzyklus ist nur durch zerstörungsfreie Prüfungen der Bauteile nach definierten Lastzyklen oder Betriebszeiten möglich. Die Schallemissionsprüfung eignet sich hierzu besonders, da sie als passives Prüfverfahren während Belastungstests eingesetzt werden kann. Dabei basiert die Schallemissionsprüfung oder Acoustic Emission Testing (AET oder AT) auf der Detektierbarkeit dynamischer Verschiebungen im Nanometer-Bereich an der Oberfläche von belasteten Prüfobjekten durch hochempfindliche piezoelektrische Sensoren (Messbereich von ca. 50 kHz bis 1 MHz) und deren Umwandlung in weiter verarbeitbare elektrische Signale. Die spezifischen Verschiebungen an der Oberfläche werden durch akustische Wellen (elastische Spannungswellen) erzeugt, die durch temporäre, sehr kleine Materialverschiebungen, bedingt durch beispielsweise das Rückfedern des Materials bei schnell ablaufenden Prozessen wie Rissbildung, Rissausbreitung, Rissuferreibung etc., entstehen können. Die Schallemissionsprüfung bietet die Möglichkeit, dass aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Signale der jeweiligen schallemittierenden Quellen bei einer ausreichenden Anzahl an Sensoren (mindestens drei bei einer ebenen Ortung) der Ursprung der Schallemissionsquelle berechnet werden kann. Verschiedene Werkstoffkombinationen von FVKs weisen auch eine unterschiedliche Signalcharakteristik bei den emittierten Signalen auf. Die verwendeten Sensoren müssen folglich für den jeweiligen Einsatzzweck ausgewählt werden. Störgeräusche können dabei herausgefiltert werden, wenn sie im für die Schädigung oder dem Schädigungsfortschritt untypischen Frequenzbereich liegen. Hierfür und für das Entfernen von elektromagnetischen Störungen müssen allerdings mehrere Sensoren auf dem Prüfling appliziert sein. In dieser Arbeit wurde die Schallemissionsprüfung als prüfstandsbegleitendes Bewertungsverfahren qualifiziert und zur Bestimmung des Zustandes von Probekörpern und Bauteilen nach und während unterschiedlicher Belastungstests eingesetzt. Dazu wurden Schallemissionsparameter in repräsentativem Umfang zur Bewertung der Strukturintegrität und zur Zuordnung der verschiedenen Schallemissionsparameter zu verschiedenen Schädigungsarten in FVKs ermittelt. Im Detail wurde der Zusammenhang zwischen verschiedenen Schädigungsmechanismen an Couponproben und CT-Aufnahmen untersucht. Des Weiteren wurden die identifizierten Schallemissionsparameter jeweils in Abhängigkeit der eingebrachten Belastung (Maximallast, Belastungshistorie, etc.) auf Couponproben und auf unterschiedlich komplex ausgeführten Demonstratorbauteilen ausgewertet. Hierzu wurde die Übertragbarkeit der bei den Grundlagenversuchen gewonnenen Erkenntnisse auf Couponprobenebene auf komplexe Gesamtbauteile in zwei Schritten untersucht und validiert. Bei Untersuchungen an Demonstratorbauteilen mit komplexeren Geometrien wurden spezielle schallemissionstaugliche Niederlastprüfszenarien entwickelt und untersucht. Hier stand die Anforderung, das Bauteil bei der notwendigen Belastung für die passiv durchgeführte Schallemissionsanalyse nicht zu schädigen, im Vordergrund. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass mit dem dargelegten Ansatz eine Zuordnung von Schallemissionsparametern zu unterschiedlichen Schädigungsmechanismen möglich ist. Es ist weiterhin möglich, eine Aussage bezüglich der Strukturintegrität des aus FVKs hergestellten Prüflings zu treffen. Dies ist besonders im Hinblick auf Fragestellungen der Betriebsfestigkeit und der Bauteilzustandsbewertung bei der Bauteil- oder Komponentenentwicklung eine wichtige Zusatzinformation.