Decentralized Ultra-Reliable Low-Latency Communications through Concurrent Cooperative Transmission

Emerging cyber-physical systems demand for communication technologies that enable seamless interactions between humans and physical objects in a shared environment. This thesis proposes decentralized URLLC (dURLLC) as a new communication paradigm that allows the nodes in a wireless multi-hop network (WMN) to disseminate data quickly, reliably and without using a centralized infrastructure. To enable the dURLLC paradigm, this thesis explores the practical feasibility of concurrent cooperative transmission (CCT) with orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM). CCT allows for an efficient utilization of the medium by leveraging interference instead of trying to avoid collisions. CCT-based network flooding disseminates data in a WMN through a reception-triggered low-level medium access control (MAC). OFDM provides high data rates by using a large bandwidth, resulting in a short transmission duration for a given amount of data. This thesis explores CCT-based network flooding with the OFDM-based IEEE 802.11 Non-HT and HT physical layers (PHYs) to enable interactions with commercial devices. An analysis of CCT with the IEEE 802.11 Non-HT PHY investigates the combined effects of the phase offset (PO), the carrier frequency offset (CFO) and the time offset (TO) between concurrent transmitters, as well as the elapsed time. The analytical results of the decodability of a CCT are validated in simulations and in testbed experiments with Wireless Open Access Research Platform (WARP) v3 software-defined radios (SDRs). CCT with coherent interference (CI) is the primary approach of this thesis. Two prototypes for CCT with CI are presented that feature mechanisms for precise synchronization in time and frequency. One prototype is based on the WARP v3 and its IEEE 802.11 reference design, whereas the other prototype is created through firmware modifications of the Asus RT-AC86U wireless router. Both prototypes are employed in testbed experiments in which two groups of nodes generate successive CCTs in a ping-pong fashion to emulate flooding processes with a very large number of hops. The nodes stay synchronized in experiments with 10 000 successive CCTs for various modulation and coding scheme (MCS) indices and MAC service data unit (MSDU) sizes. The URLLC requirement of delivering a 32-byte MSDU with a reliability of 99.999 % and with a latency of 1 ms is assessed in experiments with 1 000 000 CCTs, while the reliability is approximated by means of the frame reception rate (FRR). An FRR of at least 99.999 % is achieved at PHY data rates of up to 48 Mbit/s under line-of-sight (LOS) conditions and at PHY data rates of up to 12 Mbit/s under non-line-of-sight (NLOS) conditions on a 20 MHz wide channel, while the latency per hop is 48.2 µs and 80.2 µs, respectively. With four multiple input multiple output (MIMO) spatial streams on a 40 MHz wide channel, a LOS receiver achieves an FRR of 99.5 % at a PHY data rate of 324 Mbit/s. For CCT with incoherent interference, this thesis proposes equalization with time-variant zero-forcing (TVZF) and presents a TVZF receiver for the IEEE 802.11 Non-HT PHY, achieving an FRR of up to 92 % for CCTs from three unsyntonized commercial devices. As CCT-based network flooding allows for an implicit time synchronization of all nodes, a reception-triggered low-level MAC and a reservation-based high-level MAC may in combination support various applications and scenarios under the dURLLC paradigm

Prädiktiver Betrieb von Multi-Hybrid-Antrieben im SPNV

Wichtige Kriterien für den Personennahverkehr sind eine hohe Fahrgastkapazität und ein niedriger spezifischer Kraftstoffverbrauch. Daher ist die Bahn ideal, um die notwendigen Transportleistungen im täglichen Pendelverkehr zu erbringen. Die Nebenstrecken von ländlichen Gebieten in die Städte hinein sind meist nicht- oder nur teilelektrifiziert, da neben den Pendlern kaum ein zusätzliches Fahrgastaufkommen vorhanden ist und diese auch für den Güterverkehr meist keine Bedeutung haben. Um die Vorteile von elektrischen Antrieben wie Rekuperation von Bremsenergie und leisem Betrieb auf solchen Strecken realisieren zu können, bieten sich hybride Fahrzeugkonfigurationen an. Diese versprechen großes Potenzial durch häufige Halte und kurze Haltestellenabstände. Klassische Dieseltriebwagen setzen auf mehrere getrennte Antriebsanlagen, die sich jeweils an den Zugenden befinden. Werden sie um Elektromotoren ergänzt, ergeben sich viele zusätzliche Freiheitsgrade, deren Optimierung aber komplexere Herangehensweisen als bisher erfordern. Neben der Möglichkeit, die momentan aktiven Maschinen einzeln zu selektieren, bietet selbst ein einfaches Hybridsystem mit nur einer Antriebsanlage die Möglichkeit der dynamischen und nahezu unbeschränkten Aufteilung der Drehmomente zwischen ihnen. Erweitert man diesen Hybrid um zusätzliche Antriebsanlagen im gleichen Fahrzeug auf ein Multi-Hybrid-System oder betreibt sie in Mehrfachtraktion, wird zur Gesamtsystemoptimierung eine übergeordnete Steuereinheit erforderlich, die die Drehmomente entsprechend des Wirkungsgrades am momentanen Lastpunkt sinnvoll aufteilt. Ziel dieser Arbeit ist es, auf Basis der Bewertungskriterien „mögliche Kraftstoffeinsparung“, „Komplexität der Implementierung“ und „Echtzeitfähigkeit“ eine Betriebsstragie samt zugehörigem Fahrzeugenergiemanagement zu entwerfen. Dafür wurden drei verschiedene Ansätze - Fuzzylogik, Kraftstoffäquivalenzverfahren (ECMS) und dynamische Programmierung nach Bellman (DP) - ausgearbeitet, implementiert und ausgewertet