Krieger, Karl-Ludwig
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Item-typ:Veröffentlichung, Advancing semantic and digital communications through machine learning(2025-10-10); ; ; Artificial Intelligence (AI) is becoming increasingly prevalent in daily life, driven by rapid advancements in Machine Learning (ML) since 2010. These breakthroughs, enabled by innovations such as specialized hardware, Deep Neural Networks (DNNs), and advances in training techniques, have allowed AI systems to match or even exceed human performance in tasks like autonomous driving and medical diagnostics, with systems such as ChatGPT and AlphaGo standing out as key examples. These achievements have raised public awareness and acceptance of AI technologies. In the realm of wireless communication, emerging applications such as virtual reality and autonomous systems are pushing traditional digital communication systems to their limits. Conventional content-agnostic approaches struggle to meet the growing demands for bandwidth, power efficiency, and low latency. This dissertation explores mastering these challenges by integrating ML techniques into wireless communication systems. It introduces CMDNet, a novel framework for symbol detection, designed to improve communication efficiency by combining strengths of traditional model-based designs with those of advanced ML methods. Furthermore, integrating semantic content into communications is identified as crucial for further enhancing system efficiency. Semantic communication aims at transmitting the meaning conveyed by the data rather than the exact bits, which can introduce a model deficit that challenges traditional communication designs. This challenge in design of semantic communication is addressed using advanced ML techniques, as demonstrated in the SINFONY approach. Together, these contributions demonstrate how ML advances, such as DNNs, can overcome existing limitations in terms of model and algorithmic deficits and significantly enhance the efficiency and capabilities of future communication systems.Dissertation123 69 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, High-Performance Approximate On-Chip CommunicationInterconnects do not gain from technology scaling as the computation units do. There is still no substitute for copper interconnects to meet the conductivity requirements and reduce dielectric permittivity. It is becoming more expensive to guarantee the interconnect's reliable error-free operation as the gains of technology scaling are diminishing. The on-chip communication is currently a bottleneck of the high-performance integrated circuits. Fundamental improvement of on-chip communication is essential. Approximate computing has been thoroughly investigated for the computation sub-systems. Recently, approximate computing has been extended to the communication domain. The idea is to trade transmission quality for energy or/and performance efficiency. Approximate communication, on the one hand, provides a practical solution to maintain the benefits of the technology scaling; and, on the other hand, exploits the gap between the accuracy requirements of the applications and that provided by communication sub-systems. Besides, the unfulfilled potential of full-system approximation can only be exploited by approximating all sub-systems, including the communication. However, prerequisites for the development and efficiency characterization of effective on-chip codings and approximate techniques are precise energy and delay models. Traditionally, delay and energy models do not consider variations, resulting in inaccurate and only partially useful models. The misalignment effect, that is, the variation in the delay of the transmitted signals has been conventionally overlooked. In this dissertation, the first high-level misalignment-aware energy and delay models for narrow multi-segment global interconnects are proposed to address the problem of conventional models. The proposed models have been evaluated using simulations. Results show a significant improvement in the accuracy of the energy and delay estimations. Three different techniques are proposed to exploit approximate computing's considerable potential in the communication domain. First, two memoryless encoding approaches for approximate communications to reduce the integer-value deviation are presented. Restricted to area-constrained applications, we propose a Combined Integer-Value (CIV) coding technique based on the input signals' swap and inversion. Moreover, a Crosstalk-Avoidance-based Integer-Value (CA-IV) coding technique for applications with a more relaxed area constraint