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 Faserverbundwerkstoffe (FVK) 3 2.1.1 Aufbau und Wirkungsweise von faserverstärkten Kunststoffen 3 2.2 Schädigungsmechanismen und Versagensarten 5 2.2.1 Zwischenfaserbruch 6 2.2.2 Delamination 6 2.2.3 Faser Pull-Out 6 2.2.4 Debonding 7 2.2.5 Faserbruch 7 2.2.6 Zugversagen 8 2.2.7 Druckversagen 8 2.2.8 Biegeversagen 9 2.2.9 Torsionsversagen 9 3 ZfP für FVK 11 3.1 Allgemein 11 3.2 Grundlagen der Computertomographie 11 3.2.1 Die Röntgenstrahlung 11 3.2.2 Die kontinuierliche Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.3 Die charakteristische Röntgenbremsstrahlung 12 3.2.4 Prinzip der Computertomographie 13 3.2.5 Computertomographie in der Werkstoff- und Bauteilprüfung 14 3.3 Schallemissionsanalyse im Speziellen 15 3.3.1 Besonderheit der Schallemissionsmessung an komplexen Strukturen/Bauteilen 19 3.3.2 Bisherige Erkenntnisse der Untersuchungen von CFK-Strukturen mit der Schallemissionsanalyse 21 3.3.3 Schallemissionsprozesskette 29 3.3.4 Schallemissionsparameter 37 3.3.5 Analysemöglichkeiten der Schallemissionsparameter 39 4 Verfahrensnachweis auf Couponebene 41 4.1 Vorbetrachtung 41 4.1.1 Testaufbau und Durchführung 41 4.1.2 Versuchskonzept / Auswahl geeigneter Schallemissionsparameter 45 4.2 Zerstörende Vorversuche 47 4.3 Ergebnisse zerstörende Vorversuche 52 4.3.1 Vergleich des Schallemissionsverhaltens konventioneller und zyklischer Versuchsdurchführung 52 4.3.2 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der Lagenanzahl 55 4.3.3 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit des Lagenaufbaus 56 4.3.4 Vergleich des Schallemissionsverhaltens in Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte der Materialien 60 4.4 Ableitung Versuchskonfiguration und Materialauswahl für nicht zerstörende Prüfung 61 4.4.1 Ergebnisse nicht zerstörende Prüfung 63 4.5 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse 75 4.6 Ergebnisse weitere Vorversuche mit Geometrievarianz 76 4.6.1 Varianz der Probenbreite bei taillierten Proben 77 4.6.2 Varianz der Probendicke durch Vergleich von 4-lagigen zu 6-lagigen Laminataufbauten 79 4.6.3 Varianz der Probengeometrie 80 4.7 Zuordnung unterschiedlicher Schädigungsmechanismen mittels Computertomographie 83 4.7.1 In-situ Messung Schallemission und CT 86 4.7.2 Analyse und Ergebnisdiskussion 94 4.8 Ergebnisvergleich Vorversuche zu in-situ-Versuche 105 4.9 Schallemissionsergebnisse in Korrelation der CT-Aufnahmen 115 4.10 Zusammenfassung in-situ-Versuche 128 4.11 Parameterstudie zum Einfluss auf Schallemissionsparameter 129 4.12 Zusammenfassung der Ergebnisse auf Couponebene 143 5 Generalisierung und Übertrag auf Bauteile 145 5.1 Vorbetrachtung 145 5.2 Unterschied zwischen Coupon- und Bauteilprüfung 146 5.3 Testaufbau und –durchführung 146 5.3.1 Zerstörende Tests 146 5.3.2 Zerstörungsfreie Tests 151 5.4 Ergebnisse 154 5.4.1 Ergebnisse Rohrprüfung 155 5.4.2 Ergebnisse Räderprüfung 171 6 Zusammenfassung und Ausblick 187

Cloud radio access network (C-RAN) is a promising architecture for the next-generation RAN to meet the diverse and stringent requirements envisioned by fifth generation mobile communication systems (5G) and future generation mobile networks. C-RAN offers several advantages, such as reduced capital expenditure (CAPEX) and operational expenditure (OPEX), increased spectral efficiency (SE), higher capacity and improved cell-edge performance, and efficient hardware utilization through resource sharing and network function virtualization (NFV). However, these centralization gains come with the need for a fronthaul, which is the transport link connecting remote radio units (RRUs) to the base band unit (BBU) pool. In conventional C-RAN, legacy common public radio interface (CPRI) protocol is used on the fronthaul network to transport the raw, unprocessed baseband in-phase/quadrature-phase (I/Q) samples between the BBU and the RRUs, and it demands a huge fronthaul bandwidth, a strict low-latency, in the order of a few hundred microseconds, and a very high reliability. Hence, in order to relax the excessive fronthaul bandwidth and stringent low-latency requirements, as well as to enhance the flexibility of the fronthaul, it is utmost important to redesign the fronthaul, while still profiting from the acclaimed centralization benefits. Therefore, a flexibly