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Book SynopsisPresents a thorough overview of perovskite research, written by leaders in the field of photovoltaics The use of perovskite-structured materials to produce high-efficiency solar cells is a subject of growing interest for academic researchers and industry professionals alike. Due to their excellent light absorption, longevity, and charge-carrier properties, perovskite solar cells show great promise as a low-cost, industry-scalable alternative to conventional photovoltaic cells. Perovskite Solar Cells: Materials, Processes, and Devices provides an up-to-date overview of the current state of perovskite solar cell research. Addressing the key areas in the rapidly growing field, this comprehensive volume covers novel materials, advanced theory, modelling and simulation, device physics, new processes, and the critical issue of solar cell stability. Contributions by an international panel of researchers highlight both the opportunities and challenges related to perovskite solar cells while offering detailed insights on topics such as the photon recycling processes, interfacial properties, and charge transfer principles of perovskite-based devices. Examines new compositions, hole and electron transport materials, lead-free materials, and 2D and 3D materials Covers interface modelling techniques, methods for modelling in two and three dimensions, and developments beyond Shockley-Queisser Theory Discusses new fabrication processes such as slot-die coating, roll processing, and vacuum sublimation Describes the device physics of perovskite solar cells, including recombination kinetics and optical absorption Explores innovative approaches to increase the light conversion efficiency of photovoltaic cells Perovskite Solar Cells: Materials, Processes, and Devices is essential reading for all those in the photovoltaic community, including materials scientists, surface physicists, surface chemists, solid state physicists, solid state chemists, and electrical engineers. Table of ContentsForeword xv 1 Chemical Processing of Mixed-Cation Hybrid Perovskites: Stabilizing Effects of Configurational Entropy 1 Feray Ünlü, Eunhwan Jung, Senol Öz, Heechae Choi, Thomas Fischer, andSanjay Mathur 1.1 Introduction 1 1.1.1 Stability Issues of Organic–Inorganic Hybrid Perovskites 2 1.2 Crystal Structure of Perovskites 4 1.2.1 Goldschmidt Tolerance Factor for 3D Structure 5 1.2.2 Octahedral Factor 5 1.2.3 Role of A-Site Cation 7 1.2.4 Theoretical Calculations: Molecular Dynamics of A-Site Cation 8 1.2.5 Entropy of Mixing: Configurational Effects in Mixed-Cation Perovskites 11 1.3 Multiple A-Site Cation Perovskites 12 1.3.1 FA+/MA+ Alloying for Higher Phase Stability and Photovoltaic Efficiency 12 1.3.2 Cesium Inclusion for Thermal Stability 13 1.3.3 Rb+ Small-Cation Influence on Perovskite Structure for Thermal Stability 15 1.3.4 Guanidinium Large-Cation Influence on Perovskite Structure for Stability 16 1.3.5 Triple- and Quadruple-Cation Hybrid Perovskites for Stability and Optimum Performance 17 1.3.6 Larger Organic Cations: Reducing Dimensionality for Improved Thermal Stability 20 1.4 Conclusion and Perspectives 22 Acknowledgments 24 References 24 2 Flash Infrared Annealing for Processing of Perovskite Solar Cells 33 Sandy Sánchez and Anders Hagfeldt 2.1 Introduction 33 2.2 Perovskite Crystal Nucleation and Growth from Solution 34 2.2.1 The Antisolvent Dripping Method 34 2.2.2 Thermodynamics of Nucleation and Crystal Growth 34 2.2.3 Kinetic Process for Rapid Thermal Growth 36 2.3 Rapid Thermal Annealing 37 2.3.1 The FIRA Method 37 2.3.2 FIRA and Antisolvent 39 2.3.3 Perovskite Film Crystallization for a Single IR Pulse 40 2.3.4 Perovskite Crystallization with Pulse Duration 42 2.3.5 Pulsed FIRA Method for Inorganic Perovskite Composition 45 2.3.6 Warmed-Pulsed FIRA Method 46 2.3.7 Crystallization Behavior of Mixed Perovskite Solutions 47 2.4 Structural Analysis of FIRA-Annealed Perovskite Films with Variable Pulse Time 50 2.4.1 Planar and Mesoporous Substrates 50 2.4.2 Crystal Structure Analysis 51 2.4.3 Structure of the Intermediate Phases 53 2.4.4 Internal Crystal Domain Structure 56 2.5 A Cost-Effective and Environmentally Friendly Method 57 2.5.1 Life-Cycle Assessment (LCA) of the Perovskite Film Synthesis Methods 57 2.5.2 Relative Cost and Environmental Impact of the AS and FIRA Methods 58 2.6 Application for MAPI3 Perovskite Solar Cells 60 2.6.1 Single IR Pulse and MAPbI3 Perovskite Composition 60 2.6.2 Large-Area Devices 60 2.7 Planar Devices Architecture and Mixed Perovskite Composition 64 2.7.1 Thin Film Analysis 64 2.7.2 PV Performance and Electronic Characteristic of the Devices 64 2.8 Pulsed FIRA for Inorganic Perovskite Solar Cells 67 2.8.1 Thin Film Analysis 67 2.8.2 PV Performance 68 2.9 Rapid Manufacturing of PSCs with an Adapted Perovskite Chemical Composition 71 2.9.1 Rapid Annealed TiO2 Mesoscopic Film 71 2.9.2 FCG Perovskite Stabilized with TBAI 72 2.9.3 PV Performance of the Manufactured PSCs 73 2.10 Outlook and Technical Details 75 2.10.1 Optimization of FIRA Process for Tandem Solar Cells 75 2.10.2 Automatic Roll-to-Roll System for the FIRA Manufacture of Perovskite Solar Cells 77 2.10.3 Electronic Setup 78 2.10.4 LabView Interface 78 2.11 Experimental Methods 80 2.11.1 Manufacture of Perovskite Solar Cells 80 2.11.2 Perovskite Solution Preparation 80 2.11.3 Antisolvent Method 81 2.11.4 FIRA Method 81 2.11.5 HTM Deposition and Back Contact Evaporation 81 2.11.6 Device Characterization 82 2.11.7 Material Characterization 82 2.11.8 Temperature Measurement 83 List of Abbreviations 83 Acknowledgments 84 References 84 3 Passivation of Hybrid/Inorganic Perovskite Solar Cells 91 Muhammad Akmal Kamarudin and Shuzi Hayase 3.1 Introduction 91 3.1.1 Types of Passivation 93 3.1.1.1 Bulk Passivation 93 3.1.1.2 Surface Passivation 93 3.1.2 Passivating Materials 95 3.1.2.1 Metal Halides 95 3.1.2.2 Organic Acids (—COOH, —SOOH, and —POOH) 96 3.1.2.3 Organosulfur Compound 98 3.1.2.4 Amines 98 3.1.2.5 Graphene 100 3.1.2.6 Metal Oxides 100 3.1.2.7 Organic Halides 102 3.1.2.8 Quantum Dots 104 3.1.2.9 Polymers 104 3.1.2.10 Zwitterions 107 3.2 Conclusion 107 References 108 4 Tuning Interfacial Effects in Hybrid Perovskite Solar Cells 113 Rafael S. Sánchez, Lionel Hirsch, and Dario M. Bassani 4.1 Strategies for Interfacial Deposition and Analysis 113 4.1.1 Tailoring the PS Properties and Microstructural Interface Through Solvent Engineering 114 4.1.2 Tailoring the PS Properties and Microstructural Interface Through Non-solvent Methods 117 4.2 Defect Formation in PS Films and Interfaces 118 4.2.1 Defect Formation in the PS Bulk and at the Surface During Film Crystallization 119 4.2.2 Defect Formation and Dynamics of PSC Under Working Conditions 122 4.3 Passivation Strategies of PS 126 4.4 Measuring and Tuning the Work Function and Surface Potential in PSC 130 4.5 Tuning the Wettability and Compatibility Between Layers 138 4.6 Effect on Device Efficiency and Lifetime 142 4.6.1 Moisture Effects on PS Films and PSC 142 4.6.2 Photoinduced Degradation of PS Films and PSC 146 4.6.3 Thermal Degradation of PS Films and PSC 149 4.6.4 Other Sources of Degradation in PSC 150 4.7 Conclusions and Prospects 153 References 154 5 All-inorganic Perovskite Solar Cells 175 Yaowen Li and Yongfang Li 5.1 Introduction 175 5.2 Basic Knowledge of All-inorganic Pero-SCs 176 5.2.1 Crystalline Structure 176 5.2.2 Stability 177 5.2.2.1 Thermal Stability 177 5.2.2.2 Phase Stability 177 5.2.2.3 Light Stability 178 5.2.3 Working Principle 178 5.3 Lead-Based Inorganic Pero-SCs 179 5.3.1 CsPbI3 179 5.3.1.1 Additive Engineering 181 5.3.1.2 Organic Compound Treatment 181 5.3.1.3 Crystal Size Reduction and Morphology Optimization 183 5.3.1.4 Current Density Increase 185 5.3.2 CsPbI2Br 185 5.3.2.1 Fabrication Methods 185 5.3.2.2 Ionic Incorporation 189 5.3.2.3 Interface Engineering 191 5.3.3 CsPbIBr2 193 5.3.3.1 Crystal Growth 194 5.3.3.2 Ionic Incorporation 195 5.3.3.3 Interface Engineering 196 5.3.4 CsPbBr3 196 5.3.4.1 Fabrication Method 197 5.3.4.2 Ionic Incorporation 199 5.3.4.3 Interface Engineering 199 5.4 Tin-Based Inorganic Pero-SCs 200 5.4.1 CsSnI3 200 5.4.1.1 Fabrication Methods 201 5.4.1.2 Additive Engineering 203 5.4.1.3 Substrate Control 203 5.4.2 CsSnIxBr3−x 204 5.5 Other Inorganic Pero-SCs 204 5.5.1 Ge-Based Inorganic Pero-SCs 205 5.5.2 Sb-Based Inorganic Pero-SCs 205 5.5.3 Bi-Based Inorganic Pero-SCs 206 5.5.3.1 A3B2I9 Structure 206 5.5.3.2 Other Structures 207 5.5.4 Double B site Cation Perovskite 207 5.6 Conclusion 209 References 210 6 Tin Halide Perovskite Solar Cells 223 Thomas Stergiopoulos 6.1 Introduction 223 6.2 Why Tin Halide Perovskites? 223 6.2.1 Tin as the Sole Viable Alternative 223 6.2.2 Favorable Optoelectronic Properties of Tin Perovskites 224 6.2.2.1 Low Bandgap 224 6.2.2.2 High Charge Carrier Mobility 224 6.2.2.3 Similar Properties with Lead Perovskites 225 6.3 Concerns About Tin-Based Perovskites 225 6.3.1 Severe Non-radiative Recombination 225 6.3.2 Poor Stability 226 6.4 Control of Hole Doping 227 6.4.1 Sn2+ Compensation/Necessity of Adding SnF2 227 6.4.2 Additives to Improve SnF2 Dispersion 227 6.4.3 Elimination of Sn4+ Impurities 229 6.4.3.1 SnI2 Purification 229 6.4.3.2 Reaction of Sn Powder with Sn4+ Residuals 229 6.4.3.3 Addition of Reducing Agents 230 6.5 Films Deposition 231 6.5.1 Crystallization Tuning 231 6.5.1.1 Solvent Engineering 231 6.5.1.2 Additives to Slow Down Crystallization Kinetics 232 6.5.2 Posttreatment Strategies/Surface Trap Passivation 233 6.6 Contacts/Interface Engineering 234 6.7 Ongoing Challenges 235 6.7.1 Efficiency 235 6.7.2 Stability 238 6.7.3 Performance over the S–Q Limit/Toward Multijunction Solar Cells 238 6.7.4 Sustainability 241 6.8 Conclusion 241 Acknowledgments 242 References 242 7 Low-Temperature and Facile Solution-Processed Two-Dimensional Materials as Electron Transport Layer for Highly Efficient Perovskite Solar Cells 247 Shao Hui, Najib H. Ladi, Han Pan, Yan Shen, and Mingkui Wang 7.1 Introduction 247 7.2 Charge Transport in Perovskite Solar Cells 249 7.3 Brief Development of Perovskite Solar Cells 251 7.4 Functions and Requirements of Electron Transport Layer 253 7.5 Features and Advantages of Two-Dimensional Electron Transport Materials 256 7.6 Van der Waals Heterojunctions 256 7.7 Quantum Confinement Effect in Two-Dimensional Electron Transport Materials and Its Application 258 7.8 Other Physical Properties of Two-Dimensional Electron Transport Materials 259 7.9 Synthesis of Various Two-Dimensional Materials 260 7.10 Application of Two-Dimensional Material as an Electron Transport Layer in Perovskite Solar Cells 262 7.11 Conclusion and Outlook 266 List of Abbreviations 267 References 268 8 Metal Oxides in Stable and Flexible Halide Perovskite Solar Cells: Toward Self-Powered Internet of Things 273 Carlos Pereyra, Haibing Xie, Amir N. Shandy, Vanessa Martínez, HenckPierre, Elia Santigosa, Daniel A. Acuña-Leal, Laia Capdevila, Quentin Billon,Löis Mergny, María Ramos-Payán, Mónica Gomez, Bindu Krishnan, MariaMuñoz, David M. Tanenbaum, Anders Hagfeldt, and Monica Lira-Cantu 8.1 Introduction 273 8.2 Metal Oxides in Normal (n–i–p), Inverted (p–i–n) and “Oxide-Sandwich” Halide Perovskite Solar Cells 275 8.3 Mesoporous Metal Oxide Bilayers in Highly Stable Carbon-Based Perovskite Solar Cells 277 8.4 Solution-Processable Metal Oxides for Flexible Halide Perovskite Solar Cells 288 8.5 Characterization of PSC by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) 294 8.6 Conclusions 299 Acknowledgments 299 References 300 9 Electron Transport Layers in Perovskite Solar Cells 311 Fatemeh Jafari, Mehrad Ahmadpour, Um Kanta Aryal, Mariam Ahmad,Michela Prete, Naeimeh Torabi, Vida Turkovic, Horst-Günter Rubahn, AbbasBehjat, and Morten Madsen 9.1 Introduction 311 9.2 Requirements of Ideal Electron Transport Layers (ETL) 312 9.3 Overview of Electron Transport Materials 314 9.3.1 Metal Oxide Electron Transport Materials 314 9.3.2 Organic Electron Transport Materials 317 9.4 The Architectures of Perovskite Solar Cells 321 9.4.1 Mesoscopic Perovskite Solar Cells 321 9.4.2 Planar Perovskite Solar Cells 323 Acknowledgments 324 References 324 10 Dopant-Free Hole-Transporting Materials for Perovskite Solar Cells 331 Meenakshi Pegu, Shahzada Ahmad, and Samrana Kazim 10.1 Introduction 331 10.1.1 Device Structure of Perovskite Solar Cells 332 10.1.2 Charge Transport in Perovskite Solar Cells and Role of HTM 333 10.2 Hole-Transporting Material for Perovskite Solar Cells 334 10.2.1 Characteristics of an HTM and Interaction with Perovskite 334 10.2.2 Nature of HTM: Organometallic, Inorganic, and Organic (Small Molecules and Polymers) 336 10.2.3 Doping of Hole-Transporting Materials in PSCs 337 10.3 Dopant-Free Organic HTMs for Perovskite Solar Cells 340 10.3.1 Dopant-Free Organic Polymer As HTM 340 10.3.2 Dopant-Free Small Molecules as HTM 340 10.3.2.1 Triarylamine-Based HTM 340 10.3.2.2 Carbazole-Based HTMs 348 10.3.2.3 Thiophene-Based HTMs 349 10.3.2.4 Acene-Based HTMs 350 10.3.2.5 Triazatruxene-Based HTMs 350 10.3.2.6 Tetrathiafulvalene-Based HTM 353 10.3.2.7 Organometallic Compounds and Other Molecules as HTM 353 10.4 Conclusion and Outlook 356 Acknowledgments 356 List of Abbreviations 356 References 359 11 Impact of Monovalent Metal Halides on the Structural and Photophysical Properties of Halide Perovskite 369 Mojtaba Abdi-Jalebi and M. Ibrahim Dar 11.1 Introduction 369 11.2 Metal Halides 369 11.3 Monovalent Metal Halides 370 11.4 Impact of Monovalent Metal Halides on the Morphological, Structural and Optoelectronic Properties of Perovskites 372 11.5 Impact of Monovalent Metal Halides on Photovoltaic Device Characterizations 378 References 384 12 Charge Carrier Dynamics in Perovskite Solar Cells 389 Mohd T. Khan, Abdullah Almohammedi, Samrana Kazim, and Shahzada Ahmad 12.1 Introduction 389 12.2 Space Charge-Limited Conduction 390 12.3 Immitance Spectroscopy 395 12.3.1 Impedance Spectroscopy 395 12.3.2 Capacitance Spectroscopy 402 12.3.2.1 Capacitance vs. Frequency (C–f ) Measurements 403 12.3.2.2 Capacitance vs. Voltage (C–V) Measurements and Mott–Schottky Analysis 406 12.3.2.3 Thermal Admittance Spectroscopy 409 12.4 Transient Spectroscopy 413 12.4.1 Time-Resolved Microwave Conductivity Measurements 413 12.4.2 Transient Absorption Spectroscopy 417 12.4.3 Time-Resolved Photoluminescence 420 12.5 Conclusion 423 Acknowledgments 424 References 424 13 Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells 431 Daiyu Li, Yaoguang Rong, Yue Hu, Anyi Mei, and Hongwei Han 13.1 Introduction 431 13.2 Device Structures and Working Principles 432 13.3 Progress of Efficiency and Stability 433 13.4 Scaling-up of Printable Mesoscopic Perovskite Solar Cells 438 13.4.1 The Structure of Printable Mesoscopic PSC Modules 438 13.4.2 Solution Deposition Methods of Printable Mesoscopic PSC Modules 440 13.4.3 Encapsulation of Printable Mesoscopic PSCs 442 13.4.4 The Recycling of Printable Mesoscopic PSCs 442 13.4.5 Mass-Production of Printable Mesoscopic PSC Modules 444 13.4.6 Standardizing the Evaluation of PSC Modules 445 13.4.7 Standardizing the Aging Measurements of PSC Modules 447 13.5 Conclusions 449 References 449 14 Upscaling of Perovskite Photovoltaics 453 Dongju Jang, Fu Yang, Lirong Dong, Christoph J. Brabec, and Hans-Joachim Egelhaaf 14.1 Introduction 453 14.2 Techniques for Upscaling 457 14.3 State-of-the-art of Large-Area High-Quality Perovskite Devices 467 14.4 Strategies of Upscaling of Perovskite Devices 471 14.4.1 Strategies for Up-Scaling Perovskite Layers 473 14.4.1.1 Physical Methods 473 14.4.1.2 Chemical Methods 476 14.4.1.3 Post-Growth Treatment 477 14.4.2 Scalable Charge Extraction Layers 478 14.4.3 Scalable Electrodes 479 14.4.3.1 Bottom Electrode 479 14.4.3.2 Top Electrode 481 14.5 Module Layout 481 14.6 Lifetime Aspects 484 14.7 Summary and Outlook 486 References 489 15 Scalable Architectures and Fabrication Processes of Perovskite Solar Cell Technology 497 Ghufran S. Hashmi 15.1 Background 497 15.1.1 Configurations and Device Architectures of Perovskite Solar Cells 498 15.1.2 HTM-Free Device Configurations for Perovskite Solar Cells 499 15.1.3 Perovskites-Based Tandem Solar Cells 500 15.2 Scalable Device Designs of Perovskite Solar Cells 501 15.2.1 Scalable n–i–p Configuration-Based Perovskite Solar Modules 501 15.2.2 Scalable p–i–n Configuration-Based Perovskite Solar Modules 504 15.2.3 Scalable n–i–p and p–i–n Configuration-Based Flexible Perovskite Solar Modules 504 15.2.4 HTM-Free Perovskite Solar Modules 508 15.3 Critical Overview on Scalable Materials Deposition Methods 509 15.4 Nutshell of Long-Term Device Stability of Perovskite Solar Cells and Modules 513 15.5 Conclusive Summary and Futuristic Outlook 514 References 515 16 Multi-Junction Perovskite Solar Cells 521 Suhas Mahesh and Bernard Wenger 16.1 Introduction 521 16.1.1 How Efficient Can Solar Cells Be? 523 16.1.2 How Do Multi-Junction Solar Cells Work? 525 16.1.3 Multi-Junction: Two-Terminal, Three-Terminal, and Four-Terminal Multi-Junctions 525 16.1.4 Why Perovskites for Multi-Junctions? 528 16.2 Perovskite-Silicon Tandems 529 16.2.1 Bandgap Engineering 530 16.2.2 Parasitic Absorption 532 16.2.3 Optical Management 535 16.3 Perovskite–Perovskite Tandems 536 16.4 Characterizing Tandems 538 16.5 Commercialization 539 16.5.1 Reliability 540 16.5.2 Scalability 540 16.5.3 Cost 541 16.6 Outlook 542 References 543 Index 549

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Book SynopsisVollständig überarbeitete Neuauflage des maßgeblichen Grundlagen-Lehrbuchs zur Optik und Photonik - umfassend überarbeitet und mit einem neuen Kapitel zur Metamaterialoptik erweitert Die Optik ist eines der ältesten und faszinierendsten Teilgebiete der Physik und fest in den Curricula des Physikstudiums verankert. Sie beschäftigt sich mit der Ausbreitung von Licht und Phänomenen wie Interferenz, Brechung, Beugung und optischen Abbildungen. Die Photonik umfasst optische Phänomene, die primär auf der Wechselwirkung von (quantisiertem) Licht und Materie beruhen, und befasst sich mit dem Verständnis und der Entwicklung optischer Bauteile und Systeme wie etwa Lasern, LEDs und photonischen Kristallen. In bewährter Weise gibt die vollständig überarbeitete und erweiterte Neuauflage des "Saleh/Teich" eine Einführung in die Grundlagen der Optik und Photonik für Studierende der Physik und verwandter Wissenschaften. Ausführliche Erklärungen, rund 1000 Abbildungen und die zur quantitativen Durchdringung notwendige Mathematik ermöglichen ein tiefes Verständnis aller Teilgebiete der klassischen und modernen Optik. * Umfassend und verständlich: sämtliche Grundlagen der Optik und Photonik in einem Werk vereint * Geschrieben von hervorragenden Didaktikern mit langer Lehrerfahrung: optische Phänomene und deren Physik stehen im Vordergrund, der notwendige mathematische Apparat wird behutsam entwickelt * Überarbeitet und erweitert: alle Kapitel wurden mit Blick auf noch bessere Verständlichkeit kritisch geprüft und aktualisiert * Komplett neu: umfangreiches Kapitel zu Metamaterialoptik "Optik und Photonik" richtet sich an Bachelor- und Master-Studierende der Physik, Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.Trade ReviewSehr schön sind auch die Kapitel über Photonenoptik, statistische Optik und Metamaterialien. Physik in unserer Zeit, 24.09.2020Table of ContentsVorwort zur dritten Auflage xix Vorwort zur zweiten Auflage xxiii Teil I Optik 1 1 Strahlenoptik 3 1.1 Postulate der Strahlenoptik 4 1.2 Einfache optische Komponenten 6 1.3 Gradientenindexoptik 14 1.4 Matrizenoptik 19 2 Wellenoptik 29 2.1 Die Postulate der Wellenoptik 30 2.2 Monochromatische Wellen 31 2.3 Die Beziehung zwischen Wellenoptik und Strahlenoptik 35 2.4 Einfache optische Komponenten 36 2.5 Interferenz 42 2.6 Polychromatisches und gepulstes Licht 49 3 Optik von Strahlbündeln 57 3.1 Der Gaußstrahl 57 3.2 Durchgang durch optische Komponenten 64 3.3 Hermite-Gauß-Strahlen 70 3.4 Laguerre-Gauß-Strahlen 72 3.5 Nichtbeugende Strahlen 74 4 Fourieroptik 79 4.1 Lichtausbreitung im Vakuum 80 4.2 Die optische Fouriertransformation 88 4.3 Lichtbeugung 91 4.4 Bildentstehung 98 4.5 Holographie 105 5 Elektromagnetische Optik 117 5.1 Die elektromagnetische Theorie des Lichts 118 5.2 Elektromagnetische Wellen in Dielektrika 121 5.3 Monochromatische elektromagnetische Wellen 124 5.4 Einfache elektromagnetische Wellen 126 5.5 Absorption und Dispersion 130 5.6 Die Streuung elektromagnetischer Wellen 137 5.7 Pulsausbreitung in dispersiven Medien 143 6 Polarisationsoptik 151 6.1 Die Polarisation des Lichts 152 6.2 Reflexion und Brechung 159 6.3 Die Optik anisotroper Medien 163 6.4 Optische Aktivität und Magnetooptik 172 6.5 Optik von Flüssigkristallen 175 6.6 Polarisierende Bauelemente 177 7 Optik photonischer Kristalle 185 7.1 Optik von dielektrischen Schichtmedien 187 7.2 Eindimensionale photonische Kristalle 200 7.3 Zwei- und dreidimensionale photonische Kristalle 211 8 Optik von Metallen und Metamaterialien 221 8.1 Einfach- und doppelt-negative Medien 223 8.2 Optik von Metallen: Plasmonik 234 8.3 Optik von Metamaterialien 245 8.4 Transformationsoptik 253 9 Wellenleiteroptik 261 9.1 Wellenleiter aus ebenen Spiegeln 262 9.2 Ebene dielektrische Wellenleiter 267 9.3 Zweidimensionale Wellenleiter 273 9.4 Optische Kopplung in Wellenleitern 276 9.5 Photonische Kristalle als Wellenleiter 282 9.6 Plasmonische Wellenleiter 283 10 Faseroptik 289 10.1 Geführte Strahlen 290 10.2 Geführte Wellen 293 10.3 Dämpfung und Dispersion 306 10.4 Hohlkernfasern und Fasern aus photonischen Kristallen 314 10.5 Materialien für optische Fasern 316 11 Resonatoroptik 321 11.1 Resonatoren aus ebenen Spiegeln 323 11.2 Kugelspiegelresonatoren 330 11.3 Zwei- und dreidimensionale Resonatoren 337 11.4 Mikro- und Nanoresonatoren 340 12 Statistische Optik 349 12.1 Statistische Eigenschaften von stochastischem Licht 350 12.2 Interferenz von partiell kohärentem Licht 359 12.3 Transmission von partiell kohärentem Licht durch optische Systeme 364 12.4 Partielle Polarisation 370 13 Photonenoptik 377 13.1 Das Photon 378 13.2 Photonenströme 387 13.3 Quantenzustände des Lichts 396 Teil II Photonik 411 14 Licht und Materie 413 14.1 Energieniveaus 413 14.2 Die Besetzung von Energieniveaus 428 14.3 Die Wechselwirkung von Photonenmit Atomen 430 14.4 Thermisches Licht 443 14.5 Lumineszenz und Lichtstreuung 446 15 Laserverstärker 457 15.1 Theorie der Laserverstärkung 459 15.2 Pumpen des Verstärkers 461 15.3 Verbreitete Laserverstärker 468 15.4 Die Nichtlinearität von Verstärkern 476 15.5 Verstärkerrauschen 480 16 Laser 485 16.1 Theorie der Laseroszillation 486 16.2 Die Eigenschaften der Laserstrahlung 490 16.3 Bauarten von Lasern 500 16.4 Gepulste Laser 523 17 Halbleiteroptik 543 17.1 Halbleiter 544 17.2 Wechselwirkungen von Photonen mit Ladungsträgern 569 18 LED und Laserdioden 585 18.1 Lichtemittierende Dioden (LED) 586 18.2 Optische Halbleiterverstärker 607 18.3 Laserdioden 618 18.4 Quanteneinschlusslaser 627 18.5 Mikroresonatorlaser 636 18.6 Nanoresonatorlaser 642 19 Photodetektoren 651 19.1 Photodetektoren 652 19.2 Photoleiter 660 19.3 Photodioden 663 19.4 Lawinenphotodioden 669 19.5 Arraydetektoren 679 19.6 Rauschen in Photodetektoren 681 20 Akustooptik 705 20.1 DieWechselwirkung von Licht und Schall 706 20.2 Akustooptische Bauelemente 714 20.3 Akustooptik von anisotropen Medien 721 21 Elektrooptik 727 21.1 Grundlagen der Elektrooptik 728 21.2 Elektrooptik anisotroper Medien 737 21.3 Elektrooptik von Flüssigkristallen 742 21.4 Photorefraktivität 749 21.5 Elektroabsorption 753 22 Nichtlineare Optik 759 22.1 Nichtlineare optische Medien 760 22.2 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung 763 22.3 Nichtlineare Optik dritter Ordnung 775 22.4 Nichtlineare Optik zweiter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 782 22.5 Nichtlineare Optik dritter Ordnung: Die Theorie gekoppelter Wellen 789 22.6 Anisotrope nichtlineare Medien 794 22.7 Dispersive nichtlineare Medien 796 23 Ultraschnelle Optik 803 23.1 Eigenschaften von Pulsen 804 23.2 Pulsformung und Kompression 810 23.3 Pulsausbreitung in optischen Fasern 821 23.4 Ultraschnelle lineare Optik 831 23.5 Ultraschnelle nichtlineare Optik 838 23.6 Pulsdetektion 854 24 Optische Verbindungen und Schalter 869 24.1 Optische Verbindungen 871 24.2 Passive optische Router 881 24.3 Photonische Schalter 887 24.4 Photonische Logikgatter 908 25 Faseroptische Kommunikation 919 25.1 Faseroptische Komponenten 920 25.2 Faseroptische Nachrichtensysteme 931 25.3 Modulation und Multiplexing 945 25.4 Kohärente optische Kommunikation 952 25.5 Faseroptische Netze 958 Anhang A Die Fouriertransformation 969 A.1 Die eindimensionale Fouriertransformation 969 A.2 Zeitliche und spektrale Breite 970 A.3 Die zweidimensionale Fouriertransformation 973 Anhang B Lineare Systeme 977 B.1 Eindimensionale lineare Systeme 977 B.2 Zweidimensionale lineare Systeme 979 Anhang C Die Moden linearer Systeme 981 C.1 Die Moden eines diskreten linearen Systems 982 C.2 Die Moden eines kontinuierlichen durch einen Integraloperator beschriebenen Systems 982 C.3 Die Moden eines durch gewöhnliche Differentialgleichungen beschriebenen Systems 983 C.4 Die Moden eines durch eine partielle Differentialgleichung beschriebenen Systems 984 Lösungen zu den Übungen 987 1 Strahlenoptik987 2 Wellenoptik 992 3 Optik von Strahlbündeln 994 4 Fourieroptik 996 5 Elektromagnetische Optik 998 6 Polarisationsoptik 998 7 Optik photonischer Kristalle 999 9 Wellenleiteroptik 999 10 Faseroptik 1000 11 Resonatoroptik 1002 12 Statistische Optik 1003 13 Photonenoptik 1004 14 Licht und Materie 1005 15 Laserverstärker 1006 16 Laser 1008 17 Halbleiteroptik 1010 18 LED und Laserdioden 1012 19 Photodetektoren 1014 20 Akustooptik 1015 21 Elektrooptik 1016 22 Nichtlineare Optik 1016 23 Ultraschnelle Optik 1020 24 Optische Verbindungen und Schalter 1020 Stichwortverzeichnis 1023