is presented. The optimal mapping of the data words and codewords combined with the selective inversion of input signals minimizes the error magnitude in this coding technique. Second, taking into account the challenges of classical wave-pipelining in error-free operation, the concept of Stochastic Wave-Pipelining (SWP) communication is proposed. It relaxes the limiting constraints of the classical wave-pipelining and allows its practical implementation. Besides, extra performance improvement by accepting a tolerable error is achievable. Unlike most existing approximate techniques, SWP has the quality to be combined with other approximate techniques. Third, an Alternating Bit-Truncation (ABT) technique is introduced. ABT sets a certain number of LSBs to zero. The inactive lines are used as virtual shielding to shield the data lines. The inactive lines do not contribute to dynamic energy consumption, resulting in a very power-efficient technique. Besides, depending on the number of truncated lines, ABT reduces the crosstalk noise that leads to energy saving and performance improvement. This technique can be implemented with almost no overhead. A comprehensive experimental result validated the proposed approximate communication approaches. The proposed approximate communication methods' applicability is also studied in Network-on-Chip (NoC), where they are compared with a state-of-the-art compression technique. Results show the superiority of proposed techniques for different design criteria.Dissertation479 488 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Energy aware task allocation algorithms for wireless sensor networks(2018-05-11); ; ; Complex wireless sensor network (WSN) applications, such as those in Internet of things or in-network processing, are pushing the requirements of energy efficiency and long-term operation of the network drastically. Energy aware task allocation becomes crucial to extend the network lifetime, by efficiently distributing the tasks of applications among sensor nodes. Although task allocation has been deeply studied in wired systems, the resulting approaches are insufficient for WSNs due to limited battery resources and computing capability of WSN nodes, as well as the special wireless communication. This work focuses on designing energy aware task allocation algorithms to extend the network lifetime of WSNs. More precisely, this work firstly proposes a centralized static task allocation algorithm (CSTA) for cluster based WSNs. Since a WSN application can be modeled by a directed acyclic graph (DAG), the task allocation problem is formulated as partitioning the modeled DAG graph into two subgraphs: one for the slave node and the other for the master node. By using a binary vector variable to represent the partition cut, CSTA formulates the problem of maximizing network lifetime as a binary integer linear programming (BILP) problem. It provides one fixed time invariant partition cut (task allocation solution) for each slave node to balance the workload distribution of tasks. Moreover, motivated by the fact that using multiple partition cuts can achieve more balanced workload distribution, this work extends CSTA to a centralized dynamic task allocation algorithm, CDTA. By using a probability vector variable to stand for partition cuts with different weights, CDTA formulates the dynamic task allocation problem as a linear programing (LP) problem. Due to the high complexity of centralized algorithms, this work further proposes a very lightweight distributed optimal on-line task allocation algorithm (DOOTA). Through an indepth analysis, it proves that the optimal task allocation solution consists of at most two partition cuts for each slave nodes. Based on this analysis, DOOTA enables each slave node to calculate its own optimal task allocation solution by negotiating with the master node with a very short time. These contributions significantly improve the application performance for WSNs, but also for other domains, e.g, mobile edge/fog computing. Furthermore, the proposed task allocation algorithms are extended for different task scenarios and network structures, i.e., applications with conditional tasks, joint local and global applications and multi-hop mesh network. Given a condition triggered application, it is modeled by a DAG graph with conditional branches. This conditional DAG is further decomposed into multiple stationary DAG graphs without conditional branches according to the satisfaction probability of each condition. Based on this modeling, a static and a dynamic condition triggered task allocation algorithms (SCTTA and DCTTA) are proposed by