centralized C-RAN with different functional splits has been introduced. In addition, 5G mobile fronthaul (often also termed as an evolved fronthaul ) is envisioned to be packet-based, utilizing the Ethernet as a transport technology. In this thesis, to circumvent the fronthaul bandwidth constraint, a packetized fronthaul considering an appropriate functional split such that the fronthaul data rate is coupled with actual user data rate, unlike the classical C-RAN where fronthaul data rate is always static and independent of the traffic load, is justifiably chosen. We adapt queuing and spatial traffic models to derive the mathematical expressions for statistical multiplexing gains that can be obtained from the randomness in the user traffic. Through this, we show that the required fronthaul bandwidth can be reduced significantly, depending on the overall traffic demand, correlation distance and outage probability. Furthermore, an iterative optimization algorithm is developed, showing the impacts of number of pilots on a bandwidth-constrained fronthaul. This algorithm achieves additional reduction in the required fronthaul bandwidth. Next, knowing the multiplexing gains and possible fronthaul bandwidth reduction, it is beneficial for the mobile network operators (MNOs) to deploy the optical transceiver (TRX) modules in C-RAN cost efficiently. For this, using the same framework, a cost model for fronthaul TRX cost optimization is presented. This is essential in C-RAN, because in a wavelength division multiplexing-passive optical network (WDM-PON) system, TRXs are generally deployed to serve at a peak load. But, because of variations in the traffic demands, owing to tidal effect, the fronthaul can be dimensioned requiring a lower capacity allowing a reasonable outage, thus giving rise to cost saving by deploying fewer TRXs, and energy saving by putting the unused TRXs in sleep mode. The second focus of the thesis is the fronthaul latency analysis, which is a critical performance metric, especially for ultra-reliable and low latency communication (URLLC). An analytical framework to calculate the latency in the uplink (UL) of C-RAN massive multiple-input multiple-output (MIMO) system is presented. For this, a continuous-time queuing model for the Ethernet switch in the fronthaul network, which aggregates the UL traffic from several massive MIMO-aided RRUs, is considered. The closed-form solutions for the moment generating function (MGF) of sojourn time, waiting time and queue length distributions are derived using Pollaczek–Khinchine formula for our M/HE/1 queuing model, and evaluated via numerical solutions. In addition, the packet loss rate – due to the inability of the packets to reach the destination in a certain time – is derived. Due to the slotted nature of the UL transmissions, the model is extended to a discrete-time queuing model. The impact of the packet arrival rate, average packet size, SE of users, and fronthaul capacity on the sojourn time, waiting time and queue length distributions are analyzed. While offloading more signal processing functionalities to the RRU reduces the required fronthaul bandwidth considerably, this increases the complexity at the RRU. Hence, considering the 5G New Radio (NR) flexible numerology and XRAN functional split with a detailed radio frequency (RF) chain at the RRU, the total RRU complexity is computed first, and later, a tradeoff between the required fronthaul bandwidth and RRU complexity is analyzed. We conclude that despite the numerous C-RAN benefits, the stringent fronthaul bandwidth and latency constraints must be carefully evaluated, and an optimal functional split is essential to meet diverse set of requirements imposed by new radio access technologies (RATs). / Ein cloud-basiertes Mobilfunkzugangsnetz (cloud radio access network, C-RAN) stellt eine vielversprechende Architektur für das RAN der nächsten Generation dar, um die vielfältigen und strengen