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Book SynopsisLiquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries An of-the-moment treatment of liquid electrolytes used in lithium metal batteries Considered by many as the most-promising next-generation batteries, lithium metal batteries have grown in popularity due to their low potential and high capacity. Crucial to the development of this technology, electrolytes can provide efficient electrode electrolyte interfaces, assuring the interconversion of chemical and electrical energy. The quality of electrode electrolyte interphase, in turn, directly governs the performance of batteries. In Liquid Electrolyte Chemistry, provides a comprehensive look at the current understanding and status of research regarding liquid electrolytes for lithium metal batteries. Offering an introduction to lithium-based batteries from development history to their working mechanisms, the book further offers a glimpse at modification strategies of anode electrolyte interphases and cathode electrolytic interphases. More, by discussing the high-voltage electrolytes from their solvents—organic solvents and ionic liquids—to electrolyte additives, the text provides a thorough understanding on liquid electrolyte chemistry in the remit of lithium metal batteries. Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries readers will also find: A unique focus that reviews the development of liquid electrolytes for lithium metal batteries State-of-the-art progress and development of electrolytes for lithium metal batteries Consideration of safety, focusing the design principles of flame retardant and non-flammable electrolytes Principles and progress on low temperature and high temperature electrolytes Liquid Electrolyte Chemistry for Lithium Metal Batteries is a useful reference for electrochemists, solid state chemists, inorganic chemists, physical chemists, surface chemists, materials scientists, and the libraries that supply them.Table of ContentsPreface ix 1 Lithium Metal Batteries 1 1.1 History 1 1.2 Types 2 1.2.1 Lithium–Oxygen Batteries 2 1.2.1.1 Working Mechanism of Li–O2 Batteries 2 1.2.1.2 Cathode Design of Li–O2 Batteries 4 1.2.1.3 Anode Protection of Li–O2 Batteries 8 1.2.2 Lithium–Sulfur Batteries 11 1.2.2.1 Conductive Matrixes for S Cathode 12 1.2.2.2 Modifying Separators of Li–S Batteries 15 1.2.2.3 Electrolyte Design for Li–S Batteries 17 1.2.2.4 Anode Protection for Li–S Batteries 18 1.2.3 Lithium–Selenium or –Tellurium Batteries 22 1.2.3.1 Lithium–Selenium Batteries 22 1.2.3.2 Lithium–Tellurium Batteries 29 1.2.4 Lithium–Iodine/Bromine Batteries 31 1.2.4.1 Lithium–Iodine Batteries 31 1.2.4.2 Lithium–Bromine Battery 36 1.2.5 TMO Batteries 37 1.3 Introductive Electrolytes 41 1.4 Prospects 44 References 45 2 Electrode–Electrolyte Interphase 55 2.1 Introduction 55 2.2 Solid Electrolyte Interphase 55 2.2.1 Concept and Roles 55 2.2.2 Types and Modification Strategies 56 2.3 Cathode Electrolyte Interphase 66 2.3.1 Concept and Roles 66 2.3.2 Types and Modification Strategies 66 References 75 3 Safe Electrolytes 79 3.1 Introduction 79 3.2 Flame-Retardant Mechanism 80 3.3 Flame-Retardant Electrolytes 80 3.4 Nonflammable Electrolytes 85 3.5 Prospects 93 References 95 4 High-Voltage Electrolytes 99 4.1 Introduction 99 4.2 The General Implications of High-Voltage Electrochemical Operation 101 4.2.1 Electrochemical Stability and Voltage Window for Electrolytes 101 4.2.2 Parasitic Electrolyte Oxidation and Formation of CEI 102 4.2.3 Metal Ion Diffusion, Surface Structural Reconstruction, and Mechanical Fracture of Cathode Materials 106 4.2.4 Instability of Other Cell Components at High Voltage 109 4.3 The Electrolyte Engineering for Various High-Voltage Cathodes 111 4.3.1 Nickel-Containing Layered Oxides 111 4.3.2 LiCoO2 116 4.3.3 Layered Li-Rich Cathodes 120 4.3.4 Other Cathode Materials 121 4.4 Conclusions 127 References 127 5 Extreme Temperature Electrolytes 133 5.1 Low-Temperature Electrolytes 133 5.1.1 The Limitations of Battery Performance at Low Temperature 133 5.1.2 The Improvement of Electrolytes 137 5.2 High-Temperature Electrolytes 143 5.2.1 The Limitations of Battery Performance at High Temperature 144 5.2.2 The Improvement of Electrolytes 148 5.3 Prospective 151 References 152 6 High-Concentration Electrolytes 157 6.1 High-Concentration Electrolytes 157 6.1.1 Concept, Design Strategies 157 6.1.2 Developments 158 6.2 Local High-concentration Electrolytes 168 6.2.1 Concept, Design Strategies 169 6.2.2 Developments 169 6.3 Prospects 178 References 178 7 Theoretical Basis for Electrolyte and Electrode Study 183 7.1 Redox Potential 183 7.1.1 Theoretical Basis 183 7.1.2 Solvents and Salts 185 7.1.3 Redox Potential of the Complex 186 7.2 Solvation Structure 187 7.2.1 Basic Theory 187 7.2.2 Influencing Factors and Implicit Solvent Model 188 7.2.3 Solvation Analysis 189 7.2.4 De-Solvation 190 7.3 Lithium Diffusion 192 7.3.1 Lithium Diffusion in SEI 192 7.3.2 Lithium Diffusion in Electrode Material 194 7.3.2.1 Calculation of Electrode Materials 194 7.3.2.2 Equilibrium Voltage 194 7.3.2.3 Ionic Mobility 195 7.4 Conclusion 195 References 196 8 Outlook 199 Index 203

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Book SynopsisRechargeable Ion Batteries Highly informative and comprehensive resource providing knowledge on underlying concepts, materials, ongoing developments and the many applications of ion-based batteries Rechargeable Ion Batteries explores the concepts and the design of rechargeable ion batteries, including their materials chemistries, applications, stability, and novel developments. Focus is given on state-of-the-art Li-based batteries used for portable electronics and electric vehicles, while other emerging ion-battery technologies are also introduced. The text addresses innovative approaches by reviewing nanostructured anodes and cathodes that pave new ways for enhancing the electrochemical performance. The first three chapters are dedicated to the general concepts of electrochemical cells, enabling readers to understand all necessary concepts for batteries from a single book. The following chapter covers the exciting applications of lithium-ion and sodium-ion batteries, while the subsequent chapters on Li-battery components include new types of anodes, cathodes, and electrolytes that have been developed recently, complemented by an overview of designing mechanically stable ion-battery systems. The last three chapters summarize recent progress in lithium-sulfur, sodium-ion, magnesium-ion and zinc and emerging ion-battery technologies. In Rechargeable Ion Batteries, readers can expect to find specific information on: Electrochemical cells, primary batteries, secondary batteries, recycling of batteries, applications of lithium and sodium batteries Next-generation cathodes, anodes and electrolytes for secondary lithium-ion batteries, which allow for improved performance and safety Multiphysics modeling for predicting design criteria for next generation ion-insertion electrodes Developments in lithium-sulfur batteries, sodium-ion batteries, and future ion-battery technologies Rechargeable Ion Batteries provides informative and comprehensive coverage of the subject to interested researchers, academics, and professionals in various fields, including materials science, electrochemistry, physical chemistry, mechanics, engineering, recycling and industry including the battery manufacturers and supply chain ancillaries, automotive, aerospace, and marine sectors, energy storage installers and environmental stakeholders. Readers can easily acquire a base of knowledge on the subject while understanding future developments in the field.Table of Contents1 INTRODUCTION TO ELECTROCHEMICAL CELLS 1.1 What are Batteries? 1.2 Quantities Characterizing Batteries 1.3 Primary and Secondary Batteries 1.4 Battery Market 1.5 Recycling and Safety Issues 2 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF PRIMARY BATTERIES 2.1 Introduction 2.2 The Early Batteries 2.3 The Zinc/Carbon Cell 2.4 Alkaline Batteries 2.4.1 Electrochemical Reactions 2.5 Button Batteries 2.6 Li Primary Batteries 2.7 Oxyride Batteries 2.8 Damage in Primary Batteries 2.9 Conclusions 3 MATERIALS FOR AND CHEMISTRY OF SECONDARY BATTERIES 3.1 The Lead-Acid Battery 3.2 The Nickel-Cadmium Battery 3.3 Nickel-Metal Hydride (Ni-MH) Batteries 3.4 Secondary Alkaline Batteries 3.5 Secondary Lithium Batteries 3.6 Lithium-Sulfur Batteries 3.7 Conclusions 4 APPLICATIONS OF SECONDARY LI BATTERIES 4.1 Portable Electronic Devices 4.2 Hybrid and Electric Vehicles 4.3 Medical Applications 4.4 Application of Secondary Li Ion Battery Systems in Vehicle Technology 5 NEXT GENERATION CATHODES FOR SECONDARY LI-ION BATTTERIES 5.1 Energy Density and Thermodynamics 5.2 Materials Chemistry and Engineering of Voltage Plateau 5.3 Multitransition Metal Oxide Engineering for Capacity and Stability 5.4 Conclusion 6 NEXT-GENERATION ANODES FOR SECONDARY LI-ION BATTERIES 6.1 Introduction 6.2 Chemical Attack by the Electrolyte 6.3 Mechanical Instabilities during Electrochemical Cycling 6.4 Nanostructured Anodes 6.5 Thin Film Anodes 6.6 Nanofiber/Nanotube/Nanowire Anodes 6.7 Active/Less Active Nanostructured Anodes 6.8 Other Anode Materials 6.9 Conclusions 7 NEXT-GENERATION ELECTROLYTES FOR LI BATTERIES 7.1 Introduction 7.2 Background 7.3 Preparation and Characterization of Polymer Electrolytes 7.3.1 Preparation of Polymer Electrolytes 7.3.2 Characterization of Molten-Salt-Containing Polymer Gel Electrolytes 7.3.3 Characterization of Organic-Modified MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.4 Ion-Exchanged Li-MMT-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.3.5 Mesoporous Silicate (MCM-41)-Containing Polymer Composite Electrolytes 7.4 Conclusions 8 DESIGNING MECHANICALLY STABLE ION-BATTERY SYSTEMS 8.1 Introduction 8.2 Mechanics Considerations During Battery Life 8.3 Modeling Elasticity and Fracture During Electrochemical Cycling 8.4 Multiscale Phenomena and Considerations in Modeling 8.5 Particle Models of Coupled Diffusion and Stress Generation 8.6 Diffusional Processes During Cycling 8.7 Conclusions 9 DEVELOPMENTS IN LI-S BATTERIES 9.1 Introduction to Li-S Batteries 9.2 Electrochemical Principles 9.3 Sulfur Utilisation and Cycle Life 9.4 Potential Solutions to Outstanding Problems 9.5 Carbon Materials 9.6 Metal Oxide-Sulfur Composites 9.7 Polymers 9.8 Some New Developments 9.9 Conclusions 10 NA-ION BATTERIES 10.1 Introduction 10.2 Cathode Materials for Na-ion Batteries 10.3 Anode Materials for Na-ion Batteries 10.4 Electrolyte for Na-ion Batteries 10.5 Conclusions 11 NOVEL ION-BATTERY TECHNOLOGIES 11.1 Introduction 11.2 Mn-ion Batteries 11.3 K-ion Batteries 11.4 Other-ion Batteries 11.5 Conclusions

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Book SynopsisTitanium Carbide MXenes Discover the future of solar energy with this introduction to an essential new family of materials MXenes are a recently-discovered family of two-dimensional organic compounds formed from transition metal carbides. Their unique properties, such as high stability and electron conductivity, have made them a sought-after commodity with many industrial applications in cutting-edge industries. In particular, titanium carbide MXenes look poised to have significant applications in the solar energy industry, with potentially revolutionary consequences for the sustainable energy future. Titanium Carbide MXenes offers a thorough and accessible introduction to this family of compounds and their possible applications. It begins by surveying the fundamentals of the MXene groups, before characterizing titanium carbide MXenes and their processes of synthesis. It then moves on to discuss applications, current and future. The result is a must-read for researchers and professionals looking to synthesize and construct these materials and apply them in sustainable industry. Titanium Carbide MXenes readers will also find: Detailed treatment of MXenes including nitrides composites, perovskites composites, and more Discusses applications in photocatalytic CO2 reduction, hydrogen production, water splitting, and more Roughly 100 figures illustrating key concepts Titanium Carbide MXenes is a must-have for materials scientists, catalytic chemists, and scientists in industry.Table of ContentsPreface xi 1 Introduction to Titanium Carbide (Ti3C2) MXenes for Energy and Environmental Applications 1Muhammad Tahir 1.1 Introduction 1 1.2 Layout of the Book 4 2 Fundamentals, Properties, and Characteristics of Titanium Carbides MXenes (Ti3C2Tx) 9Areen Sherryna and Muhammad Tahir 2.1 Introduction 9 2.2 Fundamentals of MXene 10 2.3 Photocatalytic Attributes of MXene 17 2.4 Conclusion and Future Perspectives 24 3 Synthesis and Characterization of Titanium Carbide (Ti3C2) MXenes 33Azmat Ali Khan, Muhammad Tahir, and Nazish Khan 3.1 Introduction 33 3.2 Different Synthesis Techniques of MXene 35 3.3 Characterization of MXenes 46 3.4 X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 50 3.5 Raman Spectroscopy and Photoluminescence (PL) 50 3.6 Conclusions 51 4 Synthesis and Characterization of TiC MXene-Based Composites for Energy Storage and Conversion 57Azmat A. Khan, Muhammad Tahir, Areen Sherryna, Muhammad Madi, Abdelmoumin Y. Zerga, Nazish Khan, and Naveen Kumar 4.1 Introduction 57 4.2 Synthesis of TiC-Based Composites 58 4.3 Characterization of Ti3C2-Based Composites 69 4.4 Conclusion 82 5 Titanium Carbide (TiC) MXene-Based Titanium Dioxide Composites for Energy and Environment Applications 87Riyadh R. Ikreedeegh and Muhammad Tahir 5.1 Introduction 87 5.2 Recent Developments in TiC-Based TiO2Composites 88 5.3 TiC-Based TiO2 Composite for CO2 Reduction 96 5.4 TiC-Based TiO2 Composite for Hydrogen Production 100 5.5 TiC-Based TiO2 Composite for Degradation 102 6 Titanium Carbide (TiC) MXene-based Graphitic Carbon Nitride Composites for Energy and Environment Applications 115Abdelmoumin Y. Zerga and Muhammad Tahir 6.1 Introduction 115 6.2 Principle of Photocatalysis for Using MXene/g-C3N4 Composites 116 6.3 Applications of TiC MXene-based Carbon Nitride for H2 Evolution 118 6.4 Conclusions 127 7 Titanium Carbide MXene-Based MOF Composites for Energy and Environment Applications 133Animesh T. Partho, Muhammad Tahir, and Naveen Kumar 7.1 Introduction 133 7.2 Overview of MXenes and MOFs for Photocatalytic Applications 135 7.3 Photocatalytic Hydrogen Production 144 7.4 Photocatalytic Degradation Application 153 7.5 Photocatalytic CO2 Reduction Application 156 7.6 Conclusion and Outlook 158 8 Titanium Carbide (TiC) MXene-Based Layered Double Hydroxide (LDH) Composites for Energy and Environment Applications 169Azmat A. Khan, Muhammad Tahir, and Nazish Khan 8.1 Introduction 169 8.2 Basic Principles of Energy Storage and Conversion 170 8.3 Properties of TiC MXene 175 8.4 Properties of LDH 176 8.5 Structural and Optical Properties of LDH/TiC MXene 177 8.6 LDH-Based TiCMXene Composite Applications 179 8.7 Photocatalytic CO2 Reduction Application 185 8.8 Photocatalytic Degradation Application 187 8.9 Conclusions and Future Recommendations 189 9 Titanium Carbide MXene-Based Perovskites Composites for Energy and Environment Applications 193Mohamed Madi, Muhammad Tahir, and Naveen Kumar 9.1 Introduction 193 9.2 Properties and Application of Perovskite 194 9.3 Principle of Photocatalysis Using MXene/Perovskite Composite 195 9.4 Applications of TiC MXene-Based Perovskite Composite for CO2 Reduction 197 9.5 Applications of TiC MXene-Based Perovskite Composite for Degradation 199 9.6 Prospects and Challenges 201 9.7 Conclusions 202 10 Titanium Carbide (Ti3C2) Based MXenes for Energy Storage Applications 207Ebrima Ceesay, Shamaila Fatima, Muhammad Z. Iqbal, and Syed Rizwan 10.1 Introduction 207 10.2 Requirements for Energy Storage 208 10.3 Classification of MXenes 209 10.4 Synthesis of Titanium and Vanadium Carbide MXenes 212 10.5 Typical Characterization of MXenes 213 10.6 Electrochemical Energy Storage (EES) Devices 219 10.7 Thermodynamic and Cycle Stability of MXenes 224 10.8 Future Recommendations 226 10.9 Summary 227 Acknowledgments 227 References 228 Index 239

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Book SynopsisDie Neuauflage gibt eine Einführung in die konzeptionell und mathematisch anspruchsvolle Elektrodynamik. Ausgehend von experimentellen Erkenntnissen über elektrische und magnetische Felder werden die Studierenden an die Maxwell-Gleichungen im Vakuum und in Materie herangeführt.Table of ContentsAbbildungsverzeichnis xiii Tabellenverzeichnis xvii Vorwort xix Vorwort der Vorauflage xxi 1 Einleitung 1 1.1 Felder in Mechanik und Elektrodynamik 1 1.2 Aufbau des Bands ,,Elektrodynamik“ 3 1.3 Gültigkeitsgrenzen der Elektrodynamik 5 2 Experimentelle Begründung der Maxwell-Gleichungen 7 2.1 Elektrostatik 7 2.1.1 Ladung und elektrisches Feld 7 2.2 Magnetostatik 15 2.2.1 Ladungserhaltung und Kontinuitätsgleichung 15 2.2.2 Wechselwirkung zwischen Strömen: Ampère’sches Gesetz 18 2.2.3 Die Wirkung mehrerer Ströme: Superposition der Kräfte bzw. Felder 22 2.2.4 Differential- und Integraldarstellung 24 2.2.5 Vektorpotential 26 2.3 Maxwell-Gleichungen 28 2.3.1 Faraday’sches Induktionsgesetz 28 2.3.2 Ampère’sches Gesetz und Ladungsverteilung 31 2.3.3 Quasistationäre Ströme und Maxwell’sche Verschiebungsströme 31 2.3.4 Maxwell-Gleichungen im Vakuum 33 2.3.5 Potentiale und Eichung 35 Kontrollfragen 41 Aufgaben 42 3 Ladungen in elektromagnetischen Feldern 47 3.1 Fundamentale Wechselwirkungen 47 3.2 Relativitätsprinzip 49 3.3 Das Konzept der Feldtheorie 50 3.4 Freies Teilchen 52 3.5 Viererpotential 56 3.6 Kovariante Bewegungsgleichungen 57 3.7 Anschluss an die Elektrodynamik 58 3.8 Eichinvarianz 63 3.9 Lorentz-Transformation der Felder 65 3.10 Feldinvarianten 67 Kontrollfragen 68 Aufgaben 69 4 Maxwell-Gleichungen 71 4.1 Homogene Feldgleichungen 71 4.2 Feldwirkung 73 4.3 Vierervektor des Stroms 76 4.4 Inhomogene Maxwell-Gleichungen 78 4.5 Vollständige Bewegungsgleichungen 80 4.6 Kontinuitätsgleichung 81 4.7 Energiedichte und Energiestrom 82 4.8 Resümee 84 Kontrollfragen 85 Aufgaben 86 5 Elektrostatik im Vakuum 89 5.1 Elektrostatische Feldgleichungen 89 5.2 Felder von Punktladungen und Ladungsverteilungen 92 5.2.1 Elektrisches Feld 92 5.2.2 Skalares Potential 94 5.2.3 Green’sche Funktion 94 5.3 Beispiele der Feldberechnung 95 5.3.1 Gleichförmig bewegte Punktladung 95 5.3.2 Dipol aus ungleichnamigen Ladungen 97 5.3.3 Radialsymmetrische Ladungsverteilungen 100 5.3.4 Geladene Flächen 102 5.4 Fernfeld lokalisierter Ladungsverteilungen 105 5.4.1 Kartesische Multipolentwicklung 105 5.4.2 Sphärische Multipolentwicklung 106 5.5 Elektrische Energie von Ladungssystemen 109 5.5.1 Wechselwirkende diskrete Ladungen 109 5.5.2 Wechselwirkende Dipole 111 5.6 Kräfte im elektrischen Feld 113 5.6.1 Kräfte auf Einzelladungen 113 5.6.2 Kräfte auf Ladungssysteme 114 5.6.3 Dipole in externen Feldern 115 Kontrollfragen 116 Aufgaben 117 6 Elektrostatik in Materie 121 6.1 Elektrostatisches Feld von Leitern 121 6.2 Potential von Leitern 123 6.2.1 Leiter bei vorgegebenem Potential 123 6.2.2 Green’sche Sätze 124 6.2.3 Leiter bei vorgegebener Ladung 126 6.3 Green’sche Funktion 127 6.3.1 Generelle Problemstellung 127 6.3.2 Spiegelladungsmethode 128 6.3.3 Reihenentwicklungsmethode 131 6.3.4 Variationsverfahren 134 6.4 Raumladungsfreie Probleme 136 6.4.1 Plattenkondensator 136 6.4.2 Kapazitätskoeffizienten 139 6.4.3 Kanten 140 6.4.4 Inversionsmethode 142 6.4.5 Konforme Abbildungen 143 6.5 Dielektrika 153 6.5.1 Potential 153 6.5.2 Verschiebungsfeld 154 6.5.3 Materialgleichungen 155 6.5.4 Stetigkeitsbedingungen an Grenzflächen 156 6.5.5 Beispiele 158 Kontrollfragen 169 Aufgaben 170 7 Magnetostatik 173 7.1 Biot-Savart’sches Gesetz 173 7.2 Magnetisches Moment 176 7.3 Magnetische Multipole 179 7.4 Magnetische Monopole 180 7.5 Lineare Stromschleifen 182 7.6 Magnetische Feldenergie 184 7.7 Kräfte im Magnetfeld 185 7.8 Magnetostatik in Materie 188 7.8.1 Magnetisierung 188 7.8.2 Magnetische Suszeptibilität und Permeabilität 190 7.8.3 Magnetisierungsstromdichte 192 7.8.4 Magnetfeld und magnetische Induktion 193 7.9 Magnetische Materialien 194 7.9.1 Diamagnetische Materialien 194 7.9.2 Paramagnetische Materialien 194 7.9.3 Ferromagnetische Materialien 194 7.10 Verhalten an Grenzflächen 196 7.11 Klassische Supraleitertheorie 198 Kontrollfragen 201 Aufgaben 202 8 Zeitabhängige elektromagnetische Felder 205 8.1 Maxwell-Gleichungen in Materie 205 8.2 Materialgleichungen 207 8.2.1 Suszeptibilität und lineare Antwort 207 8.2.2 Atomare Modelle für die Suszeptibilität 215 8.2.3 Leitfähigkeiten 217 8.2.4 Das klassische Drude-Modell für die Leitfähigkeit 218 8.2.5 Plasmaschwingungen 219 8.2.6 Magnetische Suszeptibilität 221 8.3 Bilanzgleichungen 223 8.3.1 Energiebilanz 223 8.3.2 Impulsbilanz und Spannungstensor 226 8.3.3 Drehimpulsbilanz 230 8.4 Rand- und Stetigkeitsbedingungen 231 8.5 Freie elektromagnetische Wellen 232 8.5.1 Wellen im Vakuum und in dispersionsfreier Materie 232 8.5.2 Monochromatische Wellen 238 8.5.3 Wellen in dielektrischen Medien 241 8.5.4 Wellen in leitfähigen Materialien 244 8.5.5 Komplexe Wellenvektoren 245 8.5.6 Brechung und Reflexion 252 8.5.7 Klassischer Tunneleffekt 261 8.6 Quasistationäre Felder 261 8.6.1 Felddiffusion 261 8.6.2 Skineffekt 264 8.6.3 Wirbelstromverluste 266 8.7 Telegrafengleichung 267 Kontrollfragen 268 Aufgaben 268 9 Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen 271 9.1 Inhomogene Wellengleichungen 271 9.2 Lösung der inhomogenen Wellengleichung 273 9.2.1 Konstruktiver Zugang 273 9.2.2 Green’sche Funktion der Wellengleichung 275 9.2.3 Green’schen Funktion in Fourier-Darstellung 278 9.3 Klassische Dipolstrahlung 282 9.3.1 Fernfeldnäherung 282 9.3.2 Nahfeldnäherung 286 9.4 Antennen 287 9.5 Ausstrahlung eines zeitlich variablen mathematischen Dipols 288 9.5.1 Ladungs- und Stromdichte des mathematischen Dipols 288 9.5.2 Potentiale des zeitabhängigen mathematischen Dipols 289 9.5.3 Berechnung der Felder 289 9.5.4 Poynting-Vektor und abgestrahlte Leistung 293 9.6 Dipolstrahlung freier Ladungen 294 9.7 Nicht relativistische Elektronen im Magnetfeld 294 9.8 Klassische atomare Katastrophe 296 9.9 Streuung an Elektronen 297 9.10 Ausstrahlung einer bewegten Punktladung 299 9.10.1 Ladungs- und Stromdichten, Potentiale 299 9.10.2 Bestimmung der Feldstärken 301 9.10.3 Berechnung des Poynting-Vektors 302 9.11 Bremsstrahlung 303 9.11.1 Lineare Bremsbeschleunigung 303 9.11.2 Kreisbewegung 304 9.12 Čerenkov-Strahlung 305 Kontrollfragen 310 Aufgaben 311 10 Optik 313 10.1 Kirchhoff’sche Wellenformel 313 10.1.1 Die reduzierte Wellengleichung und ihre Lösung 313 10.1.2 Große optische Weglängen 316 10.1.3 Ebener Schirm mit kleinen Öffnungen 317 10.2 Fraunhofer’sche Beugung 319 10.2.1 Grundformel 319 10.2.2 Beugung am Rechteck 319 10.2.3 Beugung am Gitter 321 10.2.4 Beugung an der Kreisblende 322 10.2.5 Streuung an statistisch verteilten Zentren 324 10.3 Geometrische Optik 325 Kontrollfragen 330 Aufgaben 331 Lösungen zu den Aufgaben 333 Anhang A Naturkonstanten, Einheiten 433 Anhang B Fundamentallösung der Poisson-Gleichung 435 Anhang C Dreidimensionale Vektoranalysis 437 C.1 Nabla-Kalkül 437 C.2 Allgemeine orthogonale Koordinaten 438 C.3 Zylinderkoordinaten 439 C.4 Kugelkoordinaten 440 Anhang D Kugelflächenfunktionen 441 Literaturverzeichnis 445 Stichwortverzeichnis 447

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Book SynopsisPhotonic Quantum Technologies Brings together top-level research results to enable the development of practical quantum devices In Photonic Quantum Technologies: Science and Applications, the editor Mohamed Benyoucef and a team of distinguished scientists from different disciplines deliver an authoritative, one-stop overview of up-to-date research on various quantum systems. This unique book reviews the state-of-the-art research in photonic quantum technologies and bridges the fundamentals of the field with applications to provide readers from academia and industry, in one-location resource, with cutting-edge knowledge they need to have to understand and develop practical quantum systems for application in e.g., secure quantum communication, quantum metrology, and quantum computing. The book also addresses fundamental and engineering challenges en route to workable quantum devices and ways to circumvent or overcome them. Readers will also find: A thorough introduction to the fundamentals of quantum technologies, including discussions of the second quantum revolution (by Nobel Laureate Alain Aspect), solid-state quantum optics, and non-classical light and quantum entanglement Comprehensive explorations of emerging quantum technologies and their practical applications, including quantum repeaters, satellite-based quantum communication, quantum networks, silicon quantum photonics, integrated quantum systems, and future vision Practical discussions of quantum technologies with artificial atoms, color centers, 2D materials, molecules, atoms, ions, and optical clocks Perfect for molecular and solid-state physicists, Photonic Quantum Technologies: Science and Applications will also benefit industrial and academic researchers in photonics and quantum optics, graduate students in the field; engineers, chemists, and computer and material scientists.Table of ContentsIntroduction to Quantum Photonics PART I: FUNDAMENTALS OF QUANTUM TECHNOLOGIES The second quantum revolution: from basic concepts to quantum technologies Solid state quantum emitters Single photon sources for multi-photon applications Quantum Key Distribution Protocols From basic science to technological development: the case for two avenues Quantum Networks in Space PART II: ATOMS, IONS, AND MOLECULES: FROM EXPERIMENTAL TECHNIQUES TO RECENT PROGRESS Fluorescence spectroscopy in planar dielectric and metallic systems Single Trapped Neutral Atoms in Optical Lattices Long Distance Entanglement of Atomic Qubits Collective Light emission of ion crystals in correlated Dicke states Single Molecule Magnets Spin Devices Molecular-ion quantum technologies Optical atomic clocks PART III: SPIN QUBITS AND QUANTUM MEMORIES: FROM SPIN PROPERTIES TO PHYSICAL REALIZATIONS Coherent Spin Dynamics of Colloidal Nanocrystals Relaxation of Electron and Hole Spin Qubits in III-V Quantum Dots Ensemble-Based Quantum Memory: Principle, Advance, and Application PART IV: SOLID-STATE AND VAN DER WAALS MATERIAL PLATFORMS: FROM SINGLE QUANTUM EMITTERS TO HYBRID INTEGRATION Telecom wavelengths InP-based quantum dots for quantum communication Quantum Optics with Solid-State Colour Centres Quantum photonics with 2D semiconductors Nano-opto-electro-mechanical systems for integrated quantum photonics Silicon Quantum Photonics Platform PART V: EMERGING QUANTUM TECHNOLOGIES: CHALLENGES AND POTENTIAL APPLICATIONS Photonic realization of qubit quantum computing Fiber-Based Quantum Repeaters Long-distance satellite-based quantum communication Quantum Communication Networks for 6G

