Characterization and Emulation of Low-Voltage Power Line Channels for Narrowband and Broadband Communication

The demand for smart grid and smart home applications has raised the recent interest in power line communication (PLC) technologies, and has driven a broad set of deep surveys in low-voltage (LV) power line channels. This book proposes a set of novel approaches, to characterize and to emulate LV power line channels in the frequency range from0.15to 10 MHz, which closes gaps between the traditional narrowband (up to 500 kHz) and broadband (above1.8 MHz) ranges

Characterization and Emulation of Low-Voltage Power Line Channels for Narrowband and Broadband Communication

The demand for smart grid and smart home applications has raised the recent interest in power line communication (PLC) technologies, and has driven a broad set of deep surveys in low-voltage (LV) power line channels. This book proposes a set of novel approaches, to characterize and to emulate LV power line channels in the frequency range from0.15to 10 MHz, which closes gaps between the traditional narrowband (up to 500 kHz) and broadband (above1.8 MHz) ranges

Analysis of Bandwidth and Latency Constraints on a Packetized Cloud Radio Access Network Fronthaul

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

Descriptive Complexity Approaches to Inductive Inference

We present a critical review of descriptive complexity approaches to inductive inference. Inductive inference is defined as any process by which a model of the world is formed from observations. The descriptive complexity approach is a formalization of Occam\u27s razor: choose the simplest model consistent with the data. Descriptive complexity as defined by Kolmogorov, Chaitin and Solomonoff is presented as a generalization of Shannon\u27s entropy. We discuss its relationship with randomness and present examples. However, a major result of the theory is negative: descriptive complexity is uncomputable. Rissanen\u27s minimum description length (MDL) principle is presented as a restricted form of the descriptive complexity which avoids the uncomputability problem. We demonstrate the effectiveness of MDL through its application to AR processes. Lastly, we present and discuss LeClerc\u27s application of MDL to the problem of image segmentation

Simulation Studies of Digital Filters for the Phase-II Upgrade of the Liquid-Argon Calorimeters of the ATLAS Detector at the High-Luminosity LHC