Anforderungen der fünften (5G) und zukünftigen Generationen von Mobilfunknetzen zu erfüllen. C-RAN bietet mehrere Vorteile, wie z.B. reduzierte Investitions- (CAPEX) und Betriebskosten (OPEX), erhöhte spektrale Effizienz (SE), höhere Kapazität und verbesserte Leistung am Zellrand sowie effiziente Hardwareauslastung durch Ressourcenteilung und Virtualisierung von Netzwerkfunktionen (network function virtualization, NFV). Diese Zentralisierungsvorteile erfordern jedoch eine Transportverbindung (Fronthaul), die die Antenneneinheiten (remote radio units, RRUs) mit dem Pool an Basisbandeinheiten (basisband unit, BBU) verbindet. Im konventionellen C-RAN wird das bestehende CPRI-Protokoll (common public radio interface) für das Fronthaul-Netzwerk verwendet, um die rohen, unverarbeitet n Abtastwerte der In-Phaseund Quadraturkomponente (I/Q) des Basisbands zwischen der BBU und den RRUs zu transportieren. Dies erfordert eine enorme Fronthaul-Bandbreite, eine strenge niedrige Latenz in der Größenordnung von einigen hundert Mikrosekunden und eine sehr hohe Zuverlässigkeit. Um die extrem große Fronthaul-Bandbreite und die strengen Anforderungen an die geringe Latenz zu lockern und die Flexibilität des Fronthauls zu erhöhen, ist es daher äußerst wichtig, das Fronthaul neu zu gestalten und dabei trotzdem von den erwarteten Vorteilen der Zentralisierung zu profitieren. Daher wurde ein flexibel zentralisiertes CRAN mit unterschiedlichen Funktionsaufteilungen eingeführt. Außerdem ist das mobile 5G-Fronthaul (oft auch als evolved Fronthaul bezeichnet) als paketbasiert konzipiert und nutzt Ethernet als Transporttechnologie. Um die Bandbreitenbeschränkung zu erfüllen, wird in dieser Arbeit ein paketbasiertes Fronthaul unter Berücksichtigung einer geeigneten funktionalen Aufteilung so gewählt, dass die Fronthaul-Datenrate mit der tatsächlichen Nutzdatenrate gekoppelt wird, im Gegensatz zum klassischen C-RAN, bei dem die Fronthaul-Datenrate immer statisch und unabhängig von der Verkehrsbelastung ist. Wir passen Warteschlangen- und räumliche Verkehrsmodelle an, um mathematische Ausdrücke für statistische Multiplexing- Gewinne herzuleiten, die aus der Zufälligkeit im Benutzerverkehr gewonnen werden können. Hierdurch zeigen wir, dass die erforderliche Fronthaul-Bandbreite abhängig von der Gesamtverkehrsnachfrage, der Korrelationsdistanz und der Ausfallwahrscheinlichkeit deutlich reduziert werden kann. Darüber hinaus wird ein iterativer Optimierungsalgorithmus entwickelt, der die Auswirkungen der Anzahl der Piloten auf das bandbreitenbeschränkte Fronthaul zeigt. Dieser Algorithmus erreicht eine zusätzliche Reduktion der benötigte Fronthaul-Bandbreite. Mit dem Wissen über die Multiplexing-Gewinne und die mögliche Reduktion der Fronthaul-Bandbreite ist es für die Mobilfunkbetreiber (mobile network operators, MNOs) von Vorteil, die Module des optischen Sendeempfängers (transceiver, TRX) kostengünstig im C-RAN einzusetzen. Dazu wird unter Verwendung des gleichen Rahmenwerks ein Kostenmodell zur Fronthaul-TRX-Kostenoptimierung vorgestellt. Dies ist im C-RAN unerlässlich, da in einem WDM-PON-System (wavelength division multiplexing-passive optical network) die TRX im Allgemeinen bei Spitzenlast eingesetzt werden. Aufgrund der Schwankungen in den Verkehrsanforderungen (Gezeiteneffekt) kann das Fronthaul jedoch mit einer geringeren Kapazität dimensioniert werden, die einen vertretbaren Ausfall in Kauf nimmt, was zu Kosteneinsparungen durch den Einsatz von weniger TRXn und Energieeinsparungen durch den Einsatz der ungenutzten TRX im Schlafmodus führt. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Fronthaul-Latenzanalyse, die eine kritische Leistungskennzahl liefert, insbesondere für die hochzuverlässige und niedriglatente Kommunikation (ultra-reliable low latency communications, URLLC). Ein analytisches Modell zur Berechnung der Latenz im Uplink (UL) des C-RAN mit massivem MIMO (multiple input multiple output) wird vorgestellt. Dazu wird ein Warteschlangen-Modell mit kontinuierlicher Zeit für den Ethernet-Switch im Fronthaul-Netzwerk betrachtet, das den UL-Verkehr von mehreren RRUs mit massivem MIMO aggregiert. Die geschlossenen Lösungen für die momenterzeugende Funktion (moment generating function, MGF) von Verweildauer-, Wartezeit- und Warteschlangenlängenverteilungen werden mit Hilfe der Pollaczek-Khinchin-Formel für unser M/HE/1-Warteschlangenmodell hergeleitet und mittels numerischer Verfahren ausgewertet. Darüber hinaus wird die Paketverlustrate derjenigen Pakete, die das Ziel nicht in einer bestimmten Zeit erreichen, hergeleitet. Aufgrund der Organisation der UL-Übertragungen in Zeitschlitzen wird das Modell zu einem Warteschlangenmodell mit diskreter Zeit erweitert. Der Einfluss der Paketankunftsrate, der durchschnittlichen Paketgröße, der SE der Benutzer und der Fronthaul-Kapazität auf die Verweildauer-, dieWartezeit- und dieWarteschlangenlängenverteilung wird analysiert. Während das Verlagern weiterer Signalverarbeitungsfunktionalitäten an die RRU die erforderliche Fronthaul-Bandbreite erheblich reduziert, erhöht sich dadurch im Gegenzug die Komplexität der RRU. Daher wird unter Berücksichtigung der flexiblen Numerologie von 5G New Radio (NR) und der XRAN-Funktionenaufteilung mit einer detaillierten RF-Kette (radio frequency) am RRU zunächst die gesamte RRU-Komplexität berechnet und später ein Kompromiss zwischen der erforderlichen Fronthaul-Bandbreite und der RRU-Komplexität untersucht. Wir kommen zu dem Schluss, dass trotz der zahlreichen Vorteile von C-RAN die strengen Bandbreiten- und Latenzbedingungen an das Fronthaul sorgfältig geprüft werden müssen und eine optimale funktionale Aufteilung unerlässlich ist, um die vielfältigen Anforderungen der neuen Funkzugangstechnologien (radio access technologies, RATs) zu erfüllen.

Voltage stability is the ability of a power system to maintain acceptable voltages at all buses under normal and abnormal operating conditions. The scarcity of reactive power or reactive power imbalance is the main reason of voltage instabilities. The energy supply of Germany will be dominated by renewable energy sources (RES) within energy transition actions leading to a decrease in conventional power plants especially in the transmission grid. Since the conventional power plants are still main reactive power sources, key challenge in the future will be the provision of system services such as control of reactive power to maintain voltage stability in the transmission networks. A wide range of technology that is able to provide the required dynamic reactive power compensation is already available. However, in order to find the most effective implementation, it is necessary to investigate and compare these different technologies for a voltage stable grid operation. The main challenge regarding comparative studies that incorporate reactive power compensation devices is the development and the implementation of reliable comparison strategies. This thesis analyses the impact of reactive power on the voltage stability phenomena both in long-term and short-term time frames under various grid situations. Voltage stability margins in the long-term time frame are quantified by gradually increasing the reactive power injection into certain buses until the voltage collapses. Voltage stability in the short-term time frame is assessed by applying grid faults and simulating the time-domain grid response. A transient voltage severity ratio (TVSR) is developed in this thesis as the main comparison metric to evaluate and compare the performance of investigated compensation devices. Additionally, TVSR and other developed comparison metrics in this thesis are used to determine the optimal settings of the controller parameters of compensation devices. As a result, the submitted thesis shows a practical and reliable approach to analyze the performance of different compensation devices under different grid situations.