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Book SynopsisTesla hat viel geschaffen, noch mehr wurde ihm zugeschrieben und angedichtet. Wie wohl kein anderer Erfinder beflügelt er die Phantasie der Menschen: Er soll ein Energiewesen von der Venus gewesen sein und sein Weltsystem hätte sämtliche Energieprobleme der Erde umweltfreundlich lösen können. Michael Krause hält sich an die Tatsachen, und die sind schon spannend genug. Er beschriebt wie Tesla vom Balkan kommend über Paris in die USA auswanderte, dort seine wichtigsten Erfindungen machte und schließlich Spielball der Großindustrie wurde. Tesla war aber mehr als nur ein willfähriges Subjekt: Er folgte immer seinen Visionen, nur konnte er sich meist nicht durchsetzen. So ist dieses Buch ein Krimi um Wissenschaft, Geld, Macht und das Scheitern eines Genies.Trade Review"...die bislang beste deutschsprachige Tesla-Biografie. Anders als so mancher Biograf vor ihm hat Krause eine kritische Distanz zu Tesla bewahrt, um einen nüchternen, aber keineswegs weniger spannenden Blickwinkel zu finden..." (Chemie in unserer Zeit, Frühjahr 2010) "...Michael Krause ist ein Fan der schrägen Forschers, das ist nicht zu überlesen. Dennoch bleibt sein Stil unaufgeregt und enthält sich verschwörungstheoretischer Spekulationen... Gekonnt verwebt der Autor Zeitgeschichte, Biografisches und Einblicke in die Elektrotechnik...." Deutschlandradio, 9. März 2010 "...Das Tesla mit seinen Erfindungen seiner Zeit ein großes Stück voraus war, schildert das Buch "Wie Nikola Tesla das 20. Jahrhundert erfand"...Der Autor Michael Krause trennt die Mythen von den Fakten und liefert ein umfassendes Bild vom Leben und Wirken Nikola Teslas, der, aus dem heutigen Kroatien kommend, 1884 in die Vereinigten Staaten auswanderte, wo er seine größten Erfindungen machte...Das Buch das zahlreiche historische Aufnahmen enthält, ist auch eine gut verständliche Einführung in die Elektrizitätslehre." (Frankfurter Allgemeine Zeitung, 27.01.2010) David Bowie (62): "Tesla ist eine schillernde Figur. Er würde einen ganzen Film tragen."Table of ContentsEinleitung 11 1 Um Mitternacht 15 Familie Tesla in Smiljan 18 Der Unfall 21 Zur serbischen Geschichte 23 2 Das Staunen an der Welt 27 Von Gospić nach Karlovac und Graz (1862–1875) 27 Die Tesla-Methode 31 Tesla-Psychologie 34 Tesla inszeniert sich selbst 35 Matura 37 Nikola soll Priester werden 40 Tesla soll Soldat werden 42 3 Die Sonne als Modell – das Wechselstromsystem 45 Graz 1875–1878 45 Tesla, der Spieler 51 Budapest: Die Entdeckung des Wechselstromsystems 56 Tivadar Puskás – eine kleine Geschichte des europäischen Telefons 58 4 Nach Paris und New York 65 Die Empfehlung 65 Der Zauberer 67 Compagnie Edison Électrique 68 Gleichstrom oder Wechselstrom? 69 Swinging Paris 71 Probleme in Straßburg 72 Der erste Wechselstrommotor 76 Tesla, der Träumer 77 Gedankenprojektionen 78 Teslas Kopfkino 80 Teslas »automatische« Methode 81 Die Neue Welt 82 5 Neue Ideen für eine Neue Welt 85 Neue Ideen für eine Neue Welt 85 Edison Machine Works 87 Thomas Edison 88 Die »elektrische Welt« entsteht 90 Edisons »central stations« 91 Bye-Bye Edison 95 Das vergoldete Zeitalter 97 Tesla Electric Light and Manufacturing Company 99 Tesla Electric Company 101 George Westinghouse 102 Der Transformator 104 William Stanley und die erste AC-Anlage 105 Das rotierende magnetische Feld 107 Teslas »New York Lecture« 108 6 Der Stromkrieg 111 Wer hat’s erfunden: Ferraris oder Tesla? 111 Deptford Power Station – das modernste E-Werk der Welt 113 Westinghouse und die Tesla Electric Company 115 Der Vertrag mit Westinghouse 119 Tesla in Pittsburgh 121 Der »Todesstrom« 125 Teslas hochfrequente Wechselströme 129 Die Tesla-Spule 131 7 Der Stromkrieg II 137 Teslas Triumphe 137 Energieblitze im Äther 139 Der Zauberer von Paris 140 Abschied von der Heimat 142 Triumph in Belgrad, Disput in Bonn 143 Im Stromkrieg 145 Henry Villard 148 General Electric entsteht 149 Panik von 1893 151 Wechselstrom weltweit im Einsatz 152 Tesla entdeckt das Radio 155 Chicago leuchtet 159 8 Wechselstrom (AC) erobert die Welt 167 Weltruhm 167 Buffalo und Niagara 170 Tesla Superstar 174 Luka und Mrs. Filipov 176 Samuel Langhorne Clemens 180 Der Äther 182 High Society 187 Nikola Tesla Company 189 Deutsches Kapital für Niagara 190 Desaster 192 9 Das Leben geht weiter 197 Das Leben geht weiter 197 Kathedralen der Kraft 200 Swami Vivekananda 203 Freunde in der High Society 206 JJ Astor 207 X-Strahlen 208 Tesla am Niagara 212 Radio Tesla vs. Radio Marconi 214 Das Robot-U-Boot 218 10 Teslas »Welt-System« 223 Kohlen Marke »Tesla« 223 Tesla braucht Geld 224 Hotel Astoria 225 Experimentallabor in Colorado Springs 1899–1900 227 Teslas Verstärkungssender (»Magnifying transmitter«) 231 Tesla entdeckt »stehende Wellen« 231 Zurück in der »Peacock Alley« 237 Die Steigerung menschlicher Energie 238 1, 2, 3 … Mars 242 Strahlungsenergie 244 Ein himmlisches Paar 245 11 Wardenclyffe – Teslas WorldWideWireless 249 Der Tycoon geht an Bord 249 Die »Tesla Works« in Wardenclyffe 251 McKinley stirbt, Marconi sendet 255 Der »Wunder-Turm« von Wardenclyffe 257 Der verlorene Traum 262 Flucht nach vorn 264 12 Kampf um Wardenclyffe 269 Kampf um Wardenclyffe 269 Freie Energie für den Weltfrieden 271 Geld! Geld! Geld! 273 Die dunkle Seite 277 Das Ende der »vergoldeten Zeit« 279 Teslas Hybris 282 Tunguska 1908 284 Nobelpreis für Marconi und Braun 284 Die Tesla-Turbine 285 Die Hammond-Connection 288 Freunde gehen 291 Teslas Blue Portrait 292 13 Der zerstörte Traum 297 Der zerstörte Traum 297 Der Wissenschaftler von Gotham City 300 Das Ende der Alten Welt 301 Der Erste Weltkrieg und die Wirtschaft in den USA 303 Die Telefunken-Connection 304 Affäre Lusitania 307 Tesla, Tauben, Gusle 309 Die Affäre Marconi 310 Nobelpreis für Tesla und Edison 311 Bye-bye Waldorf=Astoria, bye-bye Wardenclyffe 312 Die Edison-Medaille 314 Wardenclyffe wird gesprengt 316 14 Magier der Science-Fiction Technologie 319 Teslas neue Heimat – der Electrical Experimenter 319 Radar 323 Die Turbine floppt 325 Tesla privat 329 Teslas letzte Freunde 331 Energie aus dem Universum 333 Das Luxusauto mit Raumantrieb 335 Teslas Todesstrahlenmaschine 337 Tesla, der Dichter 339 Teslas letzter Versuch 340 Tesla gegen Superman 343 15 Tesla stirbt nie 347 Der Neffe 347 Königlicher Besuch 349 Tesla wird zum »Alien« 351 Das Nikola Tesla Museum 355 Teslas Erbe 356 Radio, Todesstrahlen, »Philadelphia Experiment«, »Howitzer«, »Woodpecker«, HAARP 357 Das »Philadelphia Experiment« 359 Der »Tesla-Howitzer« 360 Der »Woodpecker« 361 Haarp 362 Das Schicksal von Wardenclyffe 363 Tesla und »Freie Energie« 364 Drahtlose Energieübertragung – gestern, heute, morgen 367 Ehrungen für Tesla 368 Tesla-TV, Tesla Motors 370 Tesla in den Medien 372 Register 377

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Book SynopsisMithilfe dieses Buches können Sie - einfach und verständlich angeleitet - üben, was Sie in der Elektrotechnik-Klausur unbedingt beherrschen sollten. Von einfachen elektrischen Stromkreisen über das ohmsche Gesetz bis hin zu magnetischen Feldern und den Grundlagen der Gleichstromtechnik sind alle wichtigen Themen vertreten. Schon bald werden Sie Aufgaben zu Widerstand, Kondensator und Kapazität, Spule und Induktion ganz selbstverständlich lösen. Dank zahlreichen Beispielen und ausführlichen Lösungen entdecken Sie Ihre Schwächen und überwinden Sie. Klausuren stellen kein Problem mehr für Sie dar. Die nächste Prüfung kann also kommen.Table of ContentsÜber den Autor 15 Danksagung 15 Einführung 25 Über dieses Buch 26 Konventionen in diesem Buch 27 Was Sie nicht lesenmüssen 27 Törichte Annahmen über den Leser 28 Wie dieses Buch aufgebaut ist 28 Teil I: Elektrizitätsmenge, Ladung und Strom 28 Teil II: Stromkreise und ihre Widerstände 29 Teil III: Elektrisches Feld und Kondensator 29 Teil IV: Magnetisches Feld und Spule 29 Teil V: Elektromagnetische Felder und der Gleichstrommotor 30 Teil VI: Grundlagen der Wechselstromtechnik 30 Teil VII: Der Top-Ten-Teil 30 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 31 Wie es weitergeht 31 Teil I Elektrizitätsmenge, Ladung Und Strom 33 Kapitel 1 Die wesentlichen mathematischen Grundlagen 35 Geradengleichung leicht gemacht 35 Der Logarithmus in seiner vollen Pracht 36 Eins, zwei oder drei – Dreiecke und ihre Winkel 37 Skalare und Vektoren 38 Aus zweimach eins: Vektoren addieren 39 Das Skalarprodukt verbindet Vektoren 40 Das Vektorprodukt mit dem Kreuz 40 Lineare Gleichungssysteme und der Gauß’sche Algorithmus 41 Ohne Schwingungen geht es nicht 43 Für die Ableitung gibt es keine Umleitung 44 Auch an der Integration führt kein Weg vorbei 46 Lösung einer Differenzialgleichung erster Ordnung 47 Das Wunder der komplexen Rechnung 49 Zeigerdarstellung in der Gauß’schen Zahlenebene 49 Addition und Subtraktion komplexer Zahlen 52 Kehrwert einer komplexen Zahl 52 Multiplikation und Division 53 Potenzieren und Radizieren 53 Differenzieren und Integrieren von Schwingungsfunktionen 53 Zu guter Letzt der Kosinussatz 54 Kapitel 2 Aus Ladung wird elektrischer Strom 57 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 58 Verwendete Einheiten 59 Aufgaben 59 Kapitel 3 Spannung braucht Widerstand 71 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 72 Verwendete Einheiten 73 Aufgaben 73 Kapitel 4 Aus Arbeit wird Leistung 83 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 84 Verwendete Einheiten 84 Aufgaben 85 Teil II Stromkreise Und Ihre Widerstände 97 Kapitel 5 Spannung ist Strom mal Widerstand 99 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 101 Verwendete Einheiten 102 Aufgaben 102 Kapitel 6 Ein Blick in die Steckdose 109 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 109 Verwendete Einheiten 110 Das Innenleben der Steckdose 110 Aufgaben 110 Kapitel 7 Widerstände – in Reihe und Parallel 119 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 119 Verwendete Einheiten 120 Aufgaben 120 Kapitel 8 Knoten für Ströme und Maschen für Spannungen 129 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 130 Verwendete Einheiten 130 Aufgaben 130 Teil III Elektrisches Feld Und Kondensator 161 Kapitel 9 Verschiebungsfluss und Flussdichte 163 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 164 Verwendete Einheiten 165 Aufgaben 166 Kapitel 10 Das Speichervermögen des Kondensators 191 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 192 Verwendete Einheiten 192 Aufgaben 193 Kapitel 11 Energie, Energiedichte, Lade- und Entladeverhalten des Kondensators 207 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 208 Verwendete Einheiten 208 Aufgaben 209 Teil IV Magnetisches Feld Und Spule 225 Kapitel 12 Das Durchflutungsgesetz und seine Wirkung 227 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 228 Verwendete Einheiten 229 Aufgaben 229 Kapitel 13 Das Ohm’sche Gesetz und Kräfte im Magnetfeld 257 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 258 Verwendete Einheiten 259 Aufgaben 259 Kapitel 14 Induktion und Selbstinduktion 289 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 290 Verwendete Einheiten 291 Aufgaben 291 Teil V Elektromagnetische Felder Und Der Gleichstrommotor 315 Kapitel 15 Magnetismus erzeugt Bewegung – der Gleichstrommotor 317 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 318 Verwendete Einheiten 319 Aufgaben 319 Teil VI Grundlagen Der Wechselstromtechnik 345 Kapitel 16 Auf und ab – sinusförmige Wechselgrößen 347 Wichtige Formeln für die folgenden Aufgaben 348 Verwendete Einheiten 349 Aufgaben 349 Kapitel 17 Grundschaltungen an sinusförmigen Wechselgrößen 375 Wichtigste Formeln für die folgenden Aufgaben 376 Verwendete Einheiten 377 Aufgaben 377 Teil VII Der Top-Ten-Teil 395 Kapitel 18 Zehn wichtige Erfinder der Elektrotechnik 397 Quantitative Elektrostatik 397 Teilchen beginnen zu wirken – CAde Coulomb 397 Strömung elektrischer Ladungen – der Gleichstrom 398 Froschschenkel und andere Kuriositäten – Luigi Galvani 398 Nerven und Muskeln enthalten Elektrizität – Alessandro Volta 398 Widerstand zwischen Spannung und Strom – GSOhm 399 Die Tücken von Knoten und Maschen – GRKirchhoff 400 Das Wunder des magnetischen Feldes 401 Die unheimliche Kraft des Stroms – HCOersted 401 Elektrische Ströme und Magnetismus sind eins – MFaraday 401 Die Welt der wechselwirkenden Ströme 403 Die Messung des elektrischen Stroms – A.-MAmpère 403 Vom dynamoelektrischen Prinzip zum Firmengründer – Wvon Siemens 403 Der Vater der Frequenzen – Heinrich Rudolf Hertz 405 Kapitel 19 Zehn wichtige Einheiten und deren Bedeutung 407 Ampere 407 Coulomb 407 Farad 407 Henry 408 Joule 408 Newton 408 Ohm 408 Tesla 408 Volt 408 Watt 409 Kapitel 20 Zehn Dekaden der Elektrizität im 19Jahrhundert 411 1800 bis 1810 411 1811 bis 1820 411 1821 bis 1830 412 1831 bis 1840 412 1841 bis 1850 412 1851 bis 1860 413 1861 bis 1870 413 1871 bis 1880 413 1881 bis 1890 414 1891 bis 1899 414 Kapitel 21 Meine zehn Lieblingsbücher für die Übungsaufgaben zur Elektrotechnik 415 Stichwortverzeichnis 417

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Book SynopsisSo richtig Spaß hat man mit Elektronik, wenn man schraubt, lötet und am Ende funktioniert, was man gebaut hat. Gerd Weichhaus führt Sie ein in das korrekte und kreative Basteln mit Elektronik. Sie erfahren, wie Schaltungen und Schaltbilder aufgebaut sind, wie Sie Geräte ausschlachten und Ihr Werk mit Energie versorgen über Akkus, Netzteile, Spannungswandler oder Solartechnik. Außerdem erhalten Sie eine Einführung in Messtechnik und Fehlersuche, Niederfrequenz- und Hochfrequenztechnik, Analog- und Digitaltechnik und vieles mehr. Zum Abschluss stellt Ihnen der Autor noch einige Projekte vor, an denen Sie das frisch Erlernte ausprobieren können.Table of ContentsEinführung 23 Über dieses Buch 23 Konventionen in diesem Buch 23 Was Sie nicht lesen müssen 24 Törichte Annahmen über den Leser 24 Wie dieses Buch aufgebaut ist 24 Teil I: Bauteile, Werkzeuge und sonstige benötigte Dinge 24 Teil II: Schaltzeichen und etwas Theorie 25 Teil III: Die ersten praktischen Erfahrungen 25 Teil IV: Schaltungen zum Nachbauen und Experimentieren 25 Teil V: Weitere Bauteile und Komponenten zum Elektronikbasteln 25 Teil VI: Der Top-Ten-Teil 25 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 26 Teil I: Elektronikbasteln und dessen Sinn im Zeitalter des Internets 27 Kapitel 1 Warum elektronische Schaltungen selber aufbauen 29 Das Basteln mit »echten« Bauteilen 30 Das erste Beispiel zum Aufbau einer Schaltung 30 Die Widerstände 30 Elektrolytkondensatoren 32 Die Transistoren vom Typ BC548 33 Leuchtdioden (LEDs) 34 Die übrigen Bauteile 35 Die (erste) Schaltung für den Selbstaufbau 35 Der Aufbau der Schaltung nach dem Schaltbild 36 Der Aufbau der Schaltung auf dem Steckboard 37 Der LED-Wechselblinker aus der Beispielschaltung 40 Mögliche Veränderungen der Schaltung zum Experimentieren 41 Eine Schaltungsvariante aufbauen 41 Der Wechselblinker mit einstellbarer Blinkfrequenz 42 Der Anfang ist getan 44 Kapitel 2 Basteln mit Widerstand, Transistor und Co 45 Die Stromversorgung für zukünftige Schaltungen und Experimente 46 Einfache Schaltungen mit Widerständen und Kondensatoren 47 Widerstände an Spannungsquellen 47 Reihenschaltungen mit unterschiedlichen Widerständen 49 Spannung, Strom, Widerstand und Wärme 51 Variabel: das Potenziometer als veränderbarer Widerstand 52 Das Potenziometer im Experiment kennenlernen 54 Die Reihenschaltung aus LED und (Vor-)Widerstand 55 Widerstände und Kondensatoren im Stromkreis 56 Kondensator und Elektrolytkondensator (Elko) 56 Die ersten Experimente mit Kondensator und Elko 57 Was passiert, wenn ein Elektrolytkondensator falsch angeschlossen wird? 59 Kondensatoren und Widerstände im Zusammenspiel 59 Eile mit Weile: Kondensatoren zeitverzögert auf- und entladen 60 Schalten und warten mit dem Transistor 61 Weitere Schaltungen in den folgenden Kapiteln 65 Kapitel 3 Elektronische Schaltungen nach Schaltbildern aufbauen und in Betrieb nehmen 67 Die wichtigsten Schaltzeichen 68 Schaltzeichen leicht interpretiert: einige Erläuterungen 68 Gute Verbindung: die Leitungen und Verbindungen in Schaltbildern 70 Einfache Schaltbilder mit Stromkreisen und ein paar Bauteilen 70 Von der Theorie zur Praxis: Schaltbild und Aufbau der Schaltung 71 Energiequelle: die Stromversorgung und ihre Kennzeichnung im Schaltbild 72 Bauelemente in Schaltbildern erkennen 73 Einfache Transistorschaltungen zum Aufbauen und Messen 75 Strommessung an Basis und Emitter 77 Emitter- und Kollektorschaltung 80 Transistor und Relais im Vergleich 81 Schaltbilder selber zeichnen oder erstellen 84 Kapitel 4 Bauteile aus alten Geräten ausbauen und verwenden 85 Zuerst ein paar wichtige Sicherheitshinweise 86 Suche nach verborgenen Schätzen: Bei welchen Geräten lohnt sich das Zerlegen überhaupt? 87 Ein paar Beispiele für zerlegte Geräte und deren Komponenten 89 Weitere Geräte und Bauteile, die daraus ausgebaut werden können 90 Ein paar Beispiele für Geräte mit geeigneten Bauteilen 90 Worauf Sie beim Ausbau der Bauteile achten sollten 93 Halbleiter und integrierte Schaltungen verwenden 95 Welche Art Bauteile Sie wahrscheinlich weniger benötigen 95 Ein Beispiel, wie aus Bauteilen etwas gebaut werden kann 95 Weitere interessante Bauteile zum Auslöten und Aufheben 99 Kapitel 5 Akkutechnologien, Netzteile, Spannungswandler und Solartechnik 101 Batterien und Akkus zur Stromversorgung nutzen 102 Auch Akkus und Batterien können gefährlich werden 103 Batterien für eigene Schaltungen verwenden 103 Konstante Kraft: Netzteile zur Energieversorgung Ihrer elektronischen Schaltungen 105 Trafonetzteile und Schaltnetzteile verwenden 107 Spannungswandler und ihre Wirkungsweise 107 Zur Praxis: der Testaufbau für das Experiment 109 Automatische Ansteuerung der Spule 110 Die Solartechnik und praktische Anwendungen 112 Kapitel 6 Löt- und Entlöttechnik 115 Heiße Sache: der Lötkolben 116 Feine Sache: ein Feinlötkolben mit geringer Leistung 116 Lötstation oder Lötkolben? 117 Übung macht den Meister: zum Lötvorgang 117 Schaltungen auf der Lochrasterplatine aufbauen 118 Löten rückwärts: Entlöten mit Entlötpumpe und Entlötlitze 119 Bauteile nur mit dem Lötkolben auslöten 120 Bauteile mit mehr als zwei oder drei Anschlüssen auslöten 121 Werkzeuge, die Sie sonst noch gebrauchen können 122 Kabel und Adapter herstellen 123 Teil II: Messtechnik und Fehlersuche 125 Kapitel 7 Messungen mit dem Oszilloskop durchführen 127 Was ist ein Oszilloskop und wie funktioniert es? 128 Zur Funktion eines Oszilloskops 128 Analoge und digitale Oszilloskope 129 Die grafische Darstellung von Spannungsverläufen 130 Die wichtigsten Bedienelemente eines Oszilloskops 132 Einfache Messungen mit dem Oszilloskop 135 Die Auswertung des Signals 137 Sinuswellen mit dem Phasenschieber erzeugen 138 Kapitel 8 Fehlersuche in elektronischen Schaltungen und Geräten 141 Zur Fehlersuche in elektronischen Schaltungen oder Geräten 142 Die Sicherheit sollte stets an erster Stelle stehen 142 Andere Gefahren bei der Reparatur von elektronischen Geräten 144 Bevor Sie an die Fehlersuche gehen 145 Sicherungen ebenfalls überprüfen 146 Mit Akkus oder Batterien betriebene Geräte 148 Die Sicht- und Riechprobe am Anfang der Fehlersuche 148 Beschädigte Platinen und schlechte Lötstellen 150 Kalte Lötstellen und schlechte Lötverbindungen 152 Kurzschlüsse finden und beseitigen 152 Was ein Kurzschluss ist und wie er sich bemerkbar macht 153 Wenn Bedienelemente die Fehlerquellen sind 155 Wichtige Hilfsmittel für die Fehlersuche 156 In eigenen Schaltungen Fehler vermeiden 156 Kapitel 9 Die Signalverfolgung in elektronischen Schaltungen und Geräten 159 Die Fehlersuche mit System 160 Was genau ist die Signalverfolgung? 160 Auf Spurensuche: die Signalverfolgung in dieser Verstärkerschaltung 163 Ein Signal in die Verstärkerschaltung einspeisen 167 Einen Prüfverstärker als zusätzliches Hilfsmittel aufbauen und einsetzen 167 Die Signalverfolgung in heutigen, modernen Geräten und Schaltungen 168 Die Folgen der Miniaturisierung für die Fehlersuche sowie die Signalverfolgung in der SMD-Technik 170 Kapitel 10 Kontaktschwierigkeiten: kalte Lötstellen, defekte Steckverbindungen und andere häufige Fehler 173 Die Fehlersuche mit dem Durchgangsprüfer 174 Häufige Fehler in gedruckten Schaltungen und elektronischen Geräten 174 Kalte Lötstellen aufspüren und reparieren 174 Mechanische Beanspruchungen durch Bedienelemente 175 Fehlerhaft durchgeführte Lötvorgänge und deren Auswirkungen 176 Die Reparatur von kalten oder schlechten Lötstellen 178 Fehlerhafte Kabelverbindungen und Steckverbindungen aufspüren und reparieren 180 Einige häufige Fehlerbilder an Kabeln und Kabelverbindungen 180 Der Fehler im Detail: Steckverbindungen immer genau ansehen 184 Auf Spurensuche: Unterbrechungen und Wackelkontakte aufspüren und beseitigen 185 Durchgangsprüfer für die Fehlersuche einsetzen 186 Verdächtige Kabel- und Leiterplattenverbindungen probeweise überbrücken 188 Teil III: Weitere interessante Bereiche der Elektronik 191 Kapitel 11 Niederfrequenz- und Hochfrequenztechnik 193 Zu den Begriffen Niederfrequenztechnik und Hochfrequenztechnik 194 Die Niederfrequenztechnik beziehungsweise Niederfrequenz 194 Die Hochfrequenztechnik und ihre Besonderheiten 195 Elektromagnetische Wellen 195 Elektromagnetische Wellen hörbar machen 195 Selber NF- und HF-Signale erzeugen 197 Hochfrequenzsignale und deren Erzeugung 201 Die beiden wesentlichen Bereiche der Schaltung 202 Der eigentliche Oszillator für die Hochfrequenz 202 Ein Testaufbau dieser Schaltung 203 Schwingungen erzeugen mit einem Schwingkreis 204 Damit das Ganze am Schwingen bleibt 205 Hochfrequente Wellen zur Signalübertragung nutzen 206 Besserer Klang: die Frequenzmodulation 206 Die Lautstärke verändert die Amplitude: die Amplitudenmodulation 206 AM und FM im Vergleich 207 Kapitel 12 Mikrocontroller-Grundlagen 209 Was sind Mikrocontroller eigentlich? 209 Futter für den Mikrocontroller: Ohne Software geht nichts 210 Vorteile von Mikrocontrollern gegenüber anderen Schaltungen 210 Mikrocontroller verschiedener Arten 211 Der Arduino als Entwicklungsumgebung 212 Wie kommt der Code auf den Mikrocontroller? 212 Die notwendige Software für den Computer 213 Beispiel für eine Anwendung eines Mikrocontrollers 214 Was benötigen Sie für die ersten Schritte? 214 Erste Schritte mit einem Mikrocontroller 215 Welcher Arduino soll es sein? 215 Die Software herunterladen, installieren und einrichten 216 Futter für den Arduino: der Programmcode 218 Den Code verändern - trauen Sie sich ruhig 219 Mehr Input: Anschlüsse als Eingänge schalten und auslesen 220 Töne mit dem Arduino erzeugen 222 Die Klangerzeugung durch den Arduino 223 Auch hier gilt: Probieren geht über Studieren 223 Musikalischer Arduino: Eine Melodie abspielen 225 Andere Arduinos oder Mikrocontroller verwenden 226 Kapitel 13 Audiotechnik – Verstärker, Lautsprecher und einfache Effekttechnik 227 Die Verstärkertechnik und die Grundlagen 228 Aus klein mach groß: elektrische Signale verstärken 228 Eine einfache Verstärkerschaltung als Mikrofonverstärker 229 Mehr Leistung: Verstärker mit TDA2003 230 Ohne Lautsprecher kein Klang 232 Ein Lautsprecher etwas genauer untersucht 233 Kleines Experiment: Funktioniert der Lautsprecher auch ohne Membran? 234 Vielfältig und klangstark: Lautsprecher unterschiedlicher Art 235 Lautsprecher mal anders genutzt als Mikrofon 237 Lautsprecher (noch) mal anders: der Piezoschallwandler 238 Geteilte Arbeit: Lautsprecher für verschiedene Frequenzbereiche 240 Arbeitsteilung: Hoch-, Tief- und Mitteltöner für verschiedene Frequenzbereiche 240 Klangverteiler: Frequenzweichen in Lautsprecherboxen 241 Auf andere Art den Klang beeinflussen: Klangeffekte 244 Kapitel 14 Analog- und Digitaltechnik und Signale umwandeln 249 Analog und digital im Alltag 250 Analoge und digitale Signale und die Unterschiede 250 Analog ist stufenlos 250 Die Helligkeit stufenweise einstellen 251 Schalter = digital, Poti = analog? 254 Analog in digital umwandeln und umgekehrt 256 Analog zu digital: die Auswertung analoger Spannungswerte 257 Die LED-Zeile für die Spannungsanzeige 257 Zahlen sprechen lassen: Ziffern statt LEDs 259 Analog zu digital umwandeln und der Zeitfaktor 265 Kapitel 15 Einige Grundlagen zur Röhrentechnik 267 Der Aufbau von Elektronenröhren 268 Der Aufbau und die Funktion von Elektronenröhren 268 Die erste Inbetriebnahme einer Elektronenröhre 270 Den Elektronenstrom steuern mit dem Gitter 271 Röhrenarten und Röhren identifizieren 274 Kein Geheimcode: die Typenbezeichnungen von Elektronenröhren 274 Die einfache Identifizierung anhand von Beispielen 274 Diode, Triode, Pentode und andere Röhrenarten 277 Einige Röhrenexperimente und Schaltungen zum Ausprobieren 278 Astabile Kippstufen mit Röhren 278 Einfache Verstärker mit Röhren aufbauen 280 Etwas stärker: Mikrofonverstärker mit BC548 und EL95 282 Weitere Infos zu Elektronenröhren 284 Kaputte Röhren identifizieren 284 Magische Augen und andere Anzeigeröhren 285 Kapitel 16 Wie funktioniert eigentlich … 287 Analoge Audiosignale digitalisieren und speichern 288 Probieren Sie es doch selbst mal aus 289 Die Tonaufzeichnung auf Speicherchips und die Vorteile 290 Speichermodule zur Audioaufzeichnung verwenden 290 Einige Bauteile und deren Funktionen sowie Besonderheiten 293 Lichtempfindlich: die Fotodiode und wie sie eingesetzt wird 293 Empfindlich in Sachen Magnetfelder: der Reedkontakt 295 Temperaturempfindlich: der NTC (Heißleiter) 297 Leuchtendes Beispiel: die Glimmlampe 299 LED-Anzeigen ansteuern mit Mikrocontrollern 302 Die Problemstellung: um was es eigentlich geht 302 Die Lösung: Anschlüsse und Leitungen sparen dank Multiplexing 302 Mehr als Zahlen: Zeitmultiplexing bei Matrixanzeigen 304 Teil IV: Einige Projekte zum Nachbauen und Experimentieren 307 Kapitel 17 Verschiedene Oszillatorschaltungen aufbauen und mit ihnen experimentieren 309 Verschiedene Arten von Oszillatorschaltungen 310 Zu den einzelnen Oszillatorschaltungen 310 Die Hartley-Oszillatorschaltung mit selbst hergestelltem Ausgangstrafo 310 Die Herstellung der Spule 311 Das zweite Beispiel: die Colpitts-Oszillatorschaltung 313 Die dritte Schaltung ohne Spule 315 Der Meißner-Oszillator mit Schwingkreis 317 Impulsgebend: Schaltungen für Impulsgeneratoren 319 Unmodulierte und modulierte Oszillatorschaltungen 321 Kapitel 18 Sinussignale erzeugen mit dem Phasenschieber-Oszillator 323 Was bedeutet der Begriff Phasenschieber? 323 Wie die zeitliche Verschiebung erreicht wird 324 Zum zeitlichen Versatz des Spannungsverlaufs 326 Rückgekoppelte Verstärker erzeugen Sinussignale 326 Der Phasenschieber-Oszillator 327 Das Ausgangssignal der Schaltung weiterverwenden 328 Eine Variante der Schaltung mit zwei Transistoren 328 Die Ansteuerung einer LED mit dem Phasenschieber 330 Kapitel 19 Schaltungen mit LED-Levelanzeigen 333 Einfache LED-Zeilen und deren Aufbau 334 Die LED-Zeile als Füllstandanzeige 334 Ein Lauflicht mit der LED-Zeile 337 Eine LED-Levelanzeige mit dem LM3914 340 Minimal- und Maximalwert einstellen 341 Anzeige eines festgelegten Spannungsbereichs 342 Kapitel 20 Empfindliches Verstärkermikrofon und andere Verstärkerschaltungen 345 Hörhilfe: ein sehr empfindlicher Mikrofonverstärker mit konstanter Wiedergabelautstärke 346 Zum Aufbau der Schaltung 346 Eine Variante dieses Mikrofonverstärkers zum Anschluss an den Computer oder an einen Verstärker 349 Ein Verstärker für elektrodynamische Mikrofone 351 Eine Verstärkerschaltung zum Experimentieren 353 Kapitel 21 Elektronische Signalgeber für Türklingeln oder als Alarm-/Signalgeber 357 Einen klingelähnlichen Signalton erzeugen 358 Experimentieren erwünscht: verschiedene Möglichkeiten 358 Die Länge eines Signaltons bestimmen 359 Eigene Klänge als Klingeltöne verwenden 360 Eine Alarmsirene mit zwei Transistoren 362 Der Aufbau der Schaltung für experimentierfreudige Bastler 363 Kapitel 22 Transformatoren verschiedener Art und die drahtlose Energieübertragung durch Induktivität 365 Die kontaktlose Energieübertragung in einem Transformator 366 Drei Komponenten, ein Trafo 367 Der charakteristische Aufbau eines gängigen Transformators 368 Schaltzeichen eines Transformators 369 Die Windungszahl und die Drahtstärke 369 Vom Trafo zur drahtlosen Übertragung von elektrischem Strom 370 Wireless Power Transfer = drahtlose Übertragung elektrischer Energie 370 Die Energieübertragung mithilfe von Kopplungsspulen 371 Die Herstellung der benötigten Spulen zur Energieübertragung 371 Der Aufbau der ersten Schaltung 372 Eine andere Schaltung zur Stromübertragung 374 Spannende Sache: die Energieübertragung durch hochfrequente Wechselspannungsfelder 376 Noch einige Hinweise zum Aufbau und zur Inbetriebnahme der Schaltung 379 Kapitel 23 Spannungsverdoppler und andere Schaltungen für Spannungswandler 381 Wofür Gleichspannungswandler benötigt werden 382 Einfache Schaltungen für Spannungswandler 383 Ein einfacher Spannungsverdoppler mit dem NE555 383 Der Spannungswandler mit etwas höherer Leistung 385 Die Polarität einer Eingangsspannung verändern 386 Ein Spannungswandler mit einem NF-Verstärker 387 Aus 12 Volt wesentlich höhere Spannungen erzeugen 389 Wie die Schaltung funktioniert 390 Aus 1,5 Volt mach‘ mehr: Spannungswandler für eine einzige Batteriezelle 392 Kapitel 24 Einige Miniprojekte zum Nachbauen und Experimentieren 395 Einfache Schaltungen mit Transistoren 396 Eine einfache Zeitschaltung mit Transistoren 396 Einen Verbraucher mit Tastendruck ein- und ausschalten 398 Die zweckentfremdete LED: Leuchtdiode als Lichtsensor 401 Einige einfache Schaltungen mit dem NE555 und anderen integrierten Schaltungen 402 Verbraucher mit einer Taste ein- und ausschalten 402 Einfacher Transistortester mit dem NE555 404 Impulsdetektor mit dem NE555 405 Mögliche Schaltungsvarianten 406 Weicher Blinker mit dem NE555 407 Radiorekorder mit CD als Teilespender 408 Das Zerlegen des Geräts 409 Das Kassettenlaufwerk in Betrieb nehmen 411 Teil V: Der Top-Ten-Teil 415 Kapitel 25 Zehn Dinge und einige weitere wichtige Informationen für den Elektronikbastler 417 Einige interessante Seiten mit Schaltungen beziehungsweise Schaltbildern 418 Seiten mit Informationen zur Elektronik und mit Schaltbildern 418 Zehn Dinge, die Sie beim Aufbau elektronischer Schaltungen beachten sollten 419 Noch ein Hinweis zur Verwendung von Steckboards und Steckbrücken 420 Zehn häufige Fehler beim Aufbau elektronischer Schaltungen 421 Oft sind es nur Flüchtigkeitsfehler 421 Einfache, aber wichtige Grundschaltungen, die Sie kennen sollten 422 Astabile Kippstufe 422 Wichtige Gleichrichterschaltungen 423 Der Elektrolytkondensator nach dem Gleichrichter 424 Die Spannungsstabilisierung mithilfe einer Z-Diode 424 Die Spannungsstabilisierung mit Z-Diode und Transistor 425 Eine Verstärkerschaltung mit Transistor 426 Der Spannungswandler mit einem Transistor 427 Die drei Grundschaltungen eines Transistors 427 Einfache Spannungsregelung mit dem LM317 428 Die Wechselschaltung mit zwei Schaltern 429 Stichwortverzeichnis 433

