This thesis aims to abstract the physical layer (PHY) performance of current and upcoming technologies, so that, their suitability for various use cases and scenarios could be evaluated within an affordable time. For the said purpose, a new effective SINR mapping technique eEESM along with the dynamic optimization of the fitting parameter is proposed. The mapping accuracy of proposed eEESM techniques is analyzed and compared against the other state-of-the-art methods in the doubly selective channel. The results show that the proposed technique is more accurate and map closest to the reference packet error rate (PER) curves. Moreover, the mapping error of eEESM is the lowest for all considered MCSs. The justification for its better performance is the tighter symbol error rate (SER) approximation used to derive effective SINR and the proposed optimization approach. The main purpose of using PLA instead of full PHY simulations is to reduce simulation time. Therefore, a novel concept is presented to abstract PHY performance depending on the time and frequency selectivity of the channel. This further reduces the number of computations required to estimate performance using PLA. To demonstrate the gain in terms of simulation time, the computation complexity of PLA is compared against full PHY simulations. Results show that PLA is roughly 1000 to 1000000 times faster (depending on the abstracted fading conditions) compared to the PHY simulator. The effective SINR mapping approach is then further extended for future candidate multi-carrier techniques (i.e., OFDM, DFT-s-OFDM, GFDM, OTFS), which could be adopted by the upcoming technologies. For this purpose, the received SINR of symbols received through these multi-carrier techniques is derived. The resultant received SINR also considers the impact of ICI due to Doppler. Subsequently, the received SINR of symbols is mapped to effective SINR considering the selectivity of the channel. By comparing the effective SINR, OTFS outperforms other techniques. The reason for the better performance of OTFS is due to the spread of symbol energy over time and frequency, which results in higher effective SINR due to higher diversity. Furthermore, evaluation results show that the proposed PLA can accurately model the performance of these multi-carrier techniques under various fading conditions. Multi-connectivity is another enhancement being considered for future technologies, as an enabler for ultra-reliable communications under harsh channel conditions. Therefore, multi-connectivity communications are also studied in this thesis. Specifically, the frequency domain multi-connectivity networks are presented. To fully exploit frequency diversity under frequency selective channels, the subcarrier-based link combing scheme is proposed. The earlier derived received SINR is then extended for the state-of-the-art link combining schemes, i.e., SC, EGC, and MRC. The multi-connectivity gain in terms of the average received SINR is derived and compared for the above-mentioned combining schemes. To abstract the performance of multi-connectivity communications, the post-combined effective SINR mapping is proposed, where effective SINR represents the combined performance of connected links. The developed PLA performance is validated against the PHY simulations for the case of MRC. Results reveal that with the increase in multi-connectivity order, the RMSE error decreases due to the decrease in the variance of mapping SINRs. In the end, various applications of PLA are demonstrated. The developed multi-carrier PLAs are used to compare the performance of multi-carrier techniques under various fading conditions. Results depict that PER of multi-carrier techniques generally decreases with the increase in time or frequency selectivity, given that, the ideal channel estimation, ICI, and inter-symbol interference (ISI) cancellation is used. The multi-connectivity evaluation results depict that with the increase in channel selectivity higher diversity gain could be achieved. Besides, the proposed subcarrier-wise combining scheme achieves better performance compared to the traditional link combining approach. The next PLA application demonstrated is the performance comparison of V2X technologies, i.e., IEEE~802.11p, LTE-V2V, IEEE~802.11bd, and NR-V2X, in an Urban NLOS communications scenario. It is observed that 802.11bd outperforms other technologies in terms of PER and packet reception ratio (PRR). Its better performance is due to lower ICI compared to LTE-V2X and NR-V2X, and due to the use of LDPC codes compared to 802.11p. In contrast, NR-V2X outperforms other technologies in terms of data rates and packet inter-arrival time. The last PLA application shown is the link adaptation for single-link and multi-connectivity communications. In single-link communication, the performance of various PLA techniques is compared in terms of achieved data rates and outage probability against the case of perfect CQI. The CQI based on the proposed eEESM technique improves the data rates and reliability of the link, compared to other schemes. Further, in the case of multi-connectivity, the post-combined effective SINR mapping proposed in this thesis is used for link adaptation in terms of both MCS selection and adapting the number of links. The proposed scheme optimizes multi-connectivity data rates while using the lowest possible number of links required for the desired quality of service.