The efficient allocation of power is a major concern in today’s wireless communications systems. Due to the high demand in data rate and the scarcity of wireless resources such as power, the multi-user communication systems like the multiple access channel (MAC) and broadcast channel (BC) have become highly competitive environments for the users as well as the system itself. Theory of microeconomics and game theory provide the good analytical manner for the selfish and social welfare conflict problems. Instead of maximizing the system sum rate, our proposed system deals with fulfilling the utility (rate) requirement of all the users with efficient power allocation. The users formulate the signal to interference-plus-noise ratio (SINR) based quality-of-service (QoS) requirements. We propose the framework to allocate the power to each user with universal pricing mechanisms. The prices act as the control signal and are assumed to be some virtual currency in the wireless system. They can influence the physical layer operating points to meet the desired utility requirements. Centralized and distributed power allocation frameworks are discussed separately in the thesis with different pricing schemes. In wireless systems we have users that are rational in the game theoretic sense of making decisions consistently in pursuit of their own individual objectives. Each user’s objective is to maximize the expected value of its own payoff measured on a certain utility scale. Selfishness or self-interest is an important implication of rationality. Therefore, the mobiles which share the same spectrum have incentives to misinterpret their private information in order to obtain more utility. They might behave selfishly and show also malicious behavior by creating increased interference for other mobiles. Therefore, it is important to supervise and influence the operation of the system by pricing and priority (weights) optimization. In the centralized resource allocation, we study the general MAC and BC (with linear and nonlinear receiver) with three types of agents: the regulator, the system optimizer and the mobile users. The regulator ensures the QoS requirements of all users by clever pricing and prevents cheating. The simple system optimizer solves a certain system utility maximization problem to allocate the power with the given prices and weights (priorities). The linear and nonlinear pricing mechanisms are analyzed, respectively. It is shown that linear pricing is a universal pricing only if successive interference cancellation (SIC) for uplink transmission or dirty paper coding (DPC) for downlink transmission is applied at the base station (BS). For MAC without SIC, nonlinear pricing which is logarithmic in power and linear in prices is a universal pricing scheme. The prices, the resulting cost terms, the optimal power allocation to achieve the QoS requirement of each user in the feasible rate region are derived in closed form solutions for MAC with and without SIC using linear and nonlinear pricing frameworks, respectively. The users are willing to maximize their achievable rate and minimize their cost on power by falsely reporting their channel state information (CSI). By predicting the best cheating strategy of the malicious users, the regulator is able to detect the misbehavior and punish the cheaters. The infinite repeated game (RG) is proposed as a counter mechanism with the trigger strategy using the trigger price. We show that by anticipating the total payoff of the proposed RG, the users have no incentive to cheat and therefore our framework is strategy-proof. In the distributed resource allocation, each user allocates its own power by optimizing the individual utility function. The noncooperative game among the users is formulated. The individual prices are introduced to the utility function of each user to shift the Nash equilibrium (NE) power allocation to the desired point. We show that by implicit control of the proposed prices, the best response (BR) power allocation of each user converges rapidly. The Shannon rate-based QoS requirement of each user is achieved with minimum power at the unique NE point. We analyse different behavior types of the users, especially the malicious behavior of misrepresenting the user utility function. The resulting NE power allocation and achievable rates of all users are derived when malicious behavior exists. The strategy-proof mechanism is designed using the punishment prices when the types of the malicious users are detected. The algorithm of the strategy-proof noncooperative game is proposed. We illustrate the convergence of the BR dynamic and the Price of Malice (PoM) by numerical simulations. The uplink transmission within the single cell of heterogeneous networks is exactly