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Book SynopsisSie wollten schon immer Ihre eigene Spielidee umsetzen? Gamedesign ist Ihr Traumberuf? Dieses Buch zeigt Ihnen, wie Sie eigenen Spielcharakteren Leben einhauchen und Spieler mit originellen Spielregeln lange begeistern. Das ganze Buch ist als Lernkampagne mit zahlreichen Questen und Boss Challenges organisiert: Sie lesen, lernen und üben spielend in der Charakterklasse "Gamedesigner" und erhalten Erfahrungspunkte und Belohnungen. Nutzen Sie die Liste der zu erlernenden Fähigkeiten und Entwicklungsmöglichkeiten sowie zahlreiche Übungen, um selbstbestimmt mit Spaß zu lernen.Trade Review"...Ambitionierter Titel, der Konzeption und Wirkung von Spielewelten, Spielegeschichten, Regeln und Charakteren ausführlich und gründlich erklärt und versucht zu vermitteln, welche Faktoren letztendlich Spaß am Spiel bringen." (EKZ im Oktober 2021)Table of ContentsÜber den Autor 9 Vorwort 19 Einführung 21 Über dieses Buch 21 Was Sie nicht lesen müssen 22 Törichte Annahmen über den Leser 22 Wie dieses Buch aufgebaut ist 22 Teil I: Vorbereitungen für Ihre Buchqueste 23 Teil II: Wie ein Gamedesigner sehen und denken lernen 23 Teil III: Die Spieleidee verpacken und abrunden 23 Teil IV: Die Spieleidee kommunizieren 23 Teil V: Der Top-Ten-Teil 24 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 24 Wie es weitergeht 25 Teil I: Vorbereitungen für Ihre Buchqueste 27 Kapitel 1 Was macht ein Gamedesigner? 29 Einordnung von Spielen in Spielearten 29 Unterschiedliche Spielearten – unterschiedliche Herausforderungen 32 Aufgaben bei der Erstellung von Spielen 33 Aktuelle Entwicklung des Berufsbilds »Gamedesigner« 34 Was machen nun alle Gamedesigner? 35 Kapitel 2 Das ist Ihre Buchqueste 39 Was ist eine Buchqueste? 39 Der Sinn und Nutzen der Buchqueste 40 Übersicht 41 Motivation 41 Planung 41 Spielerisch leben 42 Der Gamedesignercharakterbogen 43 Wie lässt sich der Charakterbogen am besten nutzen? 43 Wahrnehmung, GD-Handwerk und Mindset & Ausdauer 47 Wiederholungen und Erfahrungspunkte 50 Liste möglicher Genres 50 Liste möglicher Fähigkeiten für den Charakterbogen 52 Fähigkeitensystematik 52 Eine mögliche Fähigkeitenübersicht 53 Boss Challenge: Get Ready to Gamedesign! 55 Teil II: Wie ein Gamedesigner sehen und denken lernen 57 Kapitel 3 Regeln erkennen lernen 59 Was können Spielregeln alles definieren? 60 Spielregeln definieren, was zum Spiel gehört 60 Spielregeln definieren den Ausgangszustand 62 Spielregeln definieren, wie Spieler und Spiel agieren dürfen 62 Spielregeln definieren das Spielziel und das Spielende 66 Spielregeln können sich im Spiel verändern 68 Spielregeln bestimmen den Einfluss von Zufall und Strategie 69 Spielregeln sind ein Vertrag unter den Spielern 74 Schatzkiste für den Gamedesigner 74 Warum gibt es Spielregeln? 76 Einstiegsbeispiele – Schere, Stein, Papier & Co 76 Schere, Stein, Papier (Variante für 2 Spieler) 76 30 Tod 78 Die Erkenntnisse aus den Beispielen 80 Kleines Rätsel 82 Wie können Sie die Regeln komplexerer Spiele beschreiben? 82 Tetris (NES, 1989) 83 Boss Challenge – Sie entwickeln Ihr erstes kleines Spiel 84 Das erste Projekt 85 Checkliste als Hilfestellung für Ihr Projekt 86 Kapitel 4 Was macht Spaß? 87 Was macht Spielern Spaß? 88 Was arbeitet dem Spaß entgegen? 89 Maslows Bedürfnishierarchie 89 Was macht meinen Spielern Spaß? Zielgruppe beachten! 92 Was bedeutet der Begriff »Zielgruppe«? 92 Wie erstellt man eine Zielgruppe? 92 Kritischer Hinweis zu den Spielererwartungen 103 Boss Challenge: Upgrade I für die ersten Spieleideen 107 Kapitel 5 Fair geht vor – aber das Gefühl nicht vergessen! 109 Spielerziele 110 Frustfaktoren 111 Ihr Kampf gegen Frustfaktoren 112 Die Strategie gegen Frustfaktoren 113 Frustfaktor: Das Spiel ist zu schwer! 114 Entscheidung, welche Lösungswege umgesetzt werden sollen 125 Erfolgskontrolle der Umsetzung 125 Die praxisdominante Strategie 126 Zusammenfassung 128 Boss Challenge: Upgrade II für die erste Spieleidee 129 Kapitel 6 Wie analysiert man Spiele? 131 Warum sollten Sie Spiele analysieren? 131 Die Analysemethoden 135 Analysemethode: Der grobe Genrescan 136 Analysemethode: Einzelspielanalyse 137 Analysemethode: Der Tiefenscan 139 Wie Sie Excel lieben lernen 139 Boss Challenge: Analysiere das! 142 Teil III: Die Spieleidee verpacken und abrunden 143 Kapitel 7 Des Spiels neue Kleider – Storytelling 145 Was ist Storytelling? 145 Storylastige und nicht storylastige Spiele 146 Hilfe zur Selbsthilfe 146 Storytelling und Genre 147 Und am Ende war es doch nur ein getarnter Klon 148 Die Magie der Coverstory 149 Wie designt man eine Spielwelt? 154 Die innere Logik 154 Das organische Weltdesign 155 Modenschau der Klonwelten 160 Charaktere – Bitte, bitte mehr als nur ein Bildchen mit Funktion! 167 Vergessen Sie bitte weder Ihre Zielgruppe noch die Funktion des Charakters 169 Haben Sie den Bogen raus? 170 Die Geschichte 178 Ihr Wissen bedeutet Konsistenz 178 Lineares Erzählen 178 Nichtlineares Erzählen – eine Herausforderung 182 Auf Details achten 188 Boss Challenge: World of erste Spieleidee 189 Kapitel 8 Endgame und Wiederspielwert 191 Was bedeutet »Endgame«? 191 Zusammenhang Endgame und Wiederspielwert 193 Wiederspielwert bei endlichen Spielen 193 Soziales Miteinander 194 Alltagsausstieg (süffiges Spiel) 194 Mehr erreichen 195 Besser werden als die Konkurrenz 196 Mehr entdecken 196 Tradition 196 Seelenkuss 197 Persistente Spiele 198 Neue Spieler schützen 199 Neuen Spielern (Highscore-) Erfolge ermöglichen 204 Neue Spieler für ältere Spieler im Teamspiel wertvoll machen 206 Alte Spieler mit passenden Herausforderungen oder Aufgaben erfreuen 207 Endgamekonzepte für persistente Spielwelten 207 Wachstumsstufen des Spiels (neuer Content) 207 Rollentausch 208 Achievements (Metagame – 100 % erreichen) 208 Aufgaben 209 Events 210 Highscore/Liga 210 Sanfter Reset durch Loop 210 Boss Challenge1: Looping Gamer – Wiederspielwert für Ihr endliches Spiel 212 Boss Challenge2: Looping Gamer – Endgame für Ihr persistentes Spiel 213 Teil IV: Die Spieleidee kommunizieren 215 Kapitel 9 Spieler: »In Deinem Spiel kann man was noch mal?« 217 Klick und weg 217 The Gamedesigner’s Journey to Teachdom 219 Das Gehirn 219 Entschlüsselungsversuche: Lerntheorien 222 Lerntypen 227 Wissen aufnehmen 228 Wissen behalten 230 Beispiele für Wissensvermittlung an Spieler 236 Zuordnungsversuche zu Lerntypen 239 Boss Challenge: Still, still, still, weil der Spieler Anleitung lesen will 240 Kapitel 10 Teamkollegen: »Was soll ich umsetzen? Und wie genau?« 243 Welche Ziele verfolgen Sie? 243 Grundlagen guter Zusammenarbeit 244 Mysterium Teamplay 244 Art zu kommunizieren – Von Spatzen und Kanonen 245 Moodboard 248 Funktionen eines Moodboards 248 Aussehen und Inhalt eines Moodboards 249 Zu erreichende Ziele 249 Das Gamedesigndokument 250 Die Ziele des Gamedesigndokuments 251 Welche Inhalte? Welche Leser? 251 Welche Formen können GDD-Inhalte annehmen? 252 Mockup, Prototyp 256 Boss Challenge: GDD No.1 257 Kapitel 11 Marketing: »Was ist toll an deinem Spiel?« 259 Was ist Marketing? 259 Warum Marketing für Gamedesigner? 260 Ihre 4 wichtigen Marketingaufgaben 260 Alleinstellungsmerkmale – Was ist das Besondere? 261 Ansprache der Zielgruppe 263 Suchmaschinenoptimierung (SEO) 265 Marketingkanäle und Marketingmix 265 Boss Challenge: Mein Spiel ist toll, weil … 268 Teil V: Der-Top-Ten-Teil 271 Kapitel 12 10-mal Zahlenmagie für Gamedesigner 273 Zahlen mit dem passenden Gefühl 273 Balancing auf Spielzeit 274 Balancing der Wartezeit auf Belohnungen 275 Erfahrungspunkte für den Stufenanstieg 276 Wahrscheinlichkeiten im Kampf 278 Fairness im Kampf – Schaden pro Sekunde 279 Fairness im Kampf – Schadensauswirkungen schätzen 281 Fairness im Kampf – Matching 282 Brötchen verdienen – Umsatz 285 Mit Gold richtig umgehen – Inflation by design vermeiden 286 Kapitel 13 Zehn Einsteigerfragen zum Gamedesign 289 Wie wird man Gamedesigner? Muss man Gamedesign studieren? 289 Was benötigt man, um Games zu entwickeln? 290 Müssen Gamedesigner programmieren und zeichnen können? 290 Was verdienen Gamedesigner? 291 Wo sollte man Gamedesign studieren? 291 Wo und wie arbeiten Gamedesigner? 292 Gibt es Arbeitsplätze in Deutschland? 292 Was müssen Gamedesigner können? 293 Wird Spielen für Gamedesigner zur lästigen Arbeit? 293 Wie lange muss man Gamedesign lernen, um AAA-Titel veröffentlichen zu können? 293 Anhang 295 Anhang A Lösungshilfen zu einigen Buchquesten 295 Lösungshilfen zu ausgewählten Buchquesten aus Kapitel 3 295 Queste (Kap3Q1): Gamedesigntücken – Nach Regellücken bücken 295 Queste (Kap3Q4): Ich packe meine Gamedesignhandwerkskiste –Startbildschirm 298 Lösungshilfen zu ausgewählten Questen aus Kapitel 4 302 Queste (Kap4Q1): Spaß hoch 10 302 Queste (Kap4Q4): Spielekasper: »So spiele ich mein Genre nicht.« 303 Lösungshilfen zu ausgewählten Questen aus Kapitel 6 305 Queste (Kap6Q1): Sei so richtig grob, Tiger! 305 Queste (Kap6Q2): Tabellenkalkulation ist kein Hexcelwerk 306 Lösungshilfen zu ausgewählten Questen aus Kapitel 7 307 Queste (Kap7Q3): Guten Tag, Bogenkontrolle! 307 Anhang B Wie analysiert man Spiele? 309 Shakes&Fidget 309 LETTER 314 Fluxx 318 Overload 321 Ursuppe 323 Carcassonne 327 Stichwortverzeichnis 333

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Book SynopsisQuantencomputing könnte die Informatik wie wir sie heute kennen revolutionieren. Die Möglichkeiten dieser Technologie sind enorm. Aber was steckt eigentlich dahinter? Mit diesem Buch führen Sie die Autoren so verständlich wie möglich in dieses komplexe Thema ein. Sie erklären Ihnen was es mit dem Quantencomputing überhaupt auf sich hat und erläutern die mathematischen und physikalischen Modelle, die ihm zugrunde liegen. Sie vergleichen Quantencomputing mit der aktuellen Informatik und werfen einen Blick darauf welche Anwendungen dadurch schon bald und welche in der weiteren Zukunft denkbar sind.Table of ContentsÜber den Autor 9 Einleitung 21 Über dieses Buch 21 Törichte Annahmen über die Leser 21 Vor welchen speziellen Herausforderungen standen wir? 23 Wo liegen die verstandesmäßigen Knackpunkte? 23 Damit stehen wir vor der folgenden Aufgabe 24 Umgang mit der Komplexität 24 Was muten wir zu? 25 Wie dieses Buch aufgebaut ist 26 Eingestreute »two cents« 28 Was wir draußen ließen 28 Konventionen und Symbole in diesem Buch 29 Danksagungen 29 Widmungen 30 Teil I: Neue Phänomene und neue Betrachtungsweisen 31 Kapitel 1 Quantencomputing – hope or hype? 35 Analogcomputer – Digitalcomputer – Quantencomputer 36 Konzepte des Quantencomputers 37 Verheißungen 38 Höher – schneller – weiter 38 Ein heiliger Gral des Quantencomputing 39 Verheißungen im Überblick 40 Berechenbarkeit und ihre Grenzen 41 Weitere Vereinheitlichungen in der Physik 41 Die Welt als prinzipiell berechenbares Uhrwerk 42 Neue Vorstellungen – neue Formeln – neue Datenstrukturen 42 Kapitel 2 Unterschiede, die einen Unterschied machen 47 Bits und Qubits 48 Bits 48 Qubits 48 Das geometrische Bild eines Qubit 49 Algebraische Beschreibung eines Qubit 53 Im Herzen des Quantencomputing 55 Ein erster Einstieg – dense coding 55 Operationen mit Vektoren – Ausblick auf Matrizen 59 Kapitel 3 Matrizen 61 Zum Einsatz und zur Handhabung von Matrizen 61 Beispiel: Fertigungskosten und ihre Abhängigkeiten 62 Zwischenbetrachtung: Klassische Bits und Bitfolgen als Vektoren 64 Bits implementiert als spezielle Qubits 64 Irritationen beim Übergang zum kartesischen Produkt 65 Wenn nicht das kartesische Produkt – was dann? 66 Welche Hypothek gehen wir mit dem Tensorprodukt gegenüber der Natur ein? 67 Bits als Vektoren: ein erstes Resümee 70 Bellzustände 71 Lineare Operationen auf Tensorräumen 71 Operationen zur Erzeugung einer Bell-Basis 71 Transformationen der Bell-Basis 75 Was ist nun das Besondere der Bell-Basis 77 Dense coding – revisited 79 Ausblicke 80 Kapitel 4 Teleportation – abstrakt und physikalisch 81 Beam me up, Scotty 82 Teleportation für Mathematiker 82 Ein erstes Resümee der mathematischen Beschreibung 87 Teleportation für Physiker 87 Resümee der physikalischen Beschreibung 94 Teil II: Neue Spielregeln in der Physik 95 Kapitel 5 Hinter dem Monitor 97 Die klassische Sichtweise 98 Klassische Physik 98 Ein Blick hinter den Monitor… 99 … und hinter die Physik 99 Kapitel 6 Abstieg in die Unterwelt 103 Geänderte Spielregeln 104 Skalierungen 104 »Law without law« 105 Berechnungen des Zufalls 106 Was läuft in der Mikrophysik »schief« – oder besser: anders 112 Auf welche Weise kommen Elementarereignisse und ihre Wahrscheinlichkeiten zustande? 112 Amplituden – Zusammenfassung ihrer funktionalen Prinzipien 120 R-Prozesse – Messungen 121 Doppelspalt – revisited 122 U-Prozesse – ungestörte Dynamik 125 Beschreibung der U-Prozesse 126 Einige »Gretchenfragen« 126 Infinite (?) Regresse 126 Management Summary 127 Der zu zahlende Preis 128 Letzte Notizen zum Messproblem in der Quantenmechanik 129 Versuche der Widerspruchsauflösung 130 Teil III: Qubits und ihre Operatoren 133 Kapitel 7 Bits – als Vektoren betrachtet 135 Bits und Qubits 136 Vorbereitung des Übergangs von Bits zu Qubits – Bits als Vektoren 136 Der Übergang von logischen Operationen zu unitären Operatoren – ternäre Operatoren 142 Wo stehen wir nun – und wo wollen wir hin? 146 Kapitel 8 Qubits – revisited 147 Qubits und ihre Operatoren 147 Das einzelne Qubit und seine Blochsphäre 148 Unitäre Operatoren auf dem einzelnen Qubit 152 Noch mehr unitäre Operatoren 157 Universalitätseigenschaften der Qubit-Operationen 162 Notizen zu physikalischen Implementierungen 163 Quantensysteme mit zwei (ausgezeichneten) Zuständen 164 Kapitel 9 Methoden der Fehlerbehandlung 165 Das No-Cloning-Theorem 166 Bitflip-Codes 167 Implementierung des Bitflip-Codes 167 Zur Messbarkeit einzelner Bitflips 168 Identifikation und Korrektur eines Bitflips an beliebiger Stelle 170 Phasenflip-Codes 171 Rückführung von Phasenflips auf Bitflips 172 Shor-Code 173 Teil IV: Quantenfouriertransformationen und mehr 175 Kapitel 10 Fouriertransformationen 177 Vorüberlegungen zur Fourieranalyse 178 Periodische Funktionen 178 Zur Fourieranalyse 180 Formeln der Fourieranalyse 181 Auf dem Weg zur diskreten Fouriertransformation 183 Ein kurzer Steilkurs in Modulorechnung 183 Die Relevanz der Ordnung einer Klasse für die Primfaktorzerlegung 185 Zwischenresümee: Wo stehen wir, wo wollen wir hin? 185 Eine Herleitung der diskreten Fouriertransformation 186 Übergang von einer Zahlenfolge zu einer Treppenfunktion 187 Die diskrete Fouriertransformation als lineare Abbildung 188 Normierung der Transformationsmatrix 189 Die Quantenfouriertransformation 190 Zur Power eines N-Qubit-Systems 190 Codierung der Basis eines N-Qubit-Systems 191 Eingaben in die Quantenfouriertransformation 192 Zur Aufbereitung der Quantenfouriertransformierten 193 Dualbrüche in e2πi kj 2n 194 Abschließende Regruppierung der Quantenfouriertransformierten 196 Management Summary: Mathematische Aufbereitung der Quantenfouriertransformierten 198 Implementierung der Quantenfouriertransformation 198 Gewinnung des Phasenfaktors e(2πi)(0,jn−l+1···jn)2 199 Schaltbilder für die Quantenfouriertransformation 201 Kapitel 11 Anwendungen der Quantenfouriertransformation 203 Phasenschätzung 204 Iterierte U-Operationen 204 Spezialfall: 𝜑 = (0, 𝜑1𝜑2 · · · 𝜑t)2 205 Näherungen 207 Management Summery: Phasenabschätzung von e2πi𝜑 210 Folgerungen der Phasenabschätzung: Wege zum Bestimmen der »Ordnung« einer Zahl 211 Iterierte Multiplikation mit einem festen [x] 211 Parallele Verarbeitung der Eigenvektoren |us⟩ 213 Finale der Berechnung der Ordnung 215 Management Summery: Berechnung der Ordnung einer Zahl 216 Der Shor-Agorithmus 217 Konsequenzen für die Kryptologie 218 Teil V: Weitere Anwendungen 219 Kapitel 12 »Feind hört (nicht) mit« 221 Zum Einstein-Podolski-Rosen-Paradoxon 221 Bellzustand zweier Teilchen mit Spin 221 Hidden variables 222 »second two cents« 222 Die bellsche Ungleichung 223 Berechnung der Erwartungswerte 224 Unvereinbarkeit der bellschen Ungleichung mit der Quantenmechanik 226 Rollentausch: Teilchen im Bellzustand als Münzen 226 Die Rechnungen im Einzelnen 228 Relevanz der bellschen Ungleichung für Verschlüsselungsverfahren 231 (K)ein »Knacken in der Leitung« 232 Symmetrische und asymmetrische Verfahren 233 Die Funktionsweise symmetrischer Verschlüsselungsverfahren 233 Das BB84-Protokoll 234 Zusammenfassung des BB84-Protokolls 239 E91-Protokoll 240 Kombination mit klassischen Verschlüsselungsverfahren 242 Kapitel 13 Wer suchet, der findet (schneller) 245 Die Suche im Heuhaufen 245 Benutzung eines Quantenschaltkreises 245 Idee des Grover-Algorithmus 246 Analyse der Grover-Iterationen 246 Kapitel 14 Zur Quantensimulation durch Quanten 251 Bemerkungen zu analogen Verfahren 252 Gradientenstrategien 252 Adiabatisches Quantencomputing 254 Zum adiabatischen Theorem der Quantenmechanik 255 Teil VI: Top Ten Teil 261 Kapitel 15 Ein Zusammenspiel von Physik, Mathematik, Informatik und Ingenieurwissenschaften in 10 Schritten 263 Und in fernerer Zukunft? – Vision in Rosa 266 Anhang 267 Anhang A Theoreme zur klassischen Zahlentheorie 269 Restklassenringe 269 Wohldefiniertheit der Operationen auf den Restklassen 270 Der euklidische Algorithmus 271 Einheiten in ℤn 272 Eulersche 𝜑-Funktion 272 Return on Invest – das RSA-Verfahren in der Kryptologie 273 Asymmetrische Verschlüsselungsverfahren 274 Das RSA-Verfahren in der Theorie 274 Praktische Bemerkungen zum RSA-Verfahren 276 Faktorisierung 277 Auffinden eines nichttrivialen Faktors von n 277 Notizen zu Kettenbrüchen 278 Kettenbrüche und ihre Konvergenten 279 Finale des Auffindens der gesuchten Ordnung r 281 Anhang B Komplexe Zahlen 283 Addition und Multiplikation 283 Definition der Multiplikation 284 Vektoren in der Rolle komplexer Zahlen 285 Wichtige Kenngrößen 285 Die komplexe e-Funktion 286 Komplexe Zahlen in Polarkoordinaten 287 Komplexe Zahlen als Matrizen 288 Anhang C Stochastik 291 Einführung 291 Ereignisse und Elementarereignisse 291 Wahrscheinlichkeiten 293 Wahrscheinlichkeitsräume 294 Benutzung mengentheoretischer Operationen 294 Bedingte Wahrscheinlichkeit und stochastische Unabängigkeit 295 Regeln zur Berechnung der Wahrscheinlichkeiten mengentheoretisch verknüpfter Ereignisse 295 Wahrscheinlichkeitsräume in der Quantenmechanik 297 Elementarereignisse in der Mikrowelt 297 Resümee 298 Anhang D Identische Teilchen 301 Klassischer Münzwurf 301 Analyse des Münzwurfs 303 »Münzwurf« mit Mikroteilchen 303 Anhang E Lineare Algebra in a nutshell 307 Vektoren 307 Addition 307 Skalare Multiplikation 309 Skalarprodukt 309 Darstellung von Vektoren im dreidimensionalen Raum 310 Abstrakte Vektorräume 311 Charakterisierung eines abstrakten Vektorraums 311 Besonderheiten des komplexen Skalarprodukts 312 Linearkombinationen, Basen und Dimensionen 312 Normierte Vektoren und Orthonormalbasen 313 Hilberträume 313 Kartesische und Tensorprodukte 314 Tensorprodukte 314 Lineare Abbildungen 315 Lineare Abbildungen und Matrizen 315 Eigenwerte und Eigenvektoren 316 Matrizen und Tensorprodukte 316 Skalarprodukte auf Tensorräumen 317 Unitäre Operatoren 317 Hermitesche Operatoren 317 Anhang F Wichtige Hermitesche Operatoren in der Quantenmechanik 319 Zur physikalischen Interpretation der Wellenfunktion 321 Repräsentation der Messapparate 322 Die Observablen für Ort und Impuls 324 Überblick über die Darstellungen des Orts- und Impulsoperators 327 Der Hamiltonoperator 330 Eigenwerte und Eigenfunktionen eines freien Teilchens 331 Anhang G Schrödingergleichung 333 Bedeutung von e−iH⋅t ℏ 333 Zur effizienten Berechenbarkeit der Lösungen 335 Letzte Spekulationen 336 Anhang H Symbolverzeichnis 339 Abbildungsverzeichnis 341 Stichwortverzeichnis 347