Der derzeitige Trend hin zu “smarten” Geräten bringt eine Vielzahl an Internetfähigen und verbundenen Geräten mit sich. Die entsprechende Kommunikation dieser Geräte muss zwangsläufig durch geeignete Maßnahmen abgesichert werden, um die datenschutz- und sicherheitsrelevanten Anforderungen an die übertragenen Informationen zu erfüllen. Jedoch zeigt die Vielzahl an sicherheitskritischen Vorfällen im Kontext von “smarten” Geräten und des Internets der Dinge auf, dass diese Absicherung der Kommunikation derzeit nur unzureichend umgesetzt wird. Die Ursachen hierfür sind vielfältig: so werden essentielle Sicherheitsmaßnahmen im Designprozess mitunter nicht berücksichtigt oder auf Grund von Preisdruck nicht realisiert. Darüber hinaus erschwert die Beschaffenheit der eingesetzten Geräte die Anwendung klassischer Sicherheitsverfahren. So werden in diesem Kontext vorrangig stark auf Anwendungsfälle zugeschnittene Lösungen realisiert, die auf Grund der verwendeten Hardware meist nur eingeschränkte Rechen- und Energieressourcen zur Verfügung haben. An dieser Stelle können die Ansätze und Lösungen der Sicherheit auf physikalischer Schicht (physical layer security, PLS) eine Alternative zu klassischer Kryptografie bieten. Im Kontext der drahtlosen Kommunikation können hier die Eigenschaften des Übertragungskanals zwischen zwei legitimen Kommunikationspartnern genutzt werden, um Sicherheitsprimitive zu implementieren und damit Sicherheitsziele zu realisieren. Konkret können etwa reziproke Kanaleigenschaften verwendet werden, um einen Vertrauensanker in Form eines geteilten, symmetrischen Geheimnisses zu generieren. Dieses Verfahren wird Schlüsselgenerierung basierend auf Kanalreziprozität (channel reciprocity based key generation, CRKG) genannt. Auf Grund der weitreichenden Verfügbarkeit wird dieses Verfahren meist mit Hilfe der Kanaleigenschaft des Empfangsstärkenindikators (received signal strength indicator, RSSI) realisiert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass alle physikalischen Kanaleigenschaften auf einen einzigen Wert heruntergebrochen werden und somit ein Großteil der verfügbaren Informationen vernachlässigt wird. Dem gegenüber steht die Verwendung der vollständigen Kanalzustandsinformationen (channel state information, CSI). Aktuelle technische Entwicklungen ermöglichen es zunehmend, diese Informationen auch in Alltagsgeräten zur Verfügung zu stellen und somit für PLS weiterzuverwenden. In dieser Arbeit analysieren wir Fragestellungen, die sich aus einem Wechsel hin zu CSI als verwendetes Schlüsselmaterial ergeben. Konkret untersuchen wir CSI in Form von Ultrabreitband-Kanalimpulsantworten (channel impulse response, CIR). Für die Untersuchungen haben wir initial umfangreiche Messungen vorgenommen und damit analysiert, in wie weit die grundlegenden Annahmen von PLS und CRKG erfüllt sind und die CIRs sich grundsätzlich für die Schlüsselgenerierung eignen. Hier zeigen wir, dass die CIRs der legitimen Kommunikationspartner eine höhere Ähnlichkeit als die eines Angreifers aufzeigen und das somit ein Vorteil gegenüber diesem auf der physikalischen Schicht besteht, der für die Schlüsselgenerierung ausgenutzt werden kann. Basierend auf den Ergebnissen der initialen Untersuchung stellen wir dann grundlegende Verfahren vor, die notwendig sind, um die Ähnlichkeit der legitimen Messungen zu verbessern und somit die Schlüsselgenerierung zu ermöglichen. Konkret werden Verfahren vorgestellt, die den zeitlichen Versatz zwischen reziproken Messungen entfernen und somit die Ähnlichkeit erhöhen, sowie Verfahren, die das in den Messungen zwangsläufig vorhandene Rauschen entfernen. Gleichzeitig untersuchen wir, inwieweit die getroffenen fundamentalen Sicherheitsannahmen aus Sicht eines Angreifers erfüllt sind. Zu diesem Zweck präsentieren, implementieren und analysieren wir verschiedene praktische Angriffsmethoden. Diese Verfahren umfassen etwa Ansätze, bei denen mit Hilfe von deterministischen