Am Large Hadron Collider und am ATLAS-Detektor werden umfangreiche Aufrüstungsarbeiten vorgenommen. Diese Arbeiten sind in mehrere Phasen gegliedert und umfassen unter Anderem Änderungen an der Ausleseelektronik der Flüssigargonkalorimeter; insbesondere ist es geplant, während der letzten Phase ihren Primärpfad vollständig auszutauschen. Die Elektronik besteht aus einem analogen und einem digitalen Teil: während ersterer die Signalpulse verstärkt und sie zur leichteren Abtastung verformt, führt letzterer einen Algorithmus zur Energierekonstruktion aus. Beide Teile müssen während der Aufrüstung verbessert werden, damit der Detektor interessante Kollisionsereignisse präzise rekonstruieren und uninteressante effizient verwerfen kann. In dieser Dissertation werden Simulationsstudien präsentiert, die sowohl die analoge als auch die digitale Auslese der Flüssigargonkalorimeter optimieren. Die Korrektheit der Simulation wird mithilfe von Kalibrationsdaten geprüft, die im sog. Run 2 des ATLAS-Detektors aufgenommen worden sind. Der Einfluss verschiedener Parameter der Signalverformung auf die Energieauflösung wird analysiert und die Nützlichkeit einer erhöhten Abtastrate von 80 MHz untersucht. Des Weiteren gibt diese Arbeit eine Übersicht über lineare und nichtlineare Energierekonstruktionsalgorithmen. Schließlich wird eine Auswahl von ihnen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit miteinander verglichen. Es wird gezeigt, dass ein Erhöhen der Ordnung des Optimalfilters, der gegenwärtig verwendete Algorithmus, die Energieauflösung um 2 bis 3 % verbessern kann, und zwar in allen Regionen des Detektors. Der Wiener Filter mit Vorwärtskorrektur, ein nichtlinearer Algorithmus, verbessert sie um bis zu 10 % in einigen Regionen, verschlechtert sie aber in anderen. Ein Zusammenhang dieses Verhaltens mit der Wahrscheinlichkeit fälschlich detektierter Kalorimetertreffer wird aufgezeigt und mögliche Lösungen werden diskutiert.:1 Introduction 2 An Overview of High-Energy Particle Physics 2.1 The Standard Model of Particle Physics 2.2 Verification of the Standard Model 2.3 Beyond the Standard Model 3 LHC, ATLAS, and the Liquid-Argon Calorimeters 3.1 The Large Hadron Collider 3.2 The ATLAS Detector 3.3 The ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4 Upgrades to the ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4.1 Physics Goals 4.2 Phase-I Upgrade 4.3 Phase-II Upgrade 5 Noise Suppression With Digital Filters 5.1 Terminology 5.2 Digital Filters 5.3 Wiener Filter 5.4 Matched Wiener Filter 5.5 Matched Wiener Filter Without Bias 5.6 Timing Reconstruction, Optimal Filtering, and Selection Criteria 5.7 Forward Correction 5.8 Sparse Signal Restoration 5.9 Artificial Neural Networks 6 Simulation of the ATLAS Liquid-Argon Calorimeter Readout Electronics 6.1 AREUS 6.2 Hit Generation and Sampling 6.3 Pulse Shapes 6.4 Thermal Noise 6.5 Quantization 6.6 Digital Filters 6.7 Statistical Analysis 7 Results of the Readout Electronics Simulation Studies 7.1 Statistical Treatment 7.2 Simulation Verification Using Run-2 Data 7.3 Dependence of the Noise on the Shaping Time 7.4 The Analog Readout Electronics and the ADC 7.5 The Optimal Filter (OF) 7.6 The Wiener Filter 7.7 The Wiener Filter with Forward Correction (WFFC) 7.8 Final Comparison and Conclusions 8 Conclusions and Outlook AppendicesThe Large Hadron Collider and the ATLAS detector are undergoing a comprehensive upgrade split into multiple phases. This effort also affects the liquid-argon calorimeters, whose main readout electronics will be replaced completely during the final phase. The electronics consist of an analog and a digital portion: the former amplifies the signal and shapes it to facilitate sampling, the latter executes an energy reconstruction algorithm. Both must be improved during the upgrade so that the detector may accurately reconstruct interesting collision events and efficiently suppress uninteresting ones. In this thesis, simulation studies are presented that optimize both the analog and the digital readout of the liquid-argon calorimeters. The simulation is verified using calibration data that has been measured during Run 2 of the ATLAS detector. The influence of several parameters of the analog shaping stage on the energy resolution is analyzed and the utility of an increased signal sampling rate of 80 MHz is investigated. Furthermore, a number of linear and non-linear energy reconstruction algorithms is reviewed and the performance of a selection of them is compared. It is demonstrated that increasing the order of the Optimal Filter, the algorithm currently in use, improves energy resolution by 2 to 3 % in all detector regions. The Wiener filter with forward correction, a non-linear algorithm, gives an improvement of up to 10 % in some regions, but degrades the resolution in others. A link between this behavior and the probability of falsely detected calorimeter hits is shown and possible solutions are discussed.:1 Introduction 2 An Overview of High-Energy Particle Physics 2.1 The Standard Model of Particle Physics 2.2 Verification of the Standard Model 2.3 Beyond the Standard Model 3 LHC, ATLAS, and the Liquid-Argon Calorimeters 3.1 The Large Hadron Collider 3.2 The ATLAS Detector 3.3 The ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4 Upgrades to the ATLAS Liquid-Argon Calorimeters 4.1 Physics Goals 4.2 Phase-I Upgrade 4.3 Phase-II Upgrade 5 Noise Suppression With Digital Filters 5.1 Terminology 5.2 Digital Filters 5.3 Wiener Filter 5.4 Matched Wiener Filter 5.5 Matched Wiener Filter Without Bias 5.6 Timing Reconstruction, Optimal Filtering, and Selection Criteria 5.7 Forward Correction 5.8 Sparse Signal Restoration 5.9 Artificial Neural Networks 6 Simulation of the ATLAS Liquid-Argon Calorimeter Readout Electronics 6.1 AREUS 6.2 Hit Generation and Sampling 6.3 Pulse Shapes 6.4 Thermal Noise 6.5 Quantization 6.6 Digital Filters 6.7 Statistical Analysis 7 Results of the Readout Electronics Simulation Studies 7.1 Statistical Treatment 7.2 Simulation Verification Using Run-2 Data 7.3 Dependence of the Noise on the Shaping Time 7.4 The Analog Readout Electronics and the ADC 7.5 The Optimal Filter (OF) 7.6 The Wiener Filter 7.7 The Wiener Filter with Forward Correction (WFFC) 7.8 Final Comparison and Conclusions 8 Conclusions and Outlook Appendice

A survey on tidal analysis and forecasting methods for Tsunami detection

Accurate analysis and forecasting of tidal level are very important tasks for human activities in oceanic and coastal areas. They can be crucial in catastrophic situations like occurrences of Tsunamis in order to provide a rapid alerting to the human population involved and to save lives. Conventional tidal forecasting methods are based on harmonic analysis using the least squares method to determine harmonic parameters. However, a large number of parameters and long-term measured data are required for precise tidal level predictions with harmonic analysis. Furthermore, traditional harmonic methods rely on models based on the analysis of astronomical components and they can be inadequate when the contribution of non-astronomical components, such as the weather, is significant. Other alternative approaches have been developed in the literature in order to deal with these situations and provide predictions with the desired accuracy, with respect also to the length of the available tidal record. These methods include standard high or band pass filtering techniques, although the relatively deterministic character and large amplitude of tidal signals make special techniques, like artificial neural networks and wavelets transform analysis methods, more effective. This paper is intended to provide the communities of both researchers and practitioners with a broadly applicable, up to date coverage of tidal analysis and forecasting methodologies that have proven to be successful in a variety of circumstances, and that hold particular promise for success in the future. Classical and novel methods are reviewed in a systematic and consistent way, outlining their main concepts and components, similarities and differences, advantages and disadvantages

Study for maintenance of hydraulic motors Final report, 27 Jun. 1967 - 27 Oct. 1968

Detection of malfunctions in hydraulic components of antenna drives and means for acquisition, processing and interpretation of diagnostic dat