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Book SynopsisDieses Buch bietet eine kompakte, verständliche Einführung in das Thema "Rechnerarchitektur". Alle heute essenziellen Themengebiete werden behandelt. Der Schwerpunkt des Buches liegt auf der systemtechnischen funktionalen Beschreibung von Rechnern, ihren Komponenten und Prozessen, ohne auf die unzähligen Details dedizierter Systeme einzugehen. Die funktionale Darstellung mittels geeigneter Modellierungstechniken erlaubt das grundsätzliche Verständnis dieser Systeme, unabhängig von der jeweiligen Art der Realisierung und dem aktuellen Stand der Technologie. So müssen Sie keine Sorge haben, dass Sie sich bei der Prüfungsvorbereitung in den Details verlieren.Table of ContentsÜber den Autor 7 Einleitung 19 Über dieses Buch 20 Törichte Annahmen über den Leser 21 Was Sie nicht lesen müssen 22 Wie dieses Buch aufgebaut ist 22 Teil I: Grundlegendes zu Rechnerarchitekturen 22 Teil II: Das Kernelement: Der Prozessor 22 Teil III: Das Konzept der Speicherhierarchie 23 Teil IV: Vom Nutzen der Parallelverarbeitung 23 Teil V: Der Top-Ten-Teil 23 Symbole, die in diesem Buch verwendet werden 23 Wie es weitergeht 24 Teil I: Grundlegendes zu Rechnerarchitekturen 25 Kapitel 1 Blick aus der Vogelperspektive 27 Das Zeitalter der Computer 27 Embedded Systems und Ubiquitous Computing 28 Klassen von Rechnern 30 Der Begriff »Rechnerarchitektur« 33 Die Instruction Set Architecture (ISA) 34 Die Mikro-Architekturebene 38 Die Definition der Rechnerarchitektur aus meiner Sicht 38 Höchstintegration und die Grenzen des Wachstums 39 Steigerung der Anzahl der Transistoren auf einem Chip 39 Der Performance-Gap 42 Alternativen zur Steigerung der Taktrate 44 Fortschritte beim automatisierten Entwurf solcher Chips 45 Modellierungstechnik 47 Aufbaupläne (Instanzennetze) 48 Ablaufpläne (Petri-Netze) 51 Kapitel 2 Leistungsbewertung von Rechnern 55 Überblick über Leistungsmaße 56 MIPS und MFLOPS 57 Die Prozessorausführungszeit 58 Vereinfachung durch den CPI-Wert 61 Benchmarkprogramme 63 Das Gesetz von Amdahl 67 Teil II: Das Kernelement: Der Prozessor 71 Kapitel 3 Die von Neumann-Maschine 73 Die Komponenten eines von Neumann-Rechners 76 Der Prozessor 76 Die Ein-/Ausgabeeinheit 77 Der Hauptspeicher 78 Der Systembus 79 Charakteristika der von Neumann-Maschine 80 Interpretation der Informationskomponenten 80 Befehlszählerprinzip und die Abwicklung eines Programms 84 Prozesse und Strukturelemente in einem Rechner 87 Komponenten des Operationswerks 94 Speicherorganisation 104 Klassen von Prozessorarchitekturen 118 Das Steuerwerk 124 Kapitel 4 Programmiermodell und Assemblerprogrammierung 139 Charakteristische Merkmale der Hochsprachen-Programmierung 140 Charakteristische Merkmale der maschinennahen Programmierung 140 Das Programmiermodell 141 Assemblerprogrammierung 143 Der Befehlssatz des Prozessors 144 Adressierungsarten 150 Assemblerprogrammierung am Beispiel 158 Ablauf der Assemblierung 166 Unterprogrammtechnik 179 Kapitel 5 Kommunikation und Ausnahmeverarbeitung 193 Datenaustausch über den Systembus 193 Zeitverhalten am Systembus 194 Synchroner Bus 194 Semi-synchroner Systembus 197 Asynchroner Systembus 198 Bussysteme in der heutigen Praxis 202 Bus-Arbitration 203 Lokale Bus-Arbitration 203 Globale Bus-Arbitration 206 Priorisierung mehrerer Master 207 Zentrales Verfahren zur Busvergabe 207 Dezentrales Verfahren zur Busvergabe 208 Erweiterung des Prozessormodells 209 Ausnahmeverarbeitung 210 Einführung des Abwicklerverwalters 211 Klassifizierung von Unterbrechungen und Ausnahmeverarbeitungen 213 Priorisierung in einer Interruptebene 222 Modellierung des Hardware-Dispatchers 228 Ein-/Ausgabe-Interfaces und Synchronisation 234 Ein-/ Ausgabe-Interfaces 234 Informationelle Struktur eines Interface-Bausteins 235 Synchronisation mit peripheren Instanzen 236 Synchronisation durch Busy-Waiting 238 Synchronisation durch Programmunterbrechung 241 Synchronisation durch Handshake-Betrieb 241 Direkter Speicherzugriff DMA (Direct Memory Access) 243 Der DMA-Controller 246 Aufbau eines DMA-Controllers 247 Das Kommunikations-Interface PCI-Express 251 Teil III: Das Konzept der Speicherhierarchie 253 Kapitel 6 Speichersysteme im Rechner 255 Der optimale Rechner 255 Die Speicherhierarchie 257 Inhomogenität und Organisation der Speicherhierarchie 259 Lokalitätseigenschaften von Programmen 262 Prinzipieller Aufbau von Halbleiter-Speicherbausteinen 263 Festwertspeicher 264 Schreib-/Lesespeicher 265 Speicherzugriffe mittels Blockbuszyklen 271 Verschränkung von Speicherbänken (Interleaving) 272 Modularer Speicheraufbau 275 Organisation des Hauptspeichers 276 Praktische Ausprägung des Hauptspeicherzugriffs 278 Eine Lösung durch spezielle Chipsätze 280 Weitere Bausteintypen für Schreib-/Lesespeicher 283 Sekundärspeicher 285 Festplatten 286 Redundant Array of Inexpensive Disks (RAID) 288 Solid State Disks (SSD) 290 Unternehmensweite Speichersysteme (NAS und SAN) 290 Archivspeicher 292 Optische Plattenspeicher 292 Magnetbandspeicher 293 Kapitel 7 Cachespeicher 295 Das Problem der Zykluszeit 296 Die Idee des Cachings 296 Systemstrukturen für Caches 299 Look-aside-Cache 299 Look-through-Cache 300 Zugriff auf den Cachespeicher 301 Lesezugriffe 301 Schreibzugriffe 303 Die Idee des Assoziativspeichers 306 Verdrängungsstrategie und Alterungsinformation 308 Arbeitsweise des Cachespeichers 309 Trefferrate und Zugriffszeiten 309 Cache-Kohärenzproblem 310 Kohärenzproblem bei einem Cache-Hit 312 Kohärenzproblem bei Copy-back-Verfahren 312 Lösung des Kohärenzproblems 313 Strukturen von Cachespeichern 315 Der voll-assoziative Cachespeicher 316 Direkt zuordnender Cache (Direct-mapped Cache) 319 Mehrwege-Satz-assoziativer Cache (n-way Set-associative Cache) 322 Das MESI-Protokoll 325 Cachespeicher-Hierarchie 331 Kapitel 8 Virtuelle Speicherverwaltung 337 Die Idee des virtuellen Speichers 337 Das Problem der Speicherzuweisung 339 Die Memory Management Unit (MMU) 343 Zusammenfassung: Das Prinzip der virtuellen Speicherverwaltung 344 Segmentverwaltung 346 Das Seitenverfahren 356 Die zweistufige Adressumsetzung 365 Virtuelle und reale Cache-Adressierung 368 Virtuelle Cache-Adressierung 368 Reale Cache-Adressierung 370 Teil IV: Vom Nutzen der Parallelverarbeitung 373 Kapitel 9 Die Idee der Parallelisierung 375 Der Einfluss der Parallelisierung auf die Rechnerarchitektur 376 Charakteristika für eine Parallelisierung auf Hardwareebene 377 Mikroskopische oder makroskopische Parallelität 378 Symmetrische oder asymmetrische Strukturen 379 Feinkörnige oder grobkörnige Parallelität 380 Implizite oder explizite Parallelität 381 Typen paralleler Architekturen – die Taxonomie von Flynn 381 Single Instruction Single Data (SISD) 383 Single Instruction Multiple Data (SIMD) 383 Multiple Instruction Single Data (MISD) 384 Multiple Instruction Multiple Data (MIMD) 384 Performance von Multiprozessorsystemen und von Multicore-Prozessoren 386 Die Harvard-Architektur 389 CISC-Rechner und deren Probleme 389 Die Idee der RISC-Maschinen 390 Die Architektur eines RISC-Prozessors 391 Erweiterung der ALU um einen Bypass 395 Zusammenfassung 397 Synchronisation von Prozessen 398 Sequenzielle und parallele Prozesse 398 Gegenseitiger Ausschluss von Prozessen 400 Binäre Semaphore zur Synchronisation 402 Der Test-and-Set- Befehl für Semaphorvariablen 404 Kapitel 10 Fließbandverarbeitung 409 Die DLX-Pipeline 412 Leistungssteigerung durch Pipelining 415 Hardwarestruktur einer k-stufigen Pipeline 419 Pipeline-Hemmnisse 422 Datenabhängigkeiten 423 Lösung der Datenkonflikte 429 Strukturkonflikte 433 Lösungen von Strukturkonflikten 434 Steuerflusskonflikte 435 Kapitel 11 Parallele Pipelines und Superskalarität 441 Parallelisierung der Programmabwicklung 441 Pipelines mit mehreren Ausführungseinheiten 442 VLIW-Prozessoren 446 Superskalare Prozessoren 449 Prinzipielle Architektur einer superskalaren Pipeline 450 Sprungzielvorhersage 457 Statische Sprungzielvorhersage 459 Dynamische Sprungzielvorhersage 459 Superskalare Pipeline – eine Verbesserung 464 Core-Architektur 466 Leistungssteigerung durch Multithreading 468 Prozesse 468 Threads 469 Vorteile des Multithreading 470 Simultaneous Multithreading bei superskalaren Pipelines 474 Nachteile der auf Performance optimierten Prozessor-Hardware 475 Kapitel 12 Vom Prozessor zu Rechnersystemen 479 Cluster 480 Supercomputer 481 Grid Computing 482 Virtuelle Maschinen 484 Cloud Computing 486 Liefermodelle 487 Dienstleistungsmodelle 488 Kapitel 13 Die zukünftige Entwicklung 491 Taktfrequenzen und Miniaturisierung 491 Ein neuer Hoffnungsträger – Graphen 493 Nanotubes als Speichertechnologie 493 Optische Prozessoren 494 Architektur und Mikroarchitektur 495 Processing-in-Memory 496 Neuromorphe Hardware 497 Memristor 499 Quantencomputer 500 Qubits und Quantengatter 500 Superposition und Quantenparallelismus 501 Quantenverschränkung 503 Einsatzgebiete für Quantencomputer 505 Ein kurzes Resümee 506 Teil V: Der Top-Ten-Teil 507 Kapitel 14 Zehn Kernthemen zur Rechnerarchitektur 509 Höchstintegration für Rechnerchips 509 Die von Neumann-Architektur 510 Die Harvard-Architektur und die RISC-Maschinen 511 Die Instruction Set Architecture (ISA) 511 Die Speicherhierarchie 512 Cachespeicher 513 Virtueller Speicher 514 Fließbandverarbeitung 514 Superskalare Prozessoren 516 Quantencomputer 516 Kapitel 15 Mögliche Trugschlüsse 519 Assemblerprogrammierung ist immer schneller 519 Die übertragenen Daten pro Zeiteinheit 520 Lange Pipelines ergeben eine bessere Performance 520 Höhere Cache-Kapazität ergibt bessere Performance 521 Von Neumann-Architektur als Auslaufmodell 522 Multi-Prozessorsysteme sind stets performanter als Mono-Prozessorsysteme 522 Amdahls Gesetz bei parallelen Rechnern 523 Flash-Speicher statt Hauptspeicher 523 Multicore-Prozessoren in der Taxonomie von Flynn 524 Hoher Parallelitätsgrad bei Anwendungssoftware 524 Kapitel 16 Zehn Selbsttests zum Fachgebiet 527 Selbsttest zu Kapitel 1 527 Selbsttest zu Kapitel 2 und 3 528 Selbsttest zu Kapitel 4 529 Selbsttest zu Kapitel 4 und 5 529 Selbsttest zu Kapitel 3 und 6 530 Selbsttest zu Kapitel 9 und 10 531 Selbsttest zu Kapitel 10 und 11 531 Selbsttest zu Kapitel 7 und 11 532 Selbsttest zu Kapitel 8 533 Selbsttest zu Kapitel 13 533 Lösungen zu den Selbsttests 534 Wichtige Literatur 535 Abbildungsverzeichnis 537 Stichwortverzeichnis 545

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Book SynopsisBei der Planung einer industriellen Stromversorgungsanlage entscheiden die spezifischen Anforderungen des jeweiligen Fertigungsprozesses über die Gestaltung und Betriebsweise des Netzes sowie die Auswahl und Bemessung der Betriebsmittel. Da die wirklichen technischen Risiken oftmals in der Tiefe der vielschichtigen Planungsaufgabe versteckt sind, sind Planungsentscheidungen wegen ihrer komplexen Auswirkungen auf Versorgungsqualität und Energieeffizienz besonders verantwortungsvoll und umsichtig zu treffen. Das Buch wendet sich an Ingenieure und Techniker in der industriellen Energiewirtschaft, in Industrieunternehmen und Planungsbüros. Es vermittelt ihnen netz- und anlagentechnisches Grundlagenwissen zur Planung, Errichtung und dem Betrieb sicherer und wirtschaftlicher Industrienetze. Studenten und Hochschulabsolventen ermöglicht es die Einarbeitung in das Gebiet. Einfach und verständlich vermittelt das Buch in langjähriger Praxis erworbene Lösungskompetenz. Darüber hinaus bietet es Planungsempfehlungen sowie Wissen über Normen und Standards, deren Anwendung eine Gewähr dafür bietet, dass technische Risiken vermieden werden und produktions- und verfahrenstechnische Prozesse energieeffizient, zuverlässig und in höchster Qualität geführt werden können.Table of ContentsGrundlagen: Industrienetze, Ablauf einer Planungsaufgabe, Suche der optimalen Lösung Planungsempfehlungen Mittelspannung: Wahl der Netznennspannung, Bestimmung von Kurzschlussbeanspruchung und erforderlicher Kurzschlussfestigkeit, Festlegung optimaler Netzkonfigurationen für die industrielle Stromversorgung, Wahl der Sternpunkterdung, Auslegung des Netzschutzes Planungsempfehlungen Niederspannung: Wahl der Netzspannung, Kurzschlussleistung und -ströme im Netz, Anforderungsgerechte Gestaltung des Netzes, Auswahl und Auslegung der Betriebsmittel, Blindleistungskompensation, Auslegung des Netzschutzes

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Book SynopsisSIMATIC ist das weltweit etablierte Automatisierungssystem für die Realisierung von Industriesteuerungen für Maschinen, fertigungstechnische Anlagen und verfahrenstechnische Prozesse. Erforderliche Steuerungs- und Regelungsaufgaben werden mit der Engineeringsoftware STEP 7 in verschiedenen Programmiersprachen formuliert. Kontaktplan (KOP) und Funktionsplan (FUP) verwenden für die Darstellung der Steuerungsfunktionen grafische Symbole - ähnlich wie in einem Stromlaufplan oder bei elektronischen Schaltkreissystemen. In der sechsten Auflage beschreibt das Buch diese grafikorientierten Programmiersprachen in Verbindung mit der Engineeringsoftware STEP 7 V5.5 für die Automatisierungssysteme SIMATIC S7-300 und S7-400. Neue Funktionen dieser STEP 7-Version betreffen besonders den CPU-Webserver und PROFINET IO, wie beispielsweise die Anwendung von I-Devices, Shared Devices und Taktsynchronität. Das Buch bietet Unterstützung für alle Anwender von SIMATIC-S7-Steuerungen. Anfänger führt es in das Gebiet der speicherprogrammierbaren Steuerungen ein, dem Praktiker zeigt es den speziellen Einsatz des Automatisierungssystems SIMATIC S7. Alle Programmierbeispiele des Buches - und noch einige mehr - stehen als Download auf der Internetseite des Verlags unter www.publicis-books.de/ bereit.Table of ContentsSystemübersicht: SIMATIC S7 und STEP 7 Programmiersprachen KOP und FUP Datentypen Binäre und digitale Funktionen Programmflusssteuerung Programmbearbeitung Kommunikation

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Book SynopsisDas Buch vermittelt die Grundlagen für den Einsatz von Industrial Ethernet und Kommunikationsbussen in der Industrieautomatisierung. Es beginnt mit einer Einführung in verschiedene Feldbussysteme, in Ethernet mit seinen unterschiedlichen Ausprägungen sowie den Aufbau und die Protokollarchitektur von TCP/IP. Es folgen Abschnitte zu Wireless-Netzwerken und zu Protokollen zur Steigerung der Netzwerkverfügbarkeit sowie eine grundlegende Einführung in PROFINET. Praxisbeispiele zeigen die Konfiguration von PROFINET-IO-Netzwerken, MRP-Ringen, Shared Devices und I-Devices mit STEP 7 V5.6 und TIA Portal V15. Im Kapitel zu Industrial Security erläutert das Buch Angriffstechniken und Maßnahmen, Konzepte und Architekturen zur Netzwerksicherheit. Firewall-Beispielkonfigurationen mit dem TIA Portal V15 und SCALANCE S geben eine Hilfestellung für eigene Projekte. Das folgende Kapitel zeigt, wie ein industrielles Netzwerk in der Praxis strukturiert ist und welche Komponenten man dabei nutzen kann. Ein Ausblick zu Digital Connectivity und dem industriellen Internet der Dinge (IIoT) rundet das Buch ab. Inhalt Einführung in Kommunikationsnetze: PROFIBUS, AS-Interface, CAN-Bus, Ethernet, TCP/IP, WLAN, Netzwerkverfügbarkeit PROFINET: Funktionsprinzip, Real-Time-Konzept, Konfiguration, MRP, Shared Device, I-Device, Beispielkonfigurationen mit STEP 7 und TIA Portal Industrial Security: Angriffstechniken und Täterprofile, Anlagensicherheit, Netzwerksicherheit, Systemintegrität, Security-Beispielkonfigurationen mit dem TIA Portal V15 und SCALANCE Komponenten und Netzwerke:SCALANCE, Aufbau und Struktur industrieller Netzwerke Ausblick: Auf dem Weg zur Digital ConnectivityTable of ContentsEinführung in Kommunikationsnetze: PROFIBUS, AS-Interface, CAN-Bus, Ethernet, TCP/IP, WLAN, Netzwerkverfügbarkeit PROFINET: Funktionsprinzip, Real-Time-Konzept, Konfiguration, MRP, Shared Device, I-Device, Beispielkonfigurationen mit STEP 7 und TIA Portal Industrial Security: Angriffstechniken und Täterprofile, Anlagensicherheit, Netzwerksicherheit, Systemintegrität, Security-Beispielkonfigurationen mit dem TIA Portal V15 und SCALANCE Komponenten und Netzwerke:SCALANCE, Aufbau und Struktur industrieller Netzwerke Ausblick: Auf dem Weg zur Digital Connectivity

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Book SynopsisDieses Buch richtet sich sowohl an Einsteiger, als auch an diejenigen, die bereits Erfahrung mit anderen Systemen haben. Es stellt die aktuellen Hardware-Komponenten des Automatisierungssystems vor und beschreibt deren Konfiguration und Parametrierung sowie die Kommunikation über PROFINET, PROFIBUS, AS-Interface und PtP-Verbindungen. Eine fundierte Einführung in STEP 7 Basic V14 (TIA Portal) veranschaulicht die Grundlagen der Programmierung und Fehlersuche.Table of Contents1 Einführung, Übersichten 21 1.1 Übersicht Automatisierungssystem S7-1200 21 1.2 Übersicht STEP 7 24 1.3 Datenhaltung im SIMATIC-Automatisierungssystem 27 1.4 Übersicht Adressierung 31 1.5 Übersicht Datentypen 32 1.6 Bearbeitung des Anwenderprogramms 35 1.7 Bedienen und Beobachten mit Prozessbildern 38 2 Einführung in STEP 7 40 2.1 STEP 7 installieren und starten 40 2.2 Die Benutzeroberfläche von STEP 7 41 2.3 Ein SIMATIC-Projekt bearbeiten 47 3 Automatisierungssystem SIMATIC S7-1200 62 3.1 Komponenten einer S7-1200-Station 62 3.2 CPU-Baugruppen S7-1200 63 3.3 Signalbaugruppen 69 3.4 Technologiebaugruppen 72 3.5 Kommunikationsbaugruppen 73 3.6 Weitere Baugruppen 77 3.7 SIPLUS S7-1200 79 4 Gerätekonfiguration 80 4.1 Einführung 80 4.2 Eine Station konfigurieren 82 4.3 Baugruppen parametrieren 84 4.4 Hardware-Objekte adressieren 92 4.5 Konfigurationssteuerung projektieren 94 4.6 Eine Vernetzung projektieren 96 5 Anwenderprogramm bearbeiten 109 5.1 Betriebszustände 109 5.2 Anwenderprogramm erstellen 114 5.3 Anlaufprogramm 136 5.4 Hauptprogramm 141 5.5 Alarmbearbeitung 154 5.6 Fehlerbehandlung, Diagnose 176 6 Programmeditor 198 6.1 Einführung 198 6.2 Globale Operanden, Konstanten und Adressierung 199 6.3 Datentypen 207 6.4 PLC-Variablentabelle 219 6.5 PLC-Datentypen 224 6.6 Einen Codebaustein programmieren 228 6.7 Einen Datenbaustein programmieren 248 6.8 Bausteine übersetzen 255 6.9 Programminformationen 258 7 Kontaktplan KOP 266 7.1 Einführung 266 7.2 Binäre Verknüpfungen mit KOP programmieren 272 7.3 Speicherfunktionen mit KOP programmieren 282 7.4 Q-Boxen mit KOP programmieren 287 7.5 EN/ENO-Boxen mit KOP programmieren 293 7.6 Programmsteuerung mit KOP 302 8 Funktionsplan FUP 308 8.1 Einführung 308 8.2 Binäre Verknüpfungen mit FUP programmieren 314 8.3 Standard-Boxen mit FUP programmieren 324 8.4 Q-Boxen mit FUP programmieren 329 8.5 EN/ENO-Boxen mit FUP programmieren 334 8.6 Programmsteuerung mit FUP 344 9 Structured Control Language SCL 350 9.1 Einführung 350 9.2 Übertragungsfunktionen 359 9.3 Logische Ausdrücke und Logikfunktionen 366 9.4 Arithmetische Ausdrücke 371 9.5 Vergleichsausdrücke 373 9.6 Weitere Funktionen für SCL 375 9.7 Programmsteuerung mit SCL 378 9.8 Arbeiten mit Quelldateien 392 10 Basisfunktionen 396 10.1 Binäre Verknüpfungen 396 10.2 Speicherfunktionen 403 10.3 Flankenauswertungen 407 10.4 Zeitfunktionen 413 10.5 Zählfunktionen 420 11 Digitalfunktionen 426 11.1 Übertragungsfunktionen 426 11.2 Vergleichsfunktionen 442 11.3 Arithmetische Funktionen für Zahlenwerte 451 11.4 Arithmetische Funktionen für Zeitwerte 454 11.5 Mathematische Funktionen 456 11.6 Konvertierungsfunktionen (Datentypwandlung) 461 11.7 Schiebefunktionen 480 11.8 Logikfunktionen 483 11.9 Zeichenketten bearbeiten 490 11.10 Rechnen mit der CALCULATE-Box (KOP, FUP) 496 11.11 Symbolnamen lesen 498 12 Programmsteuerung 503 12.1 Sprungfunktionen 503 12.2 Bausteinende-Funktion 508 12.3 Aufruf von Codebausteinen 509 12.4 Arbeiten mit Bausteinen 515 12.5 Datenbausteinfunktionen 528 13 Online-Betrieb, Diagnose und Test 542 13.1 Programmiergerät an die PLC-Station anschließen 543 13.2 Projektdaten übertragen 545 13.3 Mit Bausteinen im Online-Betrieb arbeiten 557 13.4 Hardware-Diagnose 568 13.5 Anwenderprogramm testen 574 13.6 Messwertaufzeichnung mit der Trace-Funktion 591 14 Dezentrale Peripherie 596 14.1 Einführung, Übersicht 596 14.2 PROFINET IO 597 14.3 PROFIBUS DP 607 14.4 Systembausteine für PROFINET IO und PROFIBUS DP 615 14.5 DPV1-Alarme 622 14.6 Aktor/Sensor-Interface 624 15 Kommunikation 628 15.1 Übersicht 628 15.2 Open User Communication 631 15.3 S7-Kommunikation 639 15.4 Punkt-zu-Punkt-Kommunikation 643 15.5 Weitere Kommunikationsfunktionen 649 16 Visualisierung 656 16.1 Einführung in die Visualisierung 656 16.2 HMI-Variablen und Bereichszeiger anlegen 663 16.3 Prozessbilder projektieren 667 16.4 Bedien- und Beobachtungsfunktionen 675 16.5 HMI-Projektierung fertig stellen 697 17 Anhang 704 17.1 Integrierte und technologische Funktionen 704 17.2 Fernverbindung mit TeleService 722 17.3 TeleControl mit CP 1242-7 724 17.4 Webserver 726 17.5 Daten protokollieren und mit Rezepturen arbeiten 729 17.6 Simulation mit S7-PLCSIM 735 Stichwortverzeichnis 746

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Book SynopsisDieses Buch beschreibt die Hardware-Komponenten des Automatisierungssystems SIMATIC S7-300, seine Konfiguration und Parametrierung. Eine fundierte Einführung in STEP 7 Professional veranschaulicht die Grundlagen der Programmierung mit KOP, FUP, AWL und SCL und die Programmflusssteuerung mit S7-GRAPH. Nach einer ausführlichen Beschreibung der Programmfunktionen folgt eine Einführung in Online-Betrieb und Programmtest. Abgerundet wird das Buch durch die Projektierung der dezentralen Peripherie mit PROFIBUS DP und PROFINET IO und den Datenaustausch über Industrial Ethernet. Inhalt Einführung in STEP 7 Professional V15 (TIA Portal) und in die Projektbearbeitung Hardware-Komponenten der S7-300 Gerätekonfiguration und Netzprojektierung Variablen, Adressierung und Datentypen Programmeditor Programmieren in KOP, FUP, AWL und SCL Ablaufsteuerung S7-GRAPH Beschreibung der Programmfunktionen Online-Betrieb und Programmtest Dezentrale Peripherie und Kommunikation Anhang: Arbeiten mit Quelldateien, Projektmigration, Simulation mit PLCSIM, Webserver, Ablage von lokalen Variablen Table of Contents

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Book SynopsisDieses Buch behandelt aus Sicht eines Anwenders alle Aspekte der modernen elektrischen Antriebstechnik. Es richtet sich zum einen an Praktiker, die elektrische Antriebe verstehen, auslegen, einsetzen und instand halten wollen, zum anderen an Facharbeiter, Techniker, Ingenieure und Studenten, die sich einen umfassenden Überblick über die elektrische Antriebstechnik verschaffen wollen. Jens Weidauer beschreibt die Grundlagen elektrischer Antriebe, ihre Auslegung und Anwendung bis hin zu komplexen Automatisierungslösungen. Dabei stellt er das gesamte Spektrum der Antriebslösungen mit den jeweiligen Einsatzschwerpunkten vor. Ein besonderer Aspekt ist dabei die Kombination mehrerer Antriebe zu Antriebssystemen sowie die Einbindung der Antriebe in Automatisierungslösungen. Neue Themen in dieser Auflage sind die Anbindung ans IoT sowie eine Auswahlhilfe zum Ermitteln der optimalen Antriebslösung. In einfacher und klarer Sprache, unterstützt durch viele grafische Darstellungen, werden komplexe Zusammenhänge erklärt und verständlich dargestellt. Der Autor verzichtet bewusst auf umfassende mathematische Betrachtungen, sondern legt den Schwerpunkt auf eine verständliche Erläuterung der Wirkprinzipien und Zusammenhänge. Damit wird der Leser in die Lage versetzt, elektrische Antriebe in ihrer Gesamtheit zu verstehen und antriebstechnische Probleme im beruflichen Alltag zu lösen.Table of ContentsÜberblick Mechanische Grundlagen Elektrotechnische Grundlagen Konstantantriebe und drehzahlveränderliche Antriebe mit Gleichstrommotor Konstantantriebe und drehzahlveränderliche Antriebe mit Asynchronmotor Servoantriebe Schrittantriebe Elektrische Antriebssysteme im Überblick Feldbusse für elektrische Antriebe Prozessregelung mit elektrischen Antrieben Motion Control EMV in der elektrischen Antriebstechnik Auslegung elektrischer Antriebe Fehlerbehebung bei elektrischen Antrieben

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Book SynopsisThe field of AI is not new to researchers, as its foundations were established in the 1950s. After many decades of inattention, there has been a dramatic resurgence of interest in AI, fueled by a confluence of several factors. The benefits of decades of Dennard scaling and Moore’s law miniaturization, coupled with the rise of highly distributed processing, have led to massively parallel systems well suited for handling big data. The widespread availability of big data, necessary for training AI algorithms, is another important factor. Finally, the greatly increased compute power and memory bandwidths have enabled deeper networks and new algorithms capable of accuracy rivaling that of human perception. Already AI has shown success in many diverse areas, including finance (portfolio management, investment strategies), marketing, health care, transportation, gaming, defense, robotics, computer vision, education, search engines, online assistants, image/facial recognition, anomaly detection, spam filtering, online customer service, biometric sensors, and predictive maintenance, to name a few. Despite these remarkable advances, the human brain is still superior in many ways – including, notably, energy efficiency and one-shot learning – giving researchers new areas to explore. In summary, AI research and applications will continue with vigor in software, algorithms, and hardware accelerators. These exciting developments have also brought new questions of ethics and privacy, areas which must be studied in tandem with technological advances. To continue the success story of AI, the AI Compute symposium was launched with the sponsorship of IBM, IEEE CAS and EDS for the first time. The aim of this publication is to compile all the materials presented by the renowned speakers in the symposium into a book format, serving as a learning tool for the audience. This book contains two broad topics: general AI advances (chapters 1-5) and neuromorphic computing directions (chapters 6-9). Technical topics discussed in the book include: 1. Research Directions in AI algorithms and systems 2. An ARM perspective on hardware requirements and challenges for AI 3. The new Era of AI hardware 4. AI and the Opportunity for Unconventional Computing Platforms 5. Thermodynamic Computing 6. Brain-like cognitive engineering system 7. BRAINWAY and Nano - Abacus architecture: Brain-inspired Cognitive Computing using Energy Efficient Physical Computational Structures, Algorithms and Architecture Co-Design 8. Applying Lessons from Nature for Today’s Computing Challenges 9. Emerging Memories - RRAM Fabric for Neuromorphic Computing ApplicationsTable of ContentsPreface 1. Research Directions in AI algorithms and systems - Lisa Amini 2. An ARM perspective on hardware requirements and challenges for AI – Robert Aitken 3. The new Era of AI hardware - Jeff Burns 4. AI and the Opportunity for Unconventional Computing Platforms – Naveen Verma 5. Thermodynamic Computing – Todd Hylton 6. Brain like cognitive engineering system - Jan Rabaey 7. BRAINWAY and Nano - Abacus architecture: Brain -inspired Cognitive Computing using Energy Efficient Physical Computational Structures, Algorithms and Architecture Co-Design - Andreas Andreou 8. Applying Lessons from Nature for Today’s Computing Challenges – Mike Davies 9. RRAM Fabric for Neuromorphic Computing Applications – Wei Lu

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Book SynopsisHow much do we really know about Thomas Edison, the man who considered deriving rubber from a goldenrod plant as opposed to the genius who gave us electric light? This text gives a complex portrait of the inventor and an account of the intellectual climate of the country he worked in and changed.