Kanalmodellen oder durch ray tracing versucht wird, die legitimen CIRs vorherzusagen. Weiterhin untersuchen wir Machine Learning Ansätze, die darauf abzielen, die legitimen CIRs direkt aus den Beobachtungen eines Angreifers zu inferieren. Besonders mit Hilfe des letzten Verfahrens kann hier gezeigt werden, dass große Teile der CIRs deterministisch vorhersagbar sind. Daraus leitet sich der Schluss ab, dass CIRs nicht ohne adäquate Vorverarbeitung als Eingabe für Sicherheitsprimitive verwendet werden sollten. Basierend auf diesen Erkenntnissen entwerfen und implementieren wir abschließend Verfahren, die resistent gegen die vorgestellten Angriffe sind. Die erste Lösung baut auf der Erkenntnis auf, dass die Angriffe aufgrund von vorhersehbaren Teilen innerhalb der CIRs möglich sind. Daher schlagen wir einen klassischen Vorverarbeitungsansatz vor, der diese deterministisch vorhersagbaren Teile entfernt und somit das Eingabematerial absichert. Wir implementieren und analysieren diese Lösung und zeigen ihre Effektivität sowie ihre Resistenz gegen die vorgeschlagenen Angriffe. In einer zweiten Lösung nutzen wir die Fähigkeiten des maschinellen Lernens, indem wir sie ebenfalls in das Systemdesign einbringen. Aufbauend auf ihrer starken Leistung bei der Mustererkennung entwickeln, implementieren und analysieren wir eine Lösung, die lernt, die zufälligen Teile aus den rohen CIRs zu extrahieren, durch die die Kanalreziprozität definiert wird, und alle anderen, deterministischen Teile verwirft. Damit ist nicht nur das Schlüsselmaterial gesichert, sondern gleichzeitig auch der Abgleich des Schlüsselmaterials, da Differenzen zwischen den legitimen Beobachtungen durch die Merkmalsextraktion effizient entfernt werden. Alle vorgestellten Lösungen verzichten komplett auf den Austausch von Informationen zwischen den legitimen Kommunikationspartnern, wodurch der damit verbundene Informationsabfluss sowie Energieverbrauch inhärent vermieden wird.

In der vorliegenden Arbeit wird der abrasive Verschleiß von Textilsilos näher betrachtet. Ziel der Untersuchungen ist die Auslegung eines geeigneten Prüfstands, um die Eignung verschiedener textiler Flächenelemente für den Einsatz als Silowandung zu prüfen. Es werden zunächst die unterschiedlichen etablierten physikalischen Verschleiß-Prüfungen vorgestellt und an Hand der Stand der Technik eine eigene Prüfvorrichtung entwickelt. Anschließend werden die charakteristischen Kennwerte der ausgewählten Schüttgüter und textilen Proben ermittelt. Verschiedene Schüttgut-Textil Kombinationen werden in der neuen Prüfvorrichtung getestet und anhand verschiedener Auswertemethoden die damit ermittelten Messwerte auf Plausibilität geprüft.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Wissenschaftlich-technische Grundlagen der Schüttgutlagerung in Silos 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 4 Siloauslegung in Anlehnung an DIN EN 1991-4 5 Experimentelle Untersuchungen 6 Versuchsdurchführung und Auswertung 7 Zusammenfassung und Ausblick / In the present work, the abrasive wear of textile silos is examined in more detail. The aim of the investigations is the design of a suitable test bench to test the suitability of various textile surface elements for use as silo walls. First, the various established physical wear tests are presented and a separate test device is developed on the basis of the state of the art. Subsequently, the characteristic values of the selected bulk materials and textile samples are determined. Various bulk material-textile combinations are tested in the new test device. The measured values determined with it are checked for plausibility using various evaluation methods.:1 Einleitung und Zielstellung 2 Wissenschaftlich-technische Grundlagen der Schüttgutlagerung in Silos 3 Präzisierung der Aufgabenstellung 4 Siloauslegung in Anlehnung an DIN EN 1991-4 5 Experimentelle Untersuchungen 6 Versuchsdurchführung und Auswertung 7 Zusammenfassung und Ausblick