the same model as MAC. Therefore, the results of the pricing-based power allocation for MAC can be implemented into heterogeneous networks. Femtocells deployed in the Macrocell network provide better indoor coverage to the user equipments (UEs) with low power consumption and maintenance cost. The industrial vendors show great interest in the access mode, called the hybrid access, in which the macrocell UEs (MUEs) can be served by the nearby Femtocell Access Point (FAP). By adopting hybrid access in the femtocell, the system energy efficiency is improved due to the short distance between the FAP and MUEs while at the same time, the QoS requirements are better guaranteed. However, both the Macrocell base station (MBS) and the FAP are rational and selfish, who maximize their own utilities. The framework to successively apply the hybrid access in femtocell and fulfill the QoS requirement of each UE is important. We propose two novel compensation frameworks to motivate the hybrid access of femtocells. To save the energy consumption, the MBS is willing to motivate the FAP for hybrid access with compensation. The Stackelberg game is formulated where the MBS serves as the leader and the FAP serves as the follower. The MBS maximizes its utility by choosing the compensation prices. The FAP optimizes its utility by selecting the number of MUEs in hybrid access. By choosing the proper compensation price, the optimal number of MUEs served by the FAP to maximize the utility of the MBS coincides with that to maximize the utility of the FAP. Numerous simulation results are conducted, showing that the proposed compensation frameworks result in a win-win solution. In this thesis, based on game theory, mechanism design and pricing framework, efficient power allocation are proposed to guarantee the QoS requirements of all users in the wireless networks. The results are applicable in the multi-user systems such as heterogeneous networks. Both centralized and distributed allocation schemes are analyzed which are suitable for different communication scenarios. / Aufgrund der hohen Nachfrage nach Datenrate und wegen der Knappheit an Ressourcen in Funknetzen ist die effiziente Allokation von Leistung ein wichtiges Thema in den heutigen Mehrnutzer-Kommunikationssystemen. Die Spieltheorie bietet Methoden, um egoistische und soziale Konfliktsituationen zu analysieren. Das vorgeschlagene System befasst sich mit der Erfüllung der auf Signal-zu-Rausch-und-Interferenz-Verhältnis (SINR) basierenden Quality-of-Service (QoS)-Anforderungen aller Nutzer mittels effizienter Leistungsallokation, anstatt die Übertragungsrate zu maximieren. Es wird ein Framework entworfen, um die Leistungsallokation mittels universellen Pricing-Mechanismen umzusetzen. In der Dissertation werden zentralisierte und verteilte Leistungsallokationsalgorithmen unter Verwendung verschiedener Pricing-Ansätze diskutiert. Die Nutzer in Funksystemen handeln rational im spieltheoretischen Sinne, indem sie ihre eigenen Nutzenfunktionen maximieren. Die mobilen Endgeräte, die dasselbe Spektrum nutzen, haben den Anreiz durch bewusste Fehlinterpretation ihrer privaten Informationen das eigene Ergebnis zu verbessern. Daher ist es wichtig, die Funktionalität des Systems zu überwachen und durch Optimierung des Pricings und Priorisierungsgewichte zu beeinflussen. Für den zentralisierten Ressourcenallokationsansatz werden der allgemeine Mehrfachzugriffskanal (Multiple Access Channel, MAC) und der Broadcastkanal (BC) mit linearen bzw. nichtlinearen Empfängern untersucht. Die Preise, die resultierenden Kostenterme und die optimale Leistungsallokation, mit der die QoS-Anforderungen in der zulässigen Ratenregion erfüllt werden, werden in geschlossener Form hergeleitet. Lineare und nichtlineare Pricing-Ansätze werden separat diskutiert. Das unendlich oft wiederholte Spiel wird vorgeschlagen, um Spieler vom Betrügen durch Übermittlung falscher Kanalinformationen abzuhalten. Für die verteilten Ressourcenvergabe wird das nichtkooperative Spiel in Normalform verwendet und formuliert. Die Nutzer wählen ihre Sendeleistung zur Maximierung ihrer eigenen Nutzenfunktion. Individuelle Preise werden eingeführt und so angepasst, dass die QoS-Anforderungen mit der Leistungsallokation im eindeutigen Nash-Gleichgewicht erfüllt werden. Verschiedene Arten des Nutzerverhaltens werden bezüglich der Täuschung ihrer Nutzenfunktion analysiert, und ein Strategy-Proof-Mechanismus mit Strafen wird entwickelt. Die Ergebnisse für den MAC sind anwendbar auf heterogene Netzwerke, wobei zwei neuartige Ansätze zur Kompensation bereitgestellt werden, die den hybriden Zugang zu Femtozell-Netzwerken motivieren. Mithilfe des Stackelberg-Spiels wird gezeigt, dass die vorgeschlagenen Ansätze in einer Win-Win-Situation resultieren.