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Book SynopsisThis book focuses on systems analysis, broadly defined to also include problem formulation and interpretation of proposed alternatives in terms of the value systems of stakeholders. Therefore, the book is a complement, not a substitute to other books when teaching systems engineering and systems analysis.Trade Review"[The] book is solidly grounded in the application of theory … .A very comprehensive book that junior or student systems analysts would find helpful for fundamental concepts." (The Computer Journal, January 2009) "…a real-world view of systems and how best to analyze them…recommended." (CHOICE, December 2007)Table of ContentsPreface. A Personal Note from William T. Scherer. A Personal Note from William F. Gibson. A Personal Note from Scott F. Ferber. Original Preface from Jack Gibson. Acknowledgments. 1. Introduction. 1.1 What is a System? 1.2 Terminology Confusion. 1.3 Systems Analysis Equals Operations Research Plus Policy Analysis. 1.4 Attributes of Large-Scale Systems. 1.5 Intelligent Transportation Systems (ITS): An Example of a Large-Scale System. 1.6 Systems Integration. 1.7 What Makes a “Systems Analysis” Different? 1.8 Distant Roots of Systems Analysis. 1.9 Immediate Precursors to Systems Analysis. 1.10 Development of Systems Analysis As a Distinct Discipline: The Influence of RAND. Historical Case Study: IIASA (A). Exercises. Case Study: Fun at Six Flags? Historical Case Study: IIASA (B). 2. Six Major Phases of Systems Analysis. 2.1 The System Analysis Method: Six Major Phases. 2.2 The Goal-Centered or Top-Down Approach. 2.3 The Index of Performance Concept. 2.4 Developing Alternative Scenarios. 2.5 Ranking Alternatives. 2.6 Iteration and the “Error-Embracing” Approach. 2.7 The Action Phase: The Life-Cycle of a System. Exercises. Case Study: Methodologies or Chaos? Part A. Case Study: Methodologies or Chaos? Part B. Case Study: Wal-Mart Crisis! 3. Goal Development. 3.1 Seven Steps in Goal Development. 3.2 On Generalizing the Question. 3.3 The Descriptive Scenario. 3.4 The Normative Scenario. 3.5 The Axiological Component. 3.6 Developing an Objectives Tree. 3.7 Fitch’s Goals for Urbanizing America: An Example of Objectives Tree Construction. 3.8 Content Analysis of Fitch’s Goals. 3.9 Validate. 3.10 Iterate. Case Study: Distance Learning in the Future? Historical Case Study: Goals of 4C, Inc. 4. The Index of Performance. 4.1 Introduction. 4.2 Desirable Characteristics for an Index of Performance. 4.3 Economic Criteria. 4.4 Compound Interest. 4.5 Four Common Criteria for Economic Efficiency. 4.6 Is there a Problem with Multiple Criteria? 4.7 What is Wrong with the B-C Ratio? 4.8 Can IRR be Fixed? 4.9 Expected Monetary Value. 4.10 Nonmonetary Performance Indices. Exercises. Case Study: Sky High Airlines Case Study: Bridges—Where to Spend the Security Dollars? Case Study: Measuring the Process and Outcomes of Regional Transportation Collaboration. Case Study: Baseball Free Agent Draft. 5. Develop Alternative Candidate Solutions. 5.1 Introduction. 5.2 The Classical Approach to Creativity. 5.3 Concepts in Creativity. 5.4 Brainstorming. 5.5 Brainwriting. 5.6 Dynamic Confrontation. 5.7 Zwicky’s Morphological Box. 5.8 The Options Field/Options Profile Approach. 5.9 Computer Creativity. 5.10 Computer Simulation: a Tool in Option Development. 5.11 Why a Dynamic Simulation for Creating Options? 5.12 Context-Free Simulation Models? 5.13 Bottom-Up Simulation or Top-Down? 5.14 Lessons from the Susquehanna River Basin Model. 5.15 The Forrester Urban Model (FUM) and Societal Values. 5.16 Extensions and Variations. 5.17 Where to go from Here? Exercises. Case Study: Winnebago. Case Study: Distance Learning in the Future? Historical Case Study: Real-Time Television Link with Mars Orbiter. Historical Case Study: A Highway Vehicle Simulator. RFP from DOT. 6. Rank Alternative Candidates. 6.1 Introduction. 6.2 Rating and Ranking Methods. 6.3 Condorcet and Arrow Voting Paradoxes. 6.4 A MultiStage Rating Process. 6.5 Decision Analysis. 6.6 Basic Axioms of Decision Theory. 6.7 Properties of Utility Functions. 6.8 Constructing a Utility Curve. 6.9 Some Decision Analysis Classic Examples. 6.10 Estimation Theory in Decision Analysis. 6.11 Some Practical Problems with Decision Analysis. 6.12 Practical Trade Studies. Exercises. Case Study: Training Center Location. Case Study: Corporate Headquarters Location. Case Study: Business School Selection. 7. Iteration and Transition. 7.1 Iteration. 7.2 Segment and Focus. 7.3 The Transition Scenario. 7.4 The Gantt Chart. 7.5 Interaction Matrices. 7.6 The Delta Chart. 7.7 The Audit Trail. 7.8 Cost of Failure to Stay on Schedule. 7.9 Responsibilities of Major Actors. 7.10 Sign-Offs by Cooperating Groups. Exercises. 8. Management of the Systems Team. 8.1 Introduction. 8.2 Personal Style in an Interdisciplinary Team. 8.3.”Out-Scoping” and “In-Scoping” in a System Study. 8.4 Building the Systems Team. 8.5 Tips on Managing the Team. 8.6 Functional or Project Management? 8.7 How to Make an Effective Oral Presentation. 8.8 How to Write a Report. 9. Project Management. 9.1 Introduction. 9.2 Project Management Versus Process Management. 9.3 The Hersey-Blanchard Four-Mode Theory. 9.4 Relation of Management Style to Project Management. 9.5 Preliminary Project Planning. 9.6 Dealing with Conflict in Project Management. 9.7 Life-Cycle Planning and Design. 9.8 PERT/CPM Program Planning Method: An Example. 9.9 Quality Control in Systems Projects. Case Study: Project Management. 10. The 10 Golden Rules of Systems Analysis. 10.1 Introduction. 10.2 Rule 1: There Always Is a Client. 10.3 Rule 2: Your Client Does Not Understand His Own Problem. 10.4 Rule 3: The Original Problem Statement is too Specific: You Must Generalize the Problem to Give it Contextual Integrity. 10.5 Rule 4: The Client Does Not Understand the Concept of the Index of Performance. 10.6 Rule 5: You are the Analyst, Not the Decision-Maker. 10.7 Rule 6: Meet the Time Deadline and the Cost Budget. 10.8 Rule 7: Take a Goal-Centered Approach to the Problem, Not a Technology-Centered or Chronological Approach . 10.9 Rule 8: Nonusers Must be Considered in the Analysis and in the Final Recommendations. 10.10 Rule 9: The Universal Computer Model is a Fantasy. 10.11 Rule 10: The Role of Decision-Maker in Public Systems is Often a Confused One. References. Index.

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Book SynopsisDriven by the desire to boost the quality of service of wireless systems closer to that afforded by wireline systems, space-time processing for multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications research has drawn remarkable interest in recent years. Exciting theoretical advances have been complemented by rapid transition of research results to industry products and services, thus creating a vibrant new area. Space-time processing is a broad area, owing in part to the underlying convergence of information theory, communications and signal processing research that brought it to fruition. This book presents a balanced and timely introduction to space-time processing for MIMO communications, including highlights of emerging trends, such as spatial multiplexing and joint transceiver optimization. Includes detailed coverage of wireless channel sounding, modelling, characterization and model validation. Provides state-of-the-art research results on space-Table of ContentsList of Contributors. Preface. Acknowledgements. 1 MIMO Wireless Channel Modeling and Experimental Characterization (Michael A. Jensen and Jon W. Wallace). 1.1 Introduction. 1.2 MIMO Channel Measurement. 1.3 MIMO Channel Models. 1.4 The Impact of Antennas on MIMO Performance. References. 2 Multidimensional Harmonic Retrieval with Applications in MIMO Wireless Channel Sounding (Xiangqian Liu, Nikos D. Sidiropoulos, and Tao Jiang). 2.1 Introduction. 2.2 Harmonic Retrieval Data Model. 2.3 Identifiability of Multidimensional Harmonic Retrieval. 2.4 Multidimensional Harmonic Retrieval Algorithms. 2.5 Numerical Examples. 2.6 Multidimensional Harmonic Retrieval for MIMO Channel Estimation. 2.7 Concluding Remarks. References. 3 Certain Computations Involving Complex Gaussian Matrices with Applications to the Performance Analysis of MIMO Systems (Ming Kang, Lin Yang, and Mohamed-Slim Alouini). 3.1 Introduction. 3.2 Performance Measures of Multiple Antenna Systems. 3.3 SomeMathematical Preliminaries. 3.4 General Calculations with MIMO Applications. 3.5 Summary. References. 4 Recent Advances in Orthogonal Space-Time Block Coding (Mohammad Gharavi-Alkhansari, Alex B. Gershman, and Shahram Shahbazpanahi). 4.1 Introduction. 4.2 Notations and Acronyms. 4.3 Mathematical Preliminaries. 4.4 MIMO System Model and OSTBC Background.8 4.5 Constellation Space Invariance and Equivalent Array-Processing-Type MIMO Model. 4.6 Coherent ML Decoding. 4.7 Exact Symbol Error Probability Analysis of Coherent ML Decoder. 4.8 Optimality Properties of OSTBCs. 4.9 Blind Decoding of OSTBCs. 4.10 Multiaccess MIMO Receivers for OSTBCs. 4.11 Conclusions. References. 5 Trace-Orthogonal Full Diversity Cyclotomic Space-Time Codes (Jian-Kang Zhang, Jing Liu, and Kon Max Wong). 5.1 Introduction. 5.2 Channel Model with Linear Dispersion Codes. 5.3 Good Structures for LD Codes: Trace Orthogonality. 5.4 Trace-orthogonal LD Codes. 5.5 Construction of Trace Orthogonal LD Codes. 5.6 Design of Full Diversity LD Codes. 5.7 Design of Full Diversity Linear Space-time Block Codes for N . 5.8 Design Examples and Simulations. 5.9 Conclusion. References. 6 Linear and Dirty-Paper Techniques for the Multiuser MIMO Downlink (Christian B. Peel, Quentin H. Spencer, A. Lee Swindlehurst, Martin Haardt, and Bertrand M. Hochwald). 6.1 Introduction. 6.2 Background and Notation. 6.3 Single Antenna Receivers. 6.4 Multiple Antenna Receivers. 6.5 Open Problems. 6.6 Summary. References. 7 Antenna Subset Selection in MIMO Communication Systems (Alexei Gorokhov, Dhananjay A. Gore, and Arogyaswami J. Paulraj). 7.1 Introduction. 7.2 SIMO/MISO Selection. 7.3 MIMO Selection. 7.4 Diversity and Multiplexing with MIMO Antenna Selection. 7.5 Receive Antenna Selection Algorithms. 7.6 Antenna Selection in MIMO Wireless LAN Systems. 7.7 Summary. References. 8 Convex Optimization Theory Applied to Joint Transmitter-Receiver Design in MIMO Channels (Daniel P´erez Palomar, Antonio Pascual-Iserte, John M. Cioffi, and Miguel Angel Lagunas). 8.1 Introduction. 8.2 Convex Optimization Theory. 8.3 SystemModel and Preliminaries. 8.4 Beamforming Design for MIMO Channels: A Convex Optimization Approach. 8.5 An Application to Robust Transmitter Design in MIMO Channels. 8.6 Summary. References. 9 MIMO Communications with Partial Channel State Information (Shengli Zhou and Georgios B. Giannakis). 9.1 Introduction. 9.2 Partial CSI Models. 9.3 Capacity-Optimal Designs. 9.4 Error Performance Oriented Designs. 9.5 Adaptive Modulation with Partial CSI. 9.6 Conclusions. Appendix. References. Index.

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Book SynopsisThis book presents an in-depth treatment of various power reduction and speed enhancement techniques based on multiple supply and threshold voltages.Table of ContentsAbout the Authors xi Preface xiii Acknowledgments xv Chapter 1 Introduction 1 1.1 Evolution of Integrated Circuits 3 1.2 Outline of the Book 14 Chapter 2 Sources of Power Consumption in CMOS ICs 19 2.1 Dynamic Switching Power 19 2.2 Leakage Power 22 2.2.1 Subthreshold Leakage Current 22 2.2.1.1 Short-Channel Effects 23 2.2.1.2 Drain-Induced Barrier-Lowering 25 2.2.1.3 Characterization of Subthreshold Leakage Current 25 2.2.2 Gate Oxide Leakage Current 28 2.2.2.1 Effect of Technology Scaling on Gate Oxide Leakage 29 2.2.2.2 Characterization of Gate Oxide Leakage Current 32 2.2.2.3 Alternative Gate Dielectric Materials 38 2.3 Short-Circuit Power 39 2.4 Static DC Power 43 Chapter 3 Supply and Threshold Voltage Scaling Techniques 45 3.1 Dynamic Supply Voltage Scaling 48 3.2 Multiple Supply Voltage CMOS 51 3.3 Threshold Voltage Scaling 54 3.3.1 Body Bias Techniques 58 3.3.1.1 Reverse Body Bias 58 3.3.1.2 Forward Body Bias 64 3.3.1.3 Bidirectional Body Bias 71 3.3.2 Multiple Threshold Voltage CMOS 74 3.4 Multiple Supply and Threshold Voltage CMOS 77 3.5 Dynamic Supply and Threshold Voltage Scaling 80 3.6 Circuits with Multiple Voltage and Clock Domains 81 3.7 Summary 83 Chapter 4 Low-Voltage Power Supplies 85 4.1 Linear DC–DC Converters 87 4.2 Switched-Capacitor DC–DC Converters 90 4.3 Switching DC–DC Converters 91 4.3.1 Operation of a Buck Converter 92 4.3.2 Power Reduction Techniques for Switching DC–DC Converters 95 4.4 Summary 95 Chapter 5 Buck Converters for On-Chip Integration 99 5.1 Circuit Model of a Buck Converter 101 5.1.1 MOSFET-Related Power Losses 101 5.1.2 Filter Inductor-Related Power Losses 103 5.1.3 Filter Capacitor-Related Power Losses 103 5.1.4 Total Power Consumption of a Buck Converter 104 5.2 Efficiency Analysis of a Buck Converter 104 5.2.1 Circuit Analysis for Global Maximum Efficiency 105 5.2.2 Circuit Analysis with Limited Filter Capacitance 108 5.2.3 Output Voltage Ripple Constraint 109 5.3 Simulation Results 109 5.4 Summary 112 Chapter 6 Low-Voltage Swing Monolithic DC–DC Conversion 115 6.1 Circuit Model of a Low-Voltage Swing Buck Converter 116 6.1.1 MOSFET Power Dissipation 118 6.1.2 MOSFET Model 119 6.1.3 Filter Inductor Power Dissipation 120 6.2 Low-Voltage Swing Buck Converter Analysis 121 6.2.1 Full Swing Circuit Analysis for Global Maximum Efficiency 121 6.2.2 Low Swing Circuit Analysis for Global Maximum Efficiency 123 6.3 Summary 126 Chapter 7 High Input Voltage Step-Down DC–DC Converters 127 7.1 Cascode Bridge Circuits 129 7.1.1 Cascode Bridge Circuit for Input Voltages up to 2Vmax 129 7.1.2 Cascode Bridge Circuit for Input Voltages up to 3Vmax 130 7.1.3 Cascode Bridge Circuit for Input Voltages up to 4Vmax 132 7.2 High Input Voltage Monolithic Switching DC–DC Converters 133 7.2.1 Operation of Cascode DC–DC Converters 133 7.2.2 Efficiency Characteristics of DC–DC Converters Operating at Input Voltages up to 2Vmax 136 7.2.3 Efficiency Characteristics of DC–DC Converters Operating at Input Voltages up to 3Vmax 137 7.3 Summary 138 Chapter 8 Signal Transfer in ICs with Multiple Supply Voltages 139 8.1 A High-Speed and Low-Power Voltage Interface Circuit 140 8.2 Voltage Interface Circuit Simulation Results 141 8.3 Experimental Results 144 8.4 Summary 146 Chapter 9 Domino Logic with Variable Threshold Voltage Keeper 147 9.1 Standard Domino (SD) Logic Circuits 148 9.1.1 Operation of Standard Domino Logic Circuits 148 9.1.2 Noise Immunity, Delay, and Energy Tradeoffs 150 9.2 Domino Logic with Variable Threshold Voltage Keeper (DVTVK) 153 9.2.1 Variable Threshold Voltage Keeper 153 9.2.2 Dynamic Body Bias Generator 155 9.3 Simulation Results 156 9.3.1 Multiple-Output Domino Carry Generator with Variable Threshold Voltage Keeper 156 9.3.1.1 Improved Delay and Power Characteristics with Comparable Noise Immunity 158 9.3.1.2 Improved Noise Immunity with Comparable Delay or Power Characteristics 160 9.3.2 Clock-Delayed Domino Logic with Variable Threshold Voltage Keeper 161 9.3.3 Energy Overhead of the Dynamic Body Bias Generator 163 9.4 Domino Logic with Forward and Reverse Body Biased Keeper 164 9.4.1 Clock-Delayed Domino Logic with Forward and Reverse Body Biased Keeper 165 9.4.2 Technology Scaling Characteristics of the Reverse and Forward Body Bias Techniques Applied to a Keeper Transistor 168 9.5 Summary 169 Chapter 10 Subthreshold Leakage Current Characteristics of Dynamic Circuits 171 10.1 State-Dependent Subthreshold Leakage Current Characteristics 172 10.2 Noise Immunity 177 10.3 Power and Delay Characteristics in the Active Mode 180 10.4 Dual Threshold Voltage CMOS Technology 182 10.5 Summary 186 Chapter 11 Sleep Switch Dual Threshold Voltage Domino Logic 187 11.1 Existing Sleep Mode Circuit Techniques 188 11.2 Dual Threshold Voltage Domino Logic Employing Sleep Switches 190 11.3 Simulation Results 191 11.3.1 Subthreshold Leakage Energy Reduction 193 11.3.2 Stack Effect in Domino Logic Circuits 194 11.3.3 Delay and Power Reduction in the Active Mode 197 11.3.4 Sleep/Wake-Up Delay and Energy Overhead 197 11.4 Noise Immunity Compensation 200 11.5 Summary 204 Chapter 12 Conclusions 205 Bibliography 211 Index 221

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Book SynopsisFully revised and updated, the second edition of Mobile Messaging Technologies and Services continues to provide an in--depth description of existing and forthcoming messaging services and their underlying technologies.Table of ContentsPreface. About the Author. Typographic Conventions. 1 Basic Concepts. 1.1 Generations of Mobile Communications Networks. 1.2 Telecommunications Context: Standardization and Regulation. 1.3 Global System for Mobile Communication. 1.4 General Packet Radio Service. 1.5 Universal Mobile Telecommunications System. 1.6 Wireless Application Protocol. 2 Standardization. 2.1 Messaging Roadmap. 2.2 MMS Standards. 2.3 Third Generation Partnership Project. 2.4 Third Generation Partnership Project 2. 2.5 GSM Association. 2.6 Internet Engineering Task Force. 2.7 World Wide Web Consortium. 2.8 WAP Forum. 2.9 Open Mobile Alliance. 2.10 Further Reading. 3 Short Message Service. 3.1 Service Description. 3.2 SMS Use Cases. 3.3 Architecture for GSM Networks. 3.4 SMS Basic Features. 3.5 Technical Specification Synopsis. 3.6 Protocol Layers. 3.7 Structure of a Message Segment. 3.8 Settings and Message Storage in the SIM. 3.9 Message Submission.9 3.10 Message Submission Report. 3.11 Message Delivery. 3.12 Message Delivery Report. 3.13 Status Report. 3.14 Command. 3.15 User Data Header and User Data. 3.16 Network Functions for Message Delivery. 3.17 SMSC Access Protocols. 3.18 SIM Application Toolkit. 3.19 SMS and AT Commands. 3.20 SMS and Email Interworking. 3.21 Index of TPDU parameters. 3.22 Pros and Cons of SMS. 3.23 Further Reading. 4 Enhanced Messaging Service. 4.1 Service Description. 4.2 EMS Compatibility with SMS. 4.3 Basic EMS. 4.4 Extended EMS. 4.5 Pros and Cons of EMS. 4.6 Further Reading. 5 Multimedia Messaging Service: Service and Architecture. 5.1 MMS Success Enablers. 5.2 Commercial Availability of MMS. 5.3 MMS Compared with Other Messaging Services. 5.4 Value Proposition of MMS. 5.5 Billing Models. 5.6 Usage Scenarios. 5.7 Architecture. 5.8 Standardization Roadmap for MMS. 5.9 WAP Realizations of MMS. 5.10 Service Features. 5.11 Message Sending. 5.12 Message Retrieval. 5.13 Message Reports. 5.14 Message Forward. 5.15 Reply Charging. 5.16 Addressing Modes. 5.17 Settings of MMS-Capable Devices. 5.18 Storage of MMS Settings and Notifications in the (U)SIM. 5.19 Multimedia Message Boxes. 5.20 Value-Added Services. 5.21 Content Adaptation. 5.22 Streaming. 5.23 Charging and Billing. 5.24 Security Considerations. 5.25 Multimedia Message. 5.26 Multipart Structure. 5.27 Message Content Domains and Classes. 5.28 Media Types, Formats, and Codecs. 5.29 Scene Description. 5.30 Example of a Multimedia Message. 5.31 DRM Protection of Media Objects. 5.32 Postcard Service. 5.33 Message Size Measurement. 5.34 Commercial Solutions and Developer Tools. 5.35 The Future of MMS. 5.36 Further Reading. 6 Multimedia Messaging Service, Transactions Flows. 6.1 Introduction to the MMS Transaction Model. 6.2 MM1 Interface, MMS Client–MMSC. 6.3 MM2 Interface, Internal MMSC Interface. 6.4 MM3 Interface, MMSC–External Servers. 6.5 MM4 Interface, MMSC–MMSC. 6.6 MM5 Interface, MMSC–HLR. 6.7 MM6 Interface, MMSC–User Databases. 6.8 MM7 Interface, MMSC–VAS Applications. 6.9 MM8 Interface, MMSC–Post-Processing Billing System. 6.10 MM9 Interface, MMSC–Online Charging System. 6.11 MM10 Interface, MMSC–Messaging Service Control Function. 6.12 STI and MMS Transcoding. 6.13 Standard Conformance and Interoperability Testing. 6.14 Implementations of Different Versions of the MMS Protocol. References. Appendices. Appendix A: SMS TP-PID Value for Telematic Interworking. Appendix B: SMS–Numeric and Alphanumeric Representations. B.1 Integer Representation. B.2 Octet Representation. B.3 Semi-Octet Representation. Appendix C: SMS–Character Sets and Transformation Formats. C.1 GSM 7-bit Default Alphabet. C.2 US-ASCII. C.3 Universal Character Set. C.4 UCS Transformation Formats. Appendix D: EMS–iMelody Grammar. Appendix E: MMS–Content Types of Media Objects. Appendix F: MM1 Interface–Response Status Codes (X-Mms-Response-Status). Appendix G: MM1 Interface–Retrieve Status Codes (X-Mms-Retrieve-Status). Appendix H: MM1 Interface–MMBox Store Status Codes (X-Mms-Store-Status). Appendix I: MM4 Interface–Request Status Codes (X-Mms-Request-Status-Code). Appendix J: MM7 Interface–Status Code and Status Text. Acronyms and Abbreviations. Index.

