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Massive Ultrasonic MIMO (muMIMO)

Antragsteller Dr.-Ing. Jochen Moll
Fachliche Zuordnung Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Mechanik
Förderung Förderung von 2017 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 349435502
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In den letzten Jahren wurde den geführten Ultraschallwellen (GW) große Aufmerksamkeit zuteil, um drahtlose Datenkommunikation in Situationen zu ermöglichen, in denen herkömmliche elektromagnetische drahtlose Verbindungen nicht möglich sind oder unzureichend funktionieren. Vor diesem Hintergrund wurden die Vorhaben AcoComm und muMIMO beantragt. AcoComm untersuchte die Möglichkeiten und Vorteile der akustischen Kommunikation zwischen Sensorknoten in einem autonomen Multisensornetz, in dem die drahtlose Kommunikation über dispersive mechanische Wellenleiter erfolgt. muMIMO hingegen verfolgte das Ziel einer parallelen akustischen Mehrfachkommunikation innerhalb von Knoten in einem Sensornetzwerk, die häufig in Anwendungen des Structural Health Monitorings (SHM) eingesetzt werden. Beide Projekte stützen sich auf die intrinsischen Fähigkeiten von GW, große Entfernungen ohne wesentliche Dämpfung zu überwinden, sowie auf ihre vielseitige Multimoden-/Frequenzeigenschaften, welche die Erkennung, Lokalisierung und Charakterisierung von Defekten ermöglicht. Durch AcoComm waren autonome Sensorknoten zur Schadenserkennung in der Lage, elastische Wellen zu nutzen, um Schäden an einer Struktur zu erkennen, Schadensindikatoren zu berechnen und, indem sie die Struktur als Kanal nutzen, elastische Wellenformen zu übertragen, um ihre Schadensbewertung mit anderen Sensorknoten zu teilen. Andererseits erweitert muMIMO dieses Konzept, indem es die Fähigkeiten von frequenzsteuerbaren akustischen Wandlern (FSATs) ausnutzt; diese Wandler können frequenzselektive akustische Wellenfeldkeulen erzeugen und schwenken, angelehnt an Phased Array Systeme. Zusätzlich zu den von AcoComm erforschten akustischen Netzwerkfähigkeiten ermöglichen die in muMIMO erforschten FSAT-Netzwerke auch die Kombination von Raum-, Zeit- und Frequenzmultiplexing, gerichtete Kommunikation und räumlicher Filterung für mehrere gleichzeitige Kommunikation. Ergänzend dazu konnte dank der inhärenten Richtungsfähigkeit der FSATs die Anzahl der Array-Elemente erheblich reduziert werden. Die Systemkombination aus dedizierter Elektronik oder Sensorknoten (SN) und akustischen Wandlern, die in AcoComm- und muMIMO-bildenden akustischen Netzen erforscht wurde, ermöglicht das Scannen von Strukturen auf Schäden, deren Identifizierung und Lokalisierung sowie den Austausch solcher Strukturinformationen zwischen den Knoten. Eine sukzessive Weiterleitung der Daten zu einer Basisstation ist möglich. In beiden Projekten wurde mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen und -Analysen nachgewiesen, dass die Informationen unter verschiedenen Kommunikationsprotokollen wie On-Off-Keying oder Quadratur-Amplitudenmodulation erfolgreich über das Netzwerk übertragen und dekodiert werden können. Es wurden Ansätze zur Informationskomprimierung in einem Wandlernetzwerk entwickelt, die eine erhebliche Reduzierung der zu übertragenen Datenmenge ermöglicht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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