considering the multiple stationary DAG simultaneously. Targeting the joint local and global applications, this work designs a static and a dynamic joint task allocation algorithms, SJTA and DJTA, based on BILP and LP, respectively. The modeling of local task allocation problem does not change, while the global task allocation problem is modeled by dividing the global DAG graph into different subgraphs mapping to the slave and master nodes. Besides the extensions for different task scenarios, this work presents a dynamic task allocation algorithm for multi-hop mesh networks (DTA-mhop) as well. The corresponding task allocation problem is modeled by dividing the DAG graph of each sensor node into multiple subgraphs mapping to itself, the routing and sink nodes. By using the summation of assigned tasks for each node, DTA-mhop formulates the lifetime maximization as a LP problem. The proposed task allocation algorithms are firstly evaluated using simulations and real WSN applications, in terms of network lifetime increase and algorithm runtime. In order to investigate the algorithm's performance in realistic scenarios, the CSTA, CDTA and DOOTA algorithms are implemented in a real WSN based on the OpenMote platform. Both the simulation and implementation results show that the network lifetime can be dramatically extended. Remarkably, the network lifetime improvements are more significant for addressing complex applications. The proposed task allocation algorithms are therefore suitable for WSNs, and they can also be easily adapted to other wireless domains.Dissertation513 223 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Entwicklung und Validierung eines drahtlosen Sensorsystems zur Erfassung der Rotorkinematik von Windenergieanlagen mit Inertialsensoren(2022-12-09); ; ; In den kommenden Jahrzehnten wird der Ausbau von Windenergieanlagen an Land sowie in sogenannten Offshore-Windparks eine zentrale Rolle bei der Realisierung der globalen Klimaschutzziele spielen. Dafür müssen eine hohe Auslastung und Verfügbarkeit der Windenergieanlagen über die gesamte Lebensdauer gegeben sein. Über das sogenannte Condition-Monitoring können die einzelnen Komponenten der Anlage mit Sensoren überwacht und gegebenenfalls prädiktive Wartungsmaßnahmen vorgenommen werden. Der Einsatz drahtgebundener Sensorsysteme im Rotorblatt von Windenergieanlagen ist aufgrund der elektrostatischen Aufladung des Rotorblattes während des Betriebs nur bedingt möglich. In der vorliegenden Arbeit wird daher der Einsatz drahtloser Sensorknoten zur Erfassung der Rotorkinematik mit Inertialsensoren untersucht. Dazu wird zunächst das kinematische Modell einer Windenergieanlage eingeführt, um die resultierende Beschleunigung und Drehrate auf dem Rotorblatt während des Betriebs der Anlage abzuschätzen. Aus dieser Modellbetrachtung wird der erforderliche Messbereich der Sensorik abgeleitet und ein drahtloser Sensorknoten auf Basis eines System-on-Chip-Mikrocontrollers mit integriertem Radio-Transceiver aufgebaut. In einem weiteren Schritt werden mit den aus dem Modell simulierten Sensordaten Algorithmen entwickelt, mit denen die Bewegung des Rotors sowie des Rotorblattes bestimmt werden können. Neben der Position und Drehzahl des Rotors ist es mithilfe der Algorithmen möglich, die Blattverstellung sowie die Auslenkung des Rotorblattes in Schlag- und Schwenkrichtung zu detektieren. Die abschließende Evaluierung des Sensorsystems wird auf einer Windenergieanlage mit einem Rotordurchmesser von 104 m durchgeführt. Insgesamt werden drei Sensorknoten in der Nabe, der Rotorblattwurzel und mittig im Rotorblatt positioniert. Es kann gezeigt werden, dass die Sensordaten aus dem Rotorblatt mit einer äußerst niedrigen Fehlerrate direkt in die Gondel der Windenergieanlage übertragen werden können. Die zuvor entwickelten Algorithmen werden auf die Sensorpositionen und den Anlagentyp angepasst und damit die Drehrate und Position des Rotors mithilfe des Sensors in der Nabe der Windenergieanlage ermittelt. Mit den Sensordaten aus der Blattwurzel kann die Blattwinkelverstellung während des Hochfahrens der Windenergieanlage eruiert werden. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass es mit den Sensordaten aus der Rotorblattmitte auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten möglich ist, die Auslenkung des Rotorblattes in Schlag- und Schwenkrichtung zu detektieren.Dissertation303 145 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, Software radio systems engineering for URLLC Industrie 4.0 applications(2023-07-20); ; ; ; New use cases for wireless communication that require Ultra Reliable Low Latency Communication (URLLC) systems open a new trove of challenges. In this thesis we address the wireless software radio systems engineering challenges to achieve lower latency and higher reliability. Furthermore, we present a thorough analysis of PHYsical layer (PHY) Digital Signal Processing (DSP) concepts and their impact on latency and reliability. These concepts are used in a Medium-Access-Control (MAC) layer Scheduling and Resource Allocation (S&RA) analysis to find suitable approaches for S&RA that minimize burst errors. Finally, our PHY and MAC analysis results in a demonstrator that verifies our approaches in a testbed. Thus, it is possible to meet the requirements of URLLC systems with a full software Cloud Radio Access Network (Cloud RAN) implementation with distributed Access Points (APs).Dissertation174 138 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
Item-typ:Veröffentlichung, A microsystem for on-chip droplet storage and processing(2020-09-10); ; ; Die Tropfen-Mikrofluidik ist ein nützliches Verfahren, mit dem biologische und chemische Experimente mit hoher Geschwindigkeit und verbesserter Effizienz durchgeführt werden können. Viele Anwendungen, wie die biologische Zellkultivierung sowie die chemische Analyse und das Screening erfordern die Positionierung und die Handhabung der Tröpfchen in dem Chip. Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit war es, einen Mikrofluidik-Chip zu entwerfen, der Tröpfchen auf dem Chip generieren und speichern kann, um weitere Untersuchungen zu ermöglichen und potentielle Applikationen zu erforschen. Zu diesem Zweck wurden mehrere Materialien ausgewählt und untersucht. Letztendlich wurde ein Parylene AF4-beschichteter Polydimethylsiloxan (PDMS)-Chip hergestellt, der diese Anforderungen erfüllt. Die Hauptanwendungen von On-Chip-Speichertröpfchen stehen im direkten Zusammenhang mit der Zellspeicherung und der Zellkultivierung. Diese Anwendungen erfordern einen Mikrochip, der aus einem biokompatiblen Material, wie PDMS oder Parylene hergestellt ist. Um das On-Chip-Speichersystem zu bewerten, wurden Tröpfchen, die biologische Zellen enthielten, erzeugt. Diese verblieben mehr als vier Tage in dem entwickelten Chip. Neben der On-Chip-Speicherung von wässrigen Tröpfchen wurden auch Agarosetröpfchen hergestellt und platziert. Agarose wird häufig als Träger für die Kultivierung menschlicher und tierischer Zellen verwendet. Eine Agaroselösung kann bei geringen Konzentrationen ein stabiles Gel bilden, welches frei von Verunreinigungen ist und nicht an den Zellen haftet. Die Elastizität der Mikroumgebung hat einen signifikanten Einfluss auf das Zellwachstum. Die Agarosetröpfchen ermöglichen die Einkapselung von Zellen, die dann in verschiedenen elastischen Umgebungen kultiviert werden können. In einer durchgeführten Primärstudie wurden Hefezellen in Agarose eingekapselt. Diese Untersuchungen dienten dem Nachweis, dass mechanische Eigenschaften der Umgebung das Zellverhalten beeinflussen können. Um chemische Reaktionen anzuregen und Zellkulturen in Mikrotröpfchen zu realisieren, müssen Mikrotröpfchen aus verschiedenen Flüssigkeitsproben zusammengeführt werden. Die Handhabung der erforderlichen Tröpfchen ist ein weiterer wichtiger Aspekt der tropfenbasierten Mikrofluidik. Es wurde ein Chip entworfen und hergestellt, der Tröpfchen mit frischen Nährstoffen produziert und die gespeicherten Tröpfchen zusammenführt, um deren Zellen mit Nährstoffen zu versorgen. Tröpfchen, die Escherichia coli und Enterococcus faecalis enthielten, wurden mehrere Stunden in dem Chip in AF4-beschichteten PDMS-Kanälen aufbewahrt. Dabei wurde ein bis zu 5 Stunden andauerndes Zellwachstum beobachtet. Da Säugetierzellen jedoch aufgrund des Mangels an Sauerstoff und Kohlendioxid nicht über einen längeren Zeitraum in einem AF4-beschichteten Kanal gelagert werden können, wurde ein Verfahren zur Zufuhr von Sauerstoff zu den in einem Mikrokanal gespeicherten Tröpfchen entwickelt. Nahe den durch fluoriertes Öl getrennten wässrigen Tröpfchen wurden Luftblasen in demselben Mikrofluidikkanal positioniert, um den Sauerstoffgehalt mittels Diffusion anzupassen. Die Überwachung des Sauerstoffgehaltes in den wässrigen Tröpfchen erfolgte mittels des Redoxindikators Methylenblau. Des Weiteren wurden Madin-Darby Canine Kidney (MDCK)-Zellen eingekapselt und in Gegenwart von Luftblasen den Tröpfchen hinzugefügt. In der vorliegenden Forschungsarbeit konnte die Anwendbarkeit von AF4-beschichteten PDMS-Chips für die Speicherung und Kultivierung von Zellen experimentell nachgewiesen werden. Die Herstellung aller Testvorrichtungen erfolgte unter Verwendung schneller und kostengünstiger Methoden.Dissertation322 221