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Book SynopsisAAA (Authentication, Authorization, Accounting) describes a framework for intelligently controlling access to network resources, enforcing policies, and providing the information necessary to bill for services. AAA and Network Security for Mobile Access is an invaluable guide to the AAA concepts and framework, including its protocols Diameter and Radius. The authors give an overview of established and emerging standards for the provision of secure network access for mobile users while providing the basic design concepts and motivations. AAA and Network Security for Mobile Access: Covers trust, i.e., authentication and security key management for fixed and mobile users, and various approaches to trust establishment. Discusses public key infrastructures and provides practical tips on certificates management. Introduces Diameter, a state-of-the-art AAA protocol designed to meet today's reliability, security and robustneTrade Review"…serves to provide planners and researchers in both academic and professional capacities a way in which to completely access pertinent data in a logical and clearly defined manner." (Electric Review, September/October 2006)Table of ContentsForeword xv Preface xvii About the Author xxi Chapter 1 The 3 “A”s: Authentication, Authorization, Accounting 1 1.1 Authentication Concepts 1 1.1.1 Client Authentication 2 1.1.2 Message Authentication 4 1.1.3 Mutual Authentication 5 1.1.4 Models for Authentication Messaging 6 1.1.5 AAA Protocols for Authentication Messaging 7 1.2 Authorization 8 1.2.1 How is it Different from Authentication? 8 1.2.2 Administration Domain and Relationships with the User 9 1.2.3 Standardization of Authorization Procedures 10 1.3 Accounting 13 1.3.1 Accounting Management Architecture 13 1.3.2 Models for Collection of Accounting Data 15 1.3.3 Accounting Security 17 1.3.4 Accounting Reliability 17 1.3.5 Prepaid Service: Authorization and Accounting in Harmony 19 1.4 Generic AAA Architecture 19 1.4.1 Requirements on AAA Protocols Running on NAS 21 1.5 Conclusions and Further Resources 23 1.6 References 23 Chapter 2 Authentication 25 2.1 Examples of Authentication Mechanisms 25 2.1.1 User Authentication Mechanisms 26 2.1.2 Example of Device Authentication Mechanisms 31 2.1.3 Examples of Message Authentication Mechanisms 33 2.2 Classes of Authentication Mechanisms 36 2.2.1 Generic Authentication Mechanisms 41 2.3 Further Resources 44 2.4 References 45 Chapter 3 Key Management Methods 47 3.1 Key Management Taxonomy 47 3.1.1 Key Management Terminology 47 3.1.2 Types of Cryptographic Algorithms 49 3.1.3 Key Management Functions 50 3.1.4 Key Establishment Methods 51 3.2 Management of Symmetric Keys 54 3.2.1 EAP Key Management Methods 54 3.2.2 Diffie–Hellman Key Agreement for Symmetric Key Generation 58 3.2.3 Internet Key Exchange for Symmetric Key Agreement 61 3.2.4 Kerberos and Single Sign On 62 3.2.5 Kerberized Internet Negotiation of Keys (KINK) 66 3.3 Management of Public Keys and PKIs 67 3.4 Further Resources 68 3.5 References 69 Chapter 4 Internet Security and Key Exchange Basics 71 4.1 Introduction: Issues with Link Layer-Only Security 71 4.2 Internet Protocol Security 73 4.2.1 Authentication Header 74 4.2.2 Encapsulating Security Payload 74 4.2.3 IPsec Modes 75 4.2.4 Security Associations and Policies 77 4.2.5 IPsec Databases 78 4.2.6 IPsec Processing 78 4.3 Internet Key Exchange for IPsec 79 4.3.1 IKE Specifications 79 4.3.2 IKE Conversations 81 4.3.3 ISAKMP: The Backstage Protocol for IKE 83 4.3.4 The Gory Details of IKE 86 4.4 Transport Layer Security 91 4.4.1 TLS Handshake for Key Exchange 93 4.4.2 TLS Record Protocol 95 4.4.3 Issues with TLS 96 4.4.4 Wireless Transport Layer Security 96 4.5 Further Resources 96 4.6 References 97 Chapter 5 Introduction on Internet Mobility Protocols 99 5.1 Mobile IP 99 5.1.1 Mobile IP Functional Overview 102 5.1.2 Mobile IP Messaging Security 107 5.2 Shortcomings of Mobile IP Base Specification 109 5.2.1 Mobile IP Bootstrapping Issues 110 5.2.2 Mobile IP Handovers and Their Shortcomings 113 5.3 Seamless Mobility Procedures 117 5.3.1 Candidate Access Router Discovery 118 5.3.2 Context Transfer 120 5.4 Further Resources 125 5.5 References 126 Chapter 6 Remote Access Dial-In User Service (RADIUS) 127 6.1 RADIUS Basics 127 6.2 RADIUS Messaging 128 6.2.1 Message Format 129 6.2.2 RADIUS Extensibility 130 6.2.3 Transport Reliability for RADIUS 130 6.2.4 RADIUS and Security 131 6.3 RADIUS Operation Examples 135 6.3.1 RADIUS Support for PAP 135 6.3.2 RADIUS Support for CHAP 136 6.3.3 RADIUS Interaction with EAP 138 6.3.4 RADIUS Accounting 139 6.4 RADIUS Support for Roaming and Mobility 141 6.4.1 RADIUS Support for Proxy Chaining 142 6.5 RADIUS Issues 143 6.6 Further Resources 144 6.6.1 Commercial RADIUS Resources 144 6.6.2 Free Open Source Material 145 6.7 References 145 Chapter 7 Diameter: Twice the RADIUS? 147 7.1 Election for the Next AAA Protocol 147 7.1.1 The Web of Diameter Specifications 148 7.1.2 Diameter Applications 151 7.1.3 Diameter Node Types and their Roles 152 7.2 Diameter Protocol 153 7.2.1 Diameter Messages 153 7.2.2 Diameter Transport and Routing Concepts 157 7.2.3 Capability Negotiations 159 7.2.4 Diameter Security Requirements 160 7.3 Details of Diameter Applications 162 7.3.1 Accounting Message Exchange Example 162 7.3.2 Diameter-Based Authentication, NASREQ 163 7.3.3 Diameter Mobile IP Application 167 7.3.4 Diameter EAP Support 167 7.4 Diameter Versus RADIUS: A Factor 2? 168 7.4.1 Advantages of Diameter over RADIUS 168 7.4.2 Issues with Use of Diameter 170 7.4.3 Diameter-RADIUS Interactions (Translation Agents) 171 7.5 Further Resources 172 7.6 References 172 Chapter 8 AAA and Security for Mobile IP 175 8.1 Architecture and Trust Model 177 8.1.1 Timing Characteristics of Security Associations 178 8.1.2 Key Delivery Mechanisms 181 8.1.3 Overview of Use of Mobile IP-AAA in Key Generation 182 8.2 Mobile IPv4 Extensions for Interaction with AAA 184 8.2.1 MN-AAA Authentication Extension 184 8.2.2 Key Generation Extensions (IETF work in progress) 186 8.2.3 Keys to Mobile IP Agents? 187 8.3 AAA Extensions for Interaction with Mobile IP 187 8.3.1 Diameter Mobile IPv4 Application 188 8.3.2 Radius and Mobile IP Interaction: A CDMA2000 Example 196 8.4 Conclusion and Further Resources 200 8.5 References 201 Chapter 9 PKI: Public Key Infrastructure: Fundamentals and Support for IPsec and Mobility 203 9.1 Public Key Infrastructures: Concepts and Elements 204 9.1.1 Certificates 204 9.1.2 Certificate Management Concepts 205 9.1.3 PKI Elements 209 9.1.4 PKI Management Basic Functions 210 9.1.5 Comparison of Existing PKI Management Protocols 212 9.1.6 PKI Operation Protocols 221 9.2 PKI for Mobility Support 222 9.2.1 Identity Management for Mobile Clients: No IP Addresses! 222 9.2.2 Certification and Distribution Issues 225 9.3 Using Certificates in IKE 227 9.3.1 Exchange of Certificates within IKE 229 9.3.2 Identity Management for ISAKMP: No IP Address, Please! 231 9.4 Further Resources 232 9.5 References 232 9.6 Appendix A PKCS Documents 233 Chapter 10 Latest Authentication Mechanisms, EAP Flavors 235 10.1 Introduction 235 10.1.1 EAP Transport Mechanisms 237 10.1.2 EAP over LAN (EAPOL) 237 10.1.3 EAP over AAA Protocols 238 10.2 Protocol Overview 239 10.3 EAP-XXX 242 10.3.1 EAP-TLS (TLS over EAP) 244 10.3.2 EAP-TTLS 248 10.3.3 EAP-SIM 257 10.4 Use of EAP in 802 Networks 259 10.4.1 802.1X Port-Based Authentication 259 10.4.2 Lightweight Extensible Authentication Protocol (LEAP) 260 10.4.3 PEAP 262 10.5 Further Resources 262 10.6 References 263 Chapter 11 AAA and Identity Management for Mobile Access: The World of Operator Co-Existence 265 11.1 Operator Co-existence and Agreements 265 11.1.1 Implications for the User 266 11.1.2 Implications for the Operators 267 11.1.3 Bilateral Billing and Trust Agreements and AAA Issues 269 11.1.4 Brokered Billing and Trust Agreements 272 11.1.5 Billing and Trust Management through an Alliance 274 11.2 A Practical Example: Liberty Alliance 275 11.2.1 Building the Trust Network: Identity Federation 276 11.2.2 Support for Authentication/Sign On/Sign Off 279 11.2.3 Advantages and Limitations of the Liberty Alliance 282 11.3 IETF Procedures 283 11.4 Further Resources 285 11.5 References 285 Index 287

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Book SynopsisSee the future through the vision of the Wireless World Research Forum. Technologies for the Wireless Future, the result of pioneering cooperative work of many academic and industrial researchers from WWRF, provides a wide picture of the research challenges for the future wireless world. Despite much emphasis on hard technology, the user is certainly not forgotten as this book provides an all-encompassing treatment of future wireless technologies ranging from user centred design processes and I-centric communications to end-to-end econfigurability and short-range wireless networks. The content will have a wide-ranging appeal to engineers, researchers, managers and students with interest on future of wireless. An important publication that highlights the significance of WWRF to the wireless industry. Rarely has one publication covered the whole spectrum of future wireless technologies from human sciences to radio interface technologies, highlighting the research work done bothTable of ContentsForeword. Preface. Acknowledgements. List of Figures. 1. Introduction Edited by Mikko Uusitalo and Sudhir Dixit (Nokia). 1.1 Goals and Objectives . 1.2 Evolution Beyond 3G. 1.3 Vision of the Wireless World. 1.4 The International Context and 4G Activities. 1.5 Working Groups of the WWRF. 1.6 References. 1.7 Credits. 2. A User-Centred Approach to the Wireless World Edited by Ken Crisler (Motorola). 2.1 UCD Processes for Wireless World Research. 2.2 A User-Focused Reference Model for Wireless Systems Beyond 3G. 2.3 The Use of Scenarios for the Wireless World. 2.4 User Interface Technologies and Techniques. 2.5 References. 2.6 Credits. 3. Service Infrastructures Edited by Radu Popescu-Zeletin and Stefan Arbanowski (Fraunhofer FOKUS). 3.1 I-centric Communications – Basic Terminology. 3.2 Business Models in the Future Wireless World. 3.3 Personalization for the Future Wireless World. 3.4 Ambient Awareness in Wireless Information and Communication Services. 3.5 Generic Service Elements for Adaptive Applications. 3.6 References. 3.7 Credits. 4. Cooperation Between Networks Edited by Rahim Tafazolli, Klaus Moessner Christos Politis (The University of Surrey, UK) and Tasos Dagiuklas (University of Aegean, Greece). 4.1 CoNet Vision and Roadmap. 4.2 Cooperative Network Research Challenges. 4.3 CoNet Architectural Principles. 4.4 Network Component Technologies for Cooperative Networks. 4.5 References. 4.6 Credits. 5. End-to-End Reconfigurability Edited by Rahim Tafazolli (University of Surrey), Didier Bourse (Motorola) and Klaus Moessner (University of Surrey) 5.1 Reconfigurable Systems and Reference Models. 5.2 RF/IF Architectures for Software-defined Radios. 5.3 SDR Baseband. 5.4 Reconfiguration Management and Interfaces. 5.5 References. 5.6 Credits. 6. Technologies to Improve Spectrum Efficiency Edited by Bernhard Walke and Ralf Pabst (Aachen University, ComNets). 6.1 Ad Hoc Networking. 6.2 Relay-based Deployment Concepts for Wireless and Mobile Broadband Cellular Radio. 6.3 Spectrum for Future Mobile and Wireless Communications. 6.4 References. 6.5 Credits . 7. New Air Interface Technologies Edited by Bernhard Walke and Ralf Pabst (Aachen University, ComNets). 7.1 Broadband MultiCarrier-based Air Interface for Future Mobile Radio Systems. 7.2 A Mixed OFDM/Single Carrier Air Interface. 7.3 Smart Antennas and Related Technologies. 7.4 Short-range Wireless Networks. 7.5 Ultra-Wideband Radio Technology. 7.6 References. 7.7 Credits. 8. Scenarios for the Future Wireless Market Edited by Ross Pow (Analysys) and Klaus Moessner (The University of Surrey). 8.1 Current Status and Prediction for Evolution of the Wireless Market. 8.2 The Wireless World of the ‘Blue’ Scenario. 8.3 The Wireless World of the ‘Red’ Scenario. 8.4 The Wireless World of the ‘Green’ Scenario. 8.5 Credits. 9. Reference Model and Technology Roadmap Edited by Andreas Schieder (Ericsson). 9.1 Introduction. 9.2 The Starting Point. 9.3 The Reference Model. 9.4 Background. 9.5 Conclusions. 9.6 References. 9.7 Credits. Appendix 1: Glossary. Appendix 2: Definitions. Index.

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Book SynopsisDue to the dramatic increase in competition over the last few years, it has become more and more important for Internet Service Providers (ISPs) to run an efficient business and offer an adequate Quality of Service. The Competitive Internet Service Provider is a comprehensive guide for those seeking to do just that.Table of ContentsForeword. List of Figures. List of Tables. List of Abbreviations. Part I Introduction and Basics. 1 Introduction. 1.1 Motivation. 1.2 Efficiency and Quality of Service. 1.3 Action Space and Approach. 1.4 Overview. 2 Internet Service Providers. 2.1 A Classification Model for ISPs. 2.2 Classification of Selected Providers. 2.3 Summary and Conclusions. 3 Performance Analysis Basics. 3.1 Queueing Theory. 3.2 Network Calculus. 3.3 Optimisation Techniques. 3.4 Summary and Conclusions. 4 Internet Protocols. 4.1 The Internet Protocol Stack. 4.2 Summary and Conclusions. 5 Applications. 5.1 World Wide Web. 5.2 Peer-to-Peer Applications. 5.3 Online Games. 5.4 Voice over IP. 5.5 Traffic Classification. 5.6 Summary and Conclusions. Part II Network Architecture. 6 Network Architecture Overview. 6.1 Introduction. 6.2 Quality of Service Architectures. 6.3 Data Forwarding Architecture. 6.4 Signalling Architecture. 6.5 Security Architecture. 6.6 Admission Control. 6.7 Summary and Conclusions. 7 Analytical Comparison of Quality of Service Systems. 7.1 On the Benefit of Admission Control. 7.2 On the Benefit of Service Differentiation. 8 Experimental Comparison of Quality of Service Systems. 8.1 QoS Systems. 8.2 Experiment Setup. 8.3 Per-flow versus Per-class Scheduling. 8.4 Central versus Decentral Admission Control. 8.5 Direct Comparison. 8.6 Summary and Conclusions. Part III Interconnections. 9 Interconnections Overview. 9.1 A Macroscopic View on Interconnections. 9.2 A Microscopic View on Interconnections. 9.3 Interconnection Method. 9.4 Interconnection Mix. 9.5 Summary and Conclusions. 10 Optimising the Interconnection Mix. 10.1 Costs. 10.2 Reliability. 10.3 Quality of Service. 10.4 Environment Changes. 10.5 Summary and Conclusions. Part IV Traffic and Network Engineering. 11 Traffic and Network Engineering Overview. 11.1 Network Design and Network Engineering. 11.2 Traffic Engineering. 11.3 Traffic Matrix Estimation. 11.4 Summary and Conclusions. 12 Evaluation of Traffic Engineering. 12.1 Traffic Engineering Performance Metrics. 12.2 Traffic Engineering Strategies. 12.3 Experiment Setup. 12.4 Explicit Routing versus Path Selection. 12.5 Performance Evaluation. 12.6 Singlepath versus Multipath. 12.7 Influence of the Set of Paths. 12.8 Summary and Conclusions. 13 Network Engineering. 13.1 Quality of Service Systems and Network Engineering. 13.2 Capacity Expansion. 13.3 On the Influence of Elastic Traffic. 13.4 Summary and Conclusions. Part V Appendices. A Topologies Used in the Experiments. B Experimental Comparison of Quality-of-service Systems. C Analytical Comparison of Interconnection Methods. C.1 Internet Exchange Point Cost Models. C.2 Cost Efficiency of an Internet Exchange Point. C.3 LAN versus MAN IXP Structure. D Elasticity of Traffic Matrices – Network Models. D.1 Basic Model. D.2 Discrete Service Times. D.3 Self-similar Traffic. D.4 Related Work. References. Index.

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Book SynopsisThroughout the next decade, 802 wireless systems will become an integral part of fourth generation (4G) cellular communication systems, where the convergence of wireless and cellular networks will materialize through support of interworking and seamless roaming across dissimilar wireless and cellular radio access technologies. IEEE 802 Wireless Systems clearly describes the leading systems, covering IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15 WPAN, IEEE 802.16 WMAN systems' architecture, standards and protocols (including mesh) with an instructive approach allowing individuals unfamiliar with wireless systems to follow and understand these technologies. Ranging from digital radio transmission fundamentals, duplex, multiplexing and switching to medium access control, radio spectrum regulation, coexistence and spectrum sharing, this book also offers new solutions to broadband multi-hop networking for cellular and ad hoc operation. The book Gives a comprehensive overview and performancTable of ContentsPreface. 1 Introduction (Bernhard Walke, Guido Hiertz and Lars Berlemann). 1.1 Standardization. 1.2 Next-Generation Systems. 1.3 The IEEE 802 Project. 1.4 Motivation and Outline. 2 Wireless Communication – Basics (Bernhard Walke, Lars Berlemann, Guido Hiertz, Christian Hoymann, Ingo Forkel and Stefan Mangold). 2.1 Radio Transmission Fundamentals. 2.2 Duplexing Schemes. 2.3 Multiplexing. 2.4 Switching in Communication Networks. 2.5 Channel Coding for Error Correction and Error Detection. 2.6 Medium Access Control (MAC) Protocols. 3 Radio Spectrum Regulation (Lars Berlemann and Bernhard Walke). 3.1 Regulation Bodies and Global Institutions. 3.2 Licensed and Unlicensed Spectrum. 3.3 Open Spectrum. 3.4 Summary. 4 Mesh Networks–Basics (Guido Hiertz, Erik Weiss and Bernhard Walke). 4.1 Introduction. 4.2 Classification of Wireless Mesh Networks. 4.3 General Problem Statement. 4.4 Exploiting the Capacity of the Radio Channel by Spatial Reuse. 4.5 Fairness and Congestion Avoidance. 4.6 Routing. 4.7 Summary. 5 IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (Stefan Mangold, Lars Berlemann, Matthias Siebert and Bernhard Walke). 5.1 Scope of 802.11. 5.2 Reference Model, Architecture, Services, Frame Formats. 5.3 Physical Layer. 5.4 Medium Access Control Protocol. 5.5 Medium Access Control with Support for Quality-of-Service. 5.6 Radio Spectrum Management. 5.7 History and Selected Sub-Standards, i.e., Amendments. 6 IEEE 802.15 Wireless Personal Area Networks 6.1 Scope of 802.15. 6.2 802.15.3–High-speed Wireless Personal Area Networks. 6.3 Task Group 3. 6.4 Task Group 3a. 6.5 Task Group 3b. 6.6 Task Group 3c. 6.7 WiMedia (Multiband OFDM) Alliance MAC Layer. 6.8 Next-generation WPAN Technologies. 7 IEEE 802.16 Wireless Metropolitan Area Networks (Christian Hoymann and Bernhard Walke). 7.1 Scope of 802.16. 7.2 Deployment Concept, Reference Model and Target Frequency Bands. 7.3 History and Different Subgroups. 7.4 Physical Layer. 7.5 Medium Access Control Layer. 7.6 System Profiles. 7.7 Space Division Multiple Access. 7.8 Performance Evaluation of 802.16. 7.9 Performance of SDMA Enabled 802.16 Networks. 7.10 Conclusion. 8 IEEE 802.11, 802.15 and 802.16 for Mesh Networks (Guido R. Hiertz, Lars Berlemann, Harianto Wijaya, Christian Hoymann,Stefan Mangold and Bernhard Walke). 8.1 Approaches to Wireless Mesh Networks in IEEE and Industry. 8.2 Extensions to IEEE 802 MAC Protocols – Homogeneous Multi-hop Networks. 8.3 Extensions to IEEE 802 MAC Protocols for Heterogeneous Multi-hop Networks. 8.4 Conclusion. 9 Coexistence in IEEE 802 Networks (Lars Berlemann, Stefan Mangold and Bernhard Walke). 9.1 Homogeneous Coexistence – Spectrum Sharing 802.11e Networks. 9.2 Heterogeneous Coexistence– Unlicensed Operation of 802.16. 9.3 Summary and Conclusion. 10 Broadband Cellular Multi-hop Networks (Bernhard Walke, Ralf Pabst and Daniel C. Schultz). 10.1 Definitions. 10.2 Rationale. 10.3 Related Work. 10.4 Relay-Based Deployment Concept For Cellular Broadband Networks. 10.5 Conclusions. 11 Mutual Integration and Cooperation of Radio Access Networks (Matthias Siebert and Bernhard Walke). 11.1 State-of-the-Art Overview. 11.2 Mobility and Handover. 11.3 Trigger. 12 Future Mesh Technologies (Rui Zhao, Ole Klein, Bernhard Walke and Lars Berlemann). 12.1 Facts on Medium Access Control. 12.2 Mesh Networking for 802.11 WLAN. 12.3 Conclusion. 13 Cognitive Radio and Spectrum Sharing (Lars Berlemann, Stefan Mangold and Bernhard Walke). 13.1 From Software-Defined Radio to Cognitive Radio. 13.2 Cognitive Radio Networks. 13.3 Spectrum Sharing and Flexible Spectrum Access. 13.4 Coexistence-Based Spectrum Sharing. 13.5 Coordination-Based Horizontal Spectrum Sharing. 13.6 Coordination-based Vertical Spectrum Sharing. 13.7 Policies and Etiquette in Spectrum Usage. 13.8 Summary and Conclusion. 14 Conclusions (Bernhard Walke, Lars Berlemann and Stefan Mangold). Abbreviations. References. Index.

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Book SynopsisA highly practical guide rooted in theory to include the necessary background for taking the reader through the planning, implementation and management stages for each type of cellular network. Present day cellular networks are a mixture of the technologies like GSM, EGPRS and WCDMA.Table of ContentsForewords xiii Acknowledgements xvii Introduction xix 1 Cellular Networks 1Ajay R Mishra 1.1 Introduction 1 1.2 First Generation Cellular Networks 1 1.2.1 NMT (Nordic Mobile Telephony) 1 1.2.2 AMPS (Advanced Mobile Phone System) 2 1.3 Second Generation Cellular Networks 2 1.3.1 D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) 3 1.3.2 CDMA (Code Division Multiple Access) 3 1.3.3 GSM (Global System for Mobile Communication) 3 1.3.4 GPRS (General Packet Radio Service) 9 1.3.5 EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution) 10 1.4 Third Generation Cellular Networks 10 1.4.1 CDMA2000 10 1.4.2 UMTS 10 1.4.3 HSDPA in UMTS 12 2 Radio Network Planning and Optimisation 15Johanna Kähkönen, Nezha Larhrissi, Cameron Gillis, Mika Särkioja, Ajay R Mishra and Tarun Sharma 2.1 Radio Network Planning Process 15 2.1.1 Network Planning Projects 15 2.1.2 Network Planning Project Organisation 16 2.1.3 Network Planning Criteria and Targets 17 2.1.4 Network Planning Process Steps 18 2.2 Preplanning in a GSM Radio Network 21 2.2.1 GSM Network Planning Criteria 21 2.2.2 Introducing GPRS in the GSM Network 22 2.2.3 Introducing EGPRS in the GSM Network 23 2.2.4 WCDMA in UMTS 26 2.3 Radio Network Dimensioning 29 2.3.1 Link Budget Calculations 29 2.3.2 Dimensioning in the EGPRS Network 34 2.3.3 Dimensioning in the WCDMA Radio Network 34 2.4 Radio Wave Propagation 40 2.4.1 Okumura–Hata Model 41 2.4.2 Walfish–Ikegami Model 43 2.4.3 Ray Tracing Model 44 2.4.4 Model Tuning 45 2.5 Coverage Planning 46 2.5.1 Coverage Planning in GSM Networks 46 2.5.2 Coverage Planning in EGPRS 54 2.5.3 Coverage Planning in WCDMA Networks 57 2.6 Capacity Planning 57 2.6.1 Capacity Planning in GSM Networks 57 2.6.2 EGPRS Capacity Planning 62 2.6.3 Capacity Planning in WCDMA Networks 69 2.7 Frequency Planning 71 2.7.1 Power Control 73 2.7.2 Discontinuous Transmission 74 2.7.3 Frequency Hopping 74 2.7.4 Interference Analysis 75 2.8 Parameter Planning 76 2.8.1 Parameter Planning in the GSM Network 76 2.8.2 Parameter Planning in the EGPRS Network 78 2.8.3 Parameter Planning in the WCDMA Network 87 2.9 Radio Network Optimisation 106 2.9.1 GSM Radio Network Optimisation Process 106 2.9.2 Optimisation in the EGPRS Network 162 2.9.3 Optimisation in the WCDMA Network 181 3 Transmission Network Planning and Optimisation 197Ajay R Mishra and Jussi Viero 3.1 Access Transmission Network Planning Process 197 3.1.1 Master Planning 197 3.1.2 Detail Planning 198 3.2 Fundamentals of Transmission 199 3.2.1 Modulations 199 3.2.2 Multiple Access Schemes 199 3.3 Digital Hierarchies – PDH and SDH 201 3.3.1 Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) 201 3.3.2 Synchronous Digital Hierarchy (SDH) 203 3.3.3 Asynchronous Transfer Mode (ATM) 217 3.4 Microwave Link Planning 234 3.4.1 Microwave Link 236 3.4.2 Microwave Tower 242 3.4.3 Microwave Link Design 242 3.4.4 LOS Check 246 3.4.5 Link Budget Calculation 247 3.4.6 Repeaters 251 3.5 Microwave Propagation 253 3.5.1 Slow Fading 253 3.5.2 Fast Fading 256 3.5.3 Overcoming Fading 264 3.6 Interface Planning 268 3.6.1 Abis Planning 269 3.6.2 Dynamic Abis 269 3.6.3 Interface Planning in the UMTS Access Transmission Network 272 3.7 Topology Planning 280 3.8 Frequency Planning and Interference 282 3.8.1 Loop Protection 284 3.9 Equipment Planning 285 3.9.1 BSC and TCSM Planning 285 3.10 Timeslot Planning 286 3.10.1 Linear TS Allocation 286 3.10.2 Block TS Allocation 286 3.10.3 TS Grouping 286 3.10.4 TS Planning in the EDGE Network 287 3.12 Transmission Management 291 3.12.1 Element Master 292 3.12.2 Management Buses 292 3.13 Parameter Planning 293 3.13.1 BTS/AXC Parameters 293 3.13.2 RNC Parameters 294 3.14 Transmission Network Optimisation 296 3.14.1 Definition of Transmission 296 3.14.2 GSM/EDGE Transmission Network Optimisation 299 3.14.3 UMTS Transmission Network Optimisation 303 4 Core Network Planning and Optimisation 315James Mungai, Sameer Mathur, Carlos Crespo and Ajay R Mishra Part I Circuit Switched Core Network Planning and Optimisation 315 4.1 Network Design Process 315 4.1.1 Network Assessment 315 4.1.2 Network Dimensioning 319 4.2 Detailed Network Planning 323 4.3 Network Evolution 327 4.3.1 GSM Network 327 4.3.2 3GPP Release 99 Network 328 4.3.3 3GPP Release 4 Network 329 4.3.4 3GPP Release 5 and 6 Networks 332 4.4 3GPP Release 4 Circuit Core Network 335 4.4.1 Release 4 Core Network Architecture 335 4.4.2 CS Network Dimensioning 335 4.5 CS Core Detailed Network Planning 352 4.5.1 Control Plane Detailed Planning 352 4.5.2 Control Plane Routing 358 4.6 User Plane Detailed Planning 359 4.6.1 Configuring Analyses in the MSS 359 4.6.2 Routing Components of the MSC Server 360 4.6.3 User Plane Routing 360 4.7 CS Core Network Optimisation 368 4.7.1 Key Performance Indicators 368 4.7.2 Network Measurements 369 4.7.3 CS Core Network Audit 370 4.7.4 Audit Results Analysis 375 4.7.5 Network Optimisation Results 379 Part II Packet Switched Core Network Planning and Optimisation 379 4.8 Introduction to the PS Core Network 379 4.8.1 Basic MPC Concepts 380 4.8.2 Packet Routing (PDP Context) 382 4.8.3 Interface of the GPRS with the 2G GSM Network 384 4.9 IP Addressing 385 4.9.1 Types of Network 385 4.9.2 Dotted-Decimal Notation 386 4.9.3 Subnetting 387 4.10 IP Routing Protocols 388 4.11 Dimensioning 390 4.11.1 GPRS Protocol Stacks and Overheads 390 4.12 IP backbone Planning and Dimensioning 397 4.12.1 Current Network Assessment 397 4.12.2 Dimensioning of the IP Backbone 398 4.12.3 Bandwidth Calculations 399 4.13 Mobile Packet Core Architecture Planning 399 4.13.1 VLAN 401 4.13.2 Iu-PS Interface 401 4.13.3 Gn Interface Planning 401 4.13.4 Gi Interface Planning 402 4.13.5 Gp Interface Planning 403 4.14 Packet Core Network Optimisation 404 4.14.1 Packet Core Optimisation Approaches 404 4.14.2 Packet Core Optimisation – Main Aspects 405 4.14.3 Key Performance Indicators 408 4.14.4 KPI Monitoring 409 4.15 Security 410 4.15.1 Planning for Security 410 4.15.2 Operational Security 411 4.15.3 Additional Security Aspects 411 4.16 Quality of Service 412 4.16.1 Introduction to QoS 412 4.16.2 QoS Environment 412 4.16.3 QoS Process 412 4.16.4 QoS Performance Management 414 5 Fourth Generation Mobile Networks 417Ajay R Mishra 5.1 Beyond 3G 417 5.2 4G Network Architecture 417 5.3 Feature Framework in a 4G Network 418 5.3.1 Diversity in a 4G Network 418 5.4 Planning Overview for 4G Networks 419 5.4.1 Technologies in Support of 4G 420 5.4.2 Network Architectures in 4G 421 5.4.3 Network Planning in 4G Networks 421 5.5 OFDM 423 5.5.1 What Is OFDM? 423 5.5.2 MIMO Systems 425 5.6 All-IP Network 427 5.6.1 Planning Model All-IP Architecture 428 5.6.2 Quality of Service 432 5.7 Challenges and Limitations of 4G Networks 435 5.7.1 Mobile Station 435 5.7.2 Wireless Network 435 5.7.3 Quality of Service 437 Appendix A: Roll-Out Network Project Management 439Joydeep Hazra A.1 Project Execution 439 A.2 Network Implementation 440 A.2.1 Site Selection and Acquisition 440 A.2.2 Provision of Site Support Elements 444 A.2.3 Site Planning and Equipment Installation 444 A.2.4 Legal Formalities and Permissions 445 A.2.5 Statutory and Safety Requirements 446 A.3 Network Commissioning and Integration 446 A.3.1 Confirming the Checklist 447 A.3.2 Powering-Up and System Precheck 447 A.3.3 Commissioning 447 A.3.4 Inspection and Alarm Testing 448 A.3.5 Parameter Finalisation 448 A.3.6 Tools and Macros 449 A.3.7 Integration of Elements 449 A.3.8 System Verification and Feature Testing 451 A.3.9 System Acceptance 452 A.4 Care Phase 453 A.4.1 Care Agreement 453 A.4.2 Care Services 455 A.4.3 Other Optional O&M Assistance Services 462 Appendix B: HSDPA 467Rafael Sánchez-Mejías B.1 Introduction 467 B.2 HSDPA Performance 468 B.3 Main Changes in HSDPA 468 B.3.1 HSDPA Channels 469 B.3.2 MAC Layer Split 470 B.3.3 Adaptive Modulation and Coding (AMC) Scheme 471 B.3.4 Error Correction (HARQ) 471 B.3.5 Fast Packet Scheduling 472 B.3.6 Code Multiplexing (Optional) 473 B.3.7 Impact on the Iub Interface 474 B.4 Handset Capabilities 475 B.5 HSDPA Planning and Dimensioning 476 B.5.1 Planning Basics 476 B.5.2 HSDPA Dimensioning 476 B.5.3 HSDPA Planning 478 B.6 Further Evolution: Release 6 HSDPA, HSUPA and HSPA 480 B.6.1 HSDPA Release 6 Improvements 480 B.6.2 HSUPA 480 Appendix C: Digital Video Broadcasting 483Lino Dalma C.1 Introduction 483 C.2 Handheld Television: Viewing Issues 483 C.3 System Issues of DVB-H and Broadband Wireless 484 C.4 Mobile Broadcasting 485 C.5 Mobile Broadcasting 485 C.5.1 DVB-H Technology Overview 486 C.6 DVB-H Introduction 486 C.6.1 Motivation for Creating DVB-H 486 C.6.2 Overview of Mobile TV Broadcasting Technology (DVB-H) 487 C.6.3 Overview of DVB-T 488 C.6.4 DVB-H Innovative Elements 490 C.6.5 DVB-T and DVB-H Coexistence 491 Conclusion 492 Appendix D: TETRA Network Planning 493Massimiliano Mattina D.1 TETRA Standard 493 D.2 TETRA Services 495 D.3 TETRA Network Elements 496 D.4 TETRA Main Features 499 D.4.1 Physical Layer 500 D.4.2 TETRA Memorandum of Understanding 502 D.5 Introduction to TETRA Network Planning 502 D.5.1 Radio Network Planning 503 D.5.2 Traffic Capacity Planning 505 Suggested Reading 507 Index 511

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Book SynopsisThe Semantic Web is an idea of World Wide Web inventor Tim Berners-Lee that the Web as a whole can be made more intelligent and perhaps even intuitive about how to serve a users needs. Although search engines index much of the Web''s content, they have little ability to select the pages that a user really wants or needs. Berners-Lee foresees a number of ways in which developers and authors, singly or in collaborations, can use self-descriptions and other techniques so that the context-understanding programs can selectively find what users want. The Semantic Web: Crafting Infrastructure for Agency presents a more holistic view of the current state of development and deployment. This a comprehensive reference to the rapidly developing technologies, which are enabling more intelligent and automated transactions over the internet, and a visionary overview of the implications of deploying such a layer of infrastructure. A through examination of the Semantic Web, inclTable of ContentsForeword. Preface. Part I: Content Concepts. 1. Enhancing the Web. 2. Defining the Semantic Web. 3. Web Information Management. 4. Semantic Web Collaboration and Agency. Part II: Current Technology Overview. 5. Languages and Protocols. 6. Ontologies and the Semantic Web. 7. Organizations and Projects. 8. Application and Tools. 9. Examples of Deployed Systems. Part III: Future Potential. 10. The Next Steps. 11. Extending the Concept. Part IV: Appendix Material. Appendix A: Technical Terms and References. Appendix B: Semantic Web Resources. Appendix C: Lists. Index.

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Book SynopsisThis dynamic text is both a tutorial and reference guide to e-trust in relation to electronic business, e-services, e-applications and e-trusted communications, and explains how trust and reputation are related to e-business, security and risk management.Trade Review"…a useful addition to the library of all those that work in electronic commerce, whether they are technologists or business professionals. Its comprehensiveness and easy-to-follow narrative will be helpful in many projects." (Computing Reviews.com, October 10, 2006) "…this book addresses important issues relative to the creation of confidence in both human/users (agents) and hardware/software systems (objects)." (Ubiquity, August 1, 2006)Table of ContentsPreface. Author Introduction. Acknowledgement. Chapter 1 Trust and Security in Service-Oriented Envirnoments. Chapter 2 Trust Concepts and Trust Model. Chapter 3 Trustworthiness. Chapter 4 Trust Ontology for Service-Oriented Environment. Chapter 5 The Fuzzy and Dynamic Nature of Trust. Chapter 6 Trustworthiness Measure with CCCI. Chapter 7 Trustworthiness systems. Chapter 8 Reputation Concepts and the Reputation Model. Chapter 9 Reputation Ontology. Chapter 10 Reputation Calculation Methodologies. Chapter 11 Reputation Systems. Chapter 12 Trust and Reputation Prediction. Chapter 13 Trust and Reputation Modelling. Chapter 14 The Vision of Trust and Reputation Technology. References. Index.

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Book SynopsisThis book sets out to provide the theoretical foundations that will enable radio network planners to plan model and optimize radio networks using state-of-the-art findings from around the globe. It adopts a logical approach, beginning with the background to the present status of UMTS radio network technology, before devoting equal coverage to planning, modelling and optimization issues. All key planning areas are covered, including the technical and legal implications of network infrastructure sharing, hierarchical cell structure (HCS) deployment, ultra-high-site deployment and the benefits and limitations of using computer-aided design (CAD) software. Theoretical models for UMTS technology are explained as generic system models, stand-alone services and mixed services. Business modelling theory and methods are put forward, taking in propagation calculations, link-level, UMTS static and UMTS dynamic simulations. The challenges and goals of the automated optimization process are exploreTrade Review"…this book really fills a gap in the existing literature …it really helps one understand the WCDMA network…" (IEEE Communications magazine, August 2007)Table of ContentsPreface xiii Acknowledgments xvii List of Acronyms xix Notes on Editors and Contributors xxix PART I INTRODUCTION 1 1 Modern Approaches to Radio Network Modelling and Planning 3Maciej J. Nawrocki, Mischa Dohler and A. Hamid Aghvami 1.1 Historical aspects of radio network planning 3 1.2 Importance and limitations of modelling approaches 5 1.3 Manual versus automated planning 7 References 9 2 Introduction to the UTRA FDD Radio Interface 11Peter Gould 2.1 Introduction to CDMA-based networks 11 2.2 The UTRA FDD air interface 15 2.2.1 Spreading codes 15 2.2.2 Common physical channels 20 2.2.3 Dedicated physical channels 27 2.3 UTRA FDD key mechanisms 29 2.3.1 Cell breathing and soft capacity 29 2.3.2 Interference and power control 31 2.3.3 Soft handover and compressed mode 32 2.4 Parameters that require planning 34 2.4.1 Signal path parameters 34 2.4.2 Power allocation 35 2.4.3 System settings 35 References 35 3 Spectrum and Service Aspects 37Maciej J. Grzybkowski, Ziemowit Neyman and Marcin Ney 3.1 Spectrum aspects 37 3.1.1 Spectrum requirements for UMTS 38 3.1.2 Spectrum identified for UMTS 39 3.1.3 Frequency arrangements for the UMTS terrestrial component 39 3.1.4 Operator spectrum demands 45 3.2 Service features and characteristics 46 References 52 4 Trends for the Near Future 55Maciej J. Nawrocki, Mischa Dohler and A. Hamid Aghvami 4.1 Introduction 55 4.2 Systems yet to be deployed 56 4.2.1 UTRA TDD 56 4.2.2 TD-SCDMA 57 4.2.3 Satellite segment 58 4.3 Enhanced coverage 60 4.3.1 Ultra High Sites (UHS) 61 4.3.2 High Altitude Platform System (HAPS) 61 4.4 Enhanced capacity 61 4.4.1 Hierarchical Cell Structures (HCS) 61 4.4.2 High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) 62 4.4.3 High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) 63 4.4.4 Orthogonal Frequency Division Modulation (OFDM) 64 4.5 Heterogeneous approaches 64 4.5.1 Wireless LANs 64 4.5.2 Wireless MANs (WiMAX) 65 4.6 Concluding Remarks 65 References 65 PART II MODELLING 67 5 Propagation Modelling 69Kamil Staniec, Maciej J. Grzybkowski and Karsten Erlebach 5.1 Radio channels in wideband CDMA systems 69 5.1.1 Electromagnetic wave propagation 69 5.1.2 Wideband radio channel characterisation 73 5.1.3 Introduction to deterministic methods in modelling WCDMA systems 75 5.1.4 Deterministic methods: comparison of performance 79 5.2 Application of empirical and deterministic models in picocell planning 80 5.2.1 Techniques for indoor modelling 80 5.2.2 Techniques for outdoor-to-indoor modelling 82 5.3 Application of empirical and deterministic models in microcell planning 84 5.3.1 COST 231 Walfisch–Ikegami model 85 5.3.2 Manhattan model 87 5.3.3 Other microcellular propagation models 88 5.4 Application of empirical and deterministic models in macrocell planning 90 5.4.1 Modified Hata 90 5.4.2 Other models 91 5.5 Propagation models of interfering signals 94 5.5.1 ITU-R 1546 model 94 5.5.2 ITU-R 452 model 100 5.5.3 Statistics in the Modified Hata model 104 5.6 Radio propagation model calibration 105 5.6.1 Tuning algorithms 106 5.6.2 Single and multiple slope approaches 108 Appendix: Calculation of inverse complementary cumulative normal distribution function 110 References 111 6 Theoretical Models for UMTS Radio Networks 115Hans-Florian Geerdes, Andreas Eisenblätter, Piotr M. S³obodzian, Mikio Iwamura, Mischa Dohler, Rafa³ Zdunek, Peter Gould and Maciej J. Nawrocki 6.1 Antenna modelling 115 6.1.1 Mobile terminal antenna modelling 117 6.1.2 Base station antenna modelling 118 6.2 Link level model 122 6.2.1 Relation to other models 123 6.2.2 Link level simulation chain 124 6.2.3 Link level receiver components 126 6.2.4 Link level receiver detectors 128 6.3 Capacity considerations 134 6.3.1 Capacity of a single cell system 134 6.3.2 Downlink power-limited capacity 134 6.3.3 Uplink power-limited capacity 137 6.4 Static system level model 139 6.4.1 Link level aspects 140 6.4.2 Propagation data 141 6.4.3 Equipment modelling 142 6.4.4 Transmit powers and power control 144 6.4.5 Services and user-specific properties 146 6.4.6 Soft handover 147 6.4.7 Complete model 148 6.4.8 Applications of a static system-level network model 149 6.4.9 Power control at cell level 152 6.4.10 Equation system solving 157 6.5 Dynamic system level model 161 6.5.1 Similarities and differences between static and dynamic models 161 6.5.2 Generic system model 162 6.5.3 Input/output parameters 164 6.5.4 Mobility models 164 6.5.5 Traffic models 165 6.5.6 Path loss models 167 6.5.7 Shadowing models 168 6.5.8 Modelling of small scale fading 169 6.5.9 SIR calculation 170 References 172 7 Business Modelling Goals and Methods 177Marcin Ney 7.1 Business modelling goals 177 7.1.1 New business planning 177 7.1.2 Infrastructure development 178 7.1.3 Budgeting 179 7.2 Business modelling methods 179 7.2.1 Trends and statistical approach 180 7.2.2 Benchmarking and drivers 181 7.2.3 Detailed quantitative models 181 7.2.4 Other non-quantitative methods 182 References 183 PART III PLANNING 185 8 Fundamentals of Business Planning for Mobile Networks 187Marcin Ney 8.1 Process description 187 8.1.1 Market analysis and forecasting 187 8.1.2 Modelling the system 189 8.1.3 Financial issues 190 8.1.4 Recommendations 190 8.2 Technical investment calculation 191 8.2.1 CAPEX calculation methods 191 8.2.2 OPEX calculation methods 196 8.2.3 The role of drivers: Sanity checking 197 8.3 Revenue and non-technical related investment calculation 198 8.3.1 Input parameters and assumptions 198 8.3.2 Revenue calculation methods 199 8.3.3 Non-technical related investments 199 8.4 Business planning results 199 8.4.1 Business plan output parameters 200 8.4.2 Business plan assessment methods 200 References 201 9 Fundamentals of Network Characteristics 203Maciej J. Nawrocki 9.1 Power characteristics estimation 203 9.1.1 Distance to home base station dependency 203 9.1.2 Traffic load dependency 207 9.2 Network capacity considerations 210 9.2.1 Irregular base station distribution grid 210 9.2.2 Improper antenna azimuth arrangement 212 9.3 Required minimum network size for calculations 214 References 218 10 Fundamentals of Practical Radio Access Network Design 219Ziemowit Neyman and Mischa Dohler 10.1 Introduction 219 10.2 Input parameters 222 10.2.1 Base station classification 222 10.2.2 Hardware parameters 222 10.2.3 Environmental specifics 229 10.2.4 Technology essentials 231 10.3 Network dimensioning 238 10.3.1 Coverage versus capacity 238 10.3.2 Cell coverage 239 10.3.3 Cell Erlang capacity 249 10.4 Detailed network planning 251 10.4.1 Site-to-site distance and antenna height 252 10.4.2 Site location 254 10.4.3 Sectorisation 256 10.4.4 Antenna and sector direction 259 10.4.5 Electrical and mechanical tilt 260 10.4.6 Temporal aspects in HCS 263 References 268 11 Compatibility of UMTS Systems 271Maciej J. Grzybkowski 11.1 Scenarios of interference 272 11.1.1 Interference between UMTS and other systems 272 11.1.2 Intra-system interference 274 11.2 Approaches to compatibility calculations 275 11.2.1 Principles of compatibility calculations 275 11.2.2 Minimum Coupling Loss (MCL) method 280 11.2.3 Monte Carlo (MC) method 283 11.2.4 Propagation models for compatibility calculations 284 11.2.5 Characteristics of UTRA stations for the compatibility calculations 286 11.3 Internal electromagnetic compatibility 286 11.4 External electromagnetic compatibility 292 11.4.1 UMTS TDD versus DECT WLL 292 11.4.2 Compatibility between UMTS and Radio Astronomy Service 294 11.4.3 Compatibility between UMTS and MMDS 295 11.5 International cross-border coordination 296 11.5.1 Principles of coordination 296 11.5.2 Propagation models for coordination calculations 297 11.5.3 Application of preferential frequencies 298 11.5.4 Use of preferential codes 300 11.5.5 Examples of coordination agreements 301 References 305 12 Network Design – Specialised Aspects 309Marcin Ney, Peter Gould and Karsten Erlebach 12.1 Network infrastructure sharing 309 12.1.1 Network sharing methods 309 12.1.2 Legal aspects 313 12.1.3 Drivers for sharing 314 12.2 Adjacent channel interference control 315 12.3 Fundamentals of Ultra High Site deployment 318 References 320 PART IV OPTIMISATION 321 13 Introduction to Optimisation of the UMTS Radio Network 323Roni Abiri and Maciej J. Nawrocki 13.1 Automation of radio network optimisation 324 13.2 What should be optimised and why? 325 13.3 How do we benchmark the optimisation results? 326 13.3.1 Location based information 327 13.3.2 Sectors and network statistical data 328 13.3.3 Cost and optimisation efforts 330 References 331 14 Theory of Automated Network Optimisation 333Alexander Gerdenitsch, Andreas Eisenblätter, Hans-Florian Geerdes, Roni Abiri, Michael Livschitz, Ziemowit Neyman and Maciej J. Nawrocki 14.1 Introduction 333 14.1.1 From practice to optimisation models 334 14.1.2 Optimisation techniques 335 14.2 Optimisation parameters for static models 339 14.2.1 Site location and configuration 340 14.2.2 Antenna related parameter 340 14.2.3 CPICH power 344 14.3 Optimisation targets and objective function 345 14.3.1 Coverage 345 14.3.2 Capacity 346 14.3.3 Soft handover areas and pilot pollution 347 14.3.4 Cost of implementation 348 14.3.5 Combination and further possibilities 348 14.3.6 Additional practical and technical constraints 348 14.3.7 Example of objective function properties 349 14.4 Network optimisation with evolutionary algorithms 354 14.4.1 Genetic algorithms 355 14.4.2 Evolution strategies 357 14.4.3 Practical implementation of GA for tilt and CPICH 361 14.5 Optimisation without simulation 366 14.5.1 Geometry-based configuration methods 366 14.5.2 Coverage-driven approaches 368 14.5.3 Advanced models 369 14.5.4 Expected coupling matrices 372 14.6 Comparison and suitability of algorithms 373 14.6.1 General strategies 374 14.6.2 Discussion of methods 374 14.6.3 Combination of methods 375 References 375 15 Automatic Network Design 379Roni Abiri, Ziemowit Neyman, Andreas Eisenblätter and Hans-Florian Geerdes 15.1 The key challenges in UMTS network optimisation 379 15.1.1 Problem definition 379 15.1.2 Matching UMTS coverage to GSM 380 15.1.3 Supporting high bit rate data services 381 15.1.4 Handling dual technology networks 382 15.2 Engineering case studies for network optimisation 382 15.2.1 Example network description 383 15.2.2 Pre-launched (unloaded) network optimisation 383 15.2.3 Loaded network optimisation 389 15.3 Case study: optimising base station location and parameters 395 15.3.1 Data setting 396 15.3.2 Optimisation approach 397 15.3.3 Results 399 15.3.4 Conclusions 402 References 403 16 Auto-tuning of RRM Parameters in UMTS Networks 405Zwi Altman, Hervé Dubreil, Ridha Nasri, Ouassim Ben Amor, Jean-Marc Picard, Vincent Diascorn and Maurice Clerc 16.1 Introduction 405 16.2 Radio resource management for controlling network quality 406 16.3 Auto-tuning of RRM parameters 408 16.3.1 Parameter selection for auto-tuning 408 16.3.2 Target selection for auto-tuning 410 16.3.3 Fuzzy logic controllers (FLC) 410 16.3.4 Case study: Auto-tuning of macrodiversity 412 16.4 Optimisation strategies of the auto-tuning process 415 16.4.1 Off-line optimisation using Particle Swarm approach 416 16.4.2 On-line optimisation using reinforcement learning 421 16.5 Conclusions 425 Acknowledgement 425 References 425 17 UTRAN Transmission Infrastructure Planning and Optimisation 427Karsten Erlebach, Zbigniew Jóskiewicz and Marcin Ney 17.1 Introduction 427 17.1.1 Short UTRAN overview 428 17.1.2 Requirements for UTRAN transmission infrastructure 428 17.2 Protocol solutions for UTRAN transmission infrastructure 430 17.2.1 Main considerations for ATM layer protocols in current 3G networks 430 17.2.2 MPLS-architecture for future 3G transmissions 443 17.2.3 The path to direct IP transmission networking 444 17.3 End-to-end transmission dimensioning approach 446 17.3.1 Dimensioning of Node B throughput 446 17.3.2 Traffic dimensioning of the ATM network 451 17.3.3 Traffic dimensioning of the IP-Network 452 17.4 Network solutions for UTRAN transmission infrastructure 456 17.4.1 Leased lines 456 17.4.2 Point-to-point systems 457 17.4.3 Point-to-multipoint systems – LMDS 460 17.4.4 WiMAX as a potential UTRAN backhaul solution 468 17.5 Efficient use of WiMAX in UTRAN 472 17.5.1 Dimensioning of WiMAX for UTRAN infrastructure 472 17.5.2 Current WiMAX limitations 473 17.6 Cost-effective radio solution for UTRAN infrastructure 474 17.6.1 RF planning aspects 474 17.6.2 Throughput dimensioning 475 17.6.3 Methods of finding optimal LMDS network configurations 476 17.6.4 Costs evaluation of UTRAN infrastructure – software example 485 17.6.5 Example calculations and comparison of results 487 References 493 Concluding Remarks 497 Index 501

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Book SynopsisRadio Network Planning and Optimisation for UMTS, Second Edition, is a comprehensive and fully updated introduction to WCDMA radio access technology used in UMTS, featuring new content on key developments. Written by leading experts at Nokia, the first edition quickly established itself as a best-selling and highly respected book on how to dimension, plan and optimise UMTS networks. This valuable text examines current and future radio network management issues and their impact on network performance as well as the relevant capacity and coverage enhancement methods. In addition to coverage of WCDMA radio access technology used in UMTS, and the planning and optimisation of such a system, the service control and management concept in WCDMA and GPRS networks are also introduced. This is an excellent source of information for those considering future cellular networks where Quality of Service (QoS) is of paramount importance. Key features of the Second Edition include:<Trade Review"…a wonderful reference for anyone interested in planning radio-based networks." (Computing Reviews.com, May 2, 2007)Table of ContentsPreface. Acknowledgements. Abbreviations. 1 Introduction (Jaana Laiho, Achim Wacker, Toma´s˘Novos ad, Peter Muszynski, Petri Jolma and Roman Pichna). 1.1 A Brief Look at Cellular History. 1.2 Evolution of Radio Network Planning. 1.3 Introduction to Radio Network Planning and Optimisation for UMTS. 1.4 Future Trends. 2 Introduction to WCDMA for UMTS (Tomáš Novosad, David Soldani, Kari Sipilä, Tero Kola and Achim Wacker). 2.1 MathematicalBackgrou nd of Spread Spectrum CDMA Systems. 2.2 Direct Sequence Spread Spectrum System. 2.3 CDMA in Cellular Radio Networks. 2.4 WCDMA Logical, Transport and Physical Channels. 2.5 WCDMA Radio Link Performance Indicators. 3 WCDMA Radio Network Planning (Achim Wacker, Jaana Laiho, Tomáš Novosad, Terhi Rautiainen and Kimmo Terävä). 3.1 Dimensioning. 3.2 Detailed Planning. 3.3 Verification of Dimensioning with Static Simulations. 3.4 Verification of Static Simulator with Dynamic Simulations. 3.5 Optimisation of the Radio Network Plan. 3.6 Interference in WCDMA Multi-operator Environment. 3.7 Cell Deployment Strategies. 4 Radio Resource Utilisation (Achim Wacker, Jaana Laiho, Tomáš Novosad, David Soldani, Chris Johnson, Tero Kola and Ted Buot). 4.1 Introduction to Radio Resource Management. 4.2 Power Control. 4.3 HandoverControl. 4.4 Congestion Control. 4.5 Resource Management. 4.6 RRU for High-speed Downlink Packet Access (HSDPA). 4.7 Impact of Radio Resource Utilisation on Network Performance. 5 WCDMA–GSM Co-planning Issues (Kari Heiska, TomášNovos ad, Pauli Aikio, Chris Johnson and Josef Fuhl). 5.1 Radio Frequency Issues. 5.2 Noise Measurements. 5.3 Radio Network Planning Issues. 5.4 Narrowband and WCDMA System Operation in Adjacent Frequency Bands. 6 Coverage and Capacity Enhancement Methods (Chris Johnson, Achim Wacker, Juha Ylitalo and Jyri Hämäläinen). 6.1 Introduction. 6.2 Techniques for Improving Coverage. 6.3 Techniques for Improving Capacity. 6.4 Uplink Cell Load and Base Station Transmit Power. 6.5 AdditionalCarrier s and Scrambling Codes. 6.6 Mast Head Amplifiers and Active Antennas. 6.7 Remote RF Head Amplifiers. 6.8 Higher Order Receive Diversity. 6.9 Transmit Diversity. 6.10 Multiple Input Multiple Output in UTRA FDD. 6.11 Beamforming. 6.12 Rollout Optimised Configuration. 6.13 Sectorisation. 6.14 Repeaters. 6.15 Micro-cell Deployment. 6.16 Capacity Upgrade Process. 6.17 Summary of Coverage and Capacity Enhancement Methods. 7 Radio Network Optimisation Process (Jaana Laiho, Markus Djupsund, Anneli Korteniemi, Jochen Grandell and Mikko Toivonen). 7.1 Introduction to Radio Network Optimisation Requirements. 7.2 Introduction to the Telecom Management Network Model. 7.3 Tools in Optimisation. 7.4 Summary. 8 UMTS Quality of Service (Jaana Laiho, Vilho Räisa¨nen and Nilmini Lokuge). 8.1 Definition of Quality of Service. 8.2 End-user Service Classification. 8.3 Characteristics and Requirements of Services. 8.4 3GPP Bearer Concept. 8.5 Overview of 3GPP Quality of Service Architecture. 8.6 Quality of Service Management in UMTS. 8.7 Concluding Remarks. 9 Advanced Analysis Methods and Radio Access Network Autotuning (Jaana Laiho, Pekko Vehviläinen, Albert Höglund, Mikko Kylväjä, Kimmo Valkealahti and Ted Buot). 9.1 Introduction. 9.2 Advanced Analysis Methods for Cellular Networks. 9.3 Automatic Optimisation. 9.4 Summary. 10 Other 3G Radio Access Technologies (Jussi Reunanen, Simon Browne, Pauliina Erätuuli, Ann-Louise Johansson, Martin Kristensson, Jaana Laiho, Mats Larsson, Tomáš Novosad and Jussi Sipola). 10.1 GSM Packet Data Services. 10.2 Time Division Duplex Mode of WCDMA (UTRA TDD). Index.

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Book SynopsisRapid Manufacturing: An Industrial Revolution for the Digital Age addresses the academic fundamentals of Rapid Manufacturing as well as focussing on case studies and applications across a wide range of industry sectors.Table of ContentsList of Contributors. Editors. Foreword (Terry Wohlers). 1 Introduction to Rapid Manufacturing (Neil Hopkinson, Richard Hague and Phill Dickens). 1.1 Definition of Rapid Manufacturing. 1.2 Latitude of Applications. 1.3 Design Freedom. 1.4 Economic for Volumes down to One. 1.5 Overcoming the Legacy of Rapid Prototyping. 1.6 A Disruptive Technology. 1.7 A Breakdown of the Field of Rapid Manufacturing. 2 Unlocking the Design Potential of Rapid Manufacturing (Richard Hague). 2.1 Introduction. 2.2 Potential of Rapid Manufacturing on Design. 2.3 Geometrical Freedom. 2.4 Material Combinations. 2.5 Summary. 3 Customer Input and Customisation (R.I. Campbell). 3.1 Introduction. 3.2 Why Is Customer Input Needed? 3.3 What Input can the Customer Make? 3.4 How Can Customer Input Be Captured? 3.5 Using Customer Input within the Design Process. 3.6 What Is Customisation? 3.7 Determining Which Features to Customise. 3.8 Additional Customisation Issues. 3.9 Case Study – Customising Garden Fork Handles. 3.10 Conclusions. 4 CAD and Rapid Manufacturing (Rik Knoppers and Richard Hague). 4.1 Introduction. 4.2 CAD Background. 4.3 Relations between CAD and Rapid Manufacturing. 4.4 Future Developments Serving Rapid Manufacturing. 4.5 CAD for Functionally Graded Materials (FGMs). 4.6 Conclusion. 5 Emerging Rapid Manufacturing Processes (Neil Hopkinson and Phill Dickens). 5.1 Introduction. 5.2 Liquid-Based Processes. 5.3 Powder-Based Processes. 5.4 Solid-Based Processes. 6 Materials Issues in Rapid Manufacturing (David L. Bourell). 6.1 Role of Materials in Rapid Manufacturing. 6.2 Viscous Flow. 6.3 Photopolymerization. 6.4 Sintering. 6.5 Infiltration. 6.6 Mechanical Properties of RM Parts. 6.7 Materials for RM Processes. 6.8 The Future of Materials in Rapid Manufacturing. 7 Functionally Graded Materials (Poonjolai Erasenthiran and Valter Beal). 7.1 Introduction. 7.2 Processing Technologies. 7.3 Rapid Manufacturing of FGM Parts – Laser Fusion. 7.4 Modelling and Software Issues. 7.5 Characterisation of Properties. 7.6 Deposition Systems. 7.7 Applications. 8 Materials and Process Control for Rapid Manufacture (Tim Gornet). 8.1 Introduction. 8.2 Stereolithography. 8.3 Selective Laser Sintering. 8.4 Fused Deposition Modeling. 8.5 Metal-Based Processes. 9 Production Economics of Rapid Manufacture (Neil Hopkinson). 9.1 Introduction. 9.2 Machine Costs. 9.3 Material Costs. 9.4 Labour Costs. 9.5 Comparing the Costs of Rapid Manufacture with Injection Moulding. 10 Management and Implementation of Rapid Manufacturing (Chris Tuck and Richard Hague). 10.1 Introduction. 10.2 Costs of Manufacture. 10.3 Overhead Allocation. 10.4 Business Costs. 10.5 Stock and Work in Progress. 10.6 Location and Distribution. 10.7 Supply Chain Management. 10.8 Change. 10.9 Conclusions. 11 Medical Applications (Russ Harris and Monica Savalani). 11.1 Introduction. 11.2 Pre-Surgery RM. 11.3 Orthodontics. 11.4 Drug Delivery Devices. 11.5 Limb Prosthesis. 11.6 Specific Advances in Computer Aided Design (CAD). 11.7 In Vivo Devices. 12 Rapid Manufacturing in the Hearing Industry (Martin Masters, Therese Velde and Fred McBagonluri). 12.1 The Hearing Industry. 12.2 Manual Manufacturing. 12.3 Digital Manufacturing. 12.4 Scanning. 12.5 Electronic Detailing. 12.6 Electronic Modeling. 12.7 Fabrication. 12.8 Equipment. 12.9 Selective Laser Sintering (SLS). 12.10 Stereolithography Apparatus (SLA). 12.11 Raster-Based Manufacturing. 12.12 Materials. 12.13 Conclusion. 13 Automotive Applications (Graham Tromans). 13.1 Introduction. 13.2 Formula 1. 13.3 Cooling Duct. 13.4 The ‘Flickscab’. 13.5 NASCAR. 13.6 Formula Student. 14 Rapid Manufacture in the Aeronautical Industry (Brad Fox). 14.1 Opportunity. 14.2 Overview. 14.3 Historical Perspective. 14.4 Aeronautical Requirements for RM. 14.5 Why RM Is Uniquely Suited to the Aeronautical Field. 14.6 Acceptable Technologies. 14.7 Qualifying RM Systems. 14.7.1 Qualifying SLS at British Aerospace (BAe). 14.7.2 Qualifying SLS at Northrop Grumman. 14.8 Summary. 14.9 Case Studies. 15 Aeronautical Case Studies using Rapid Manufacture (John Wooten). 15.1 Introduction. 15.2 Problem and Proposed Solution. 15.3 Benefits of a Rapid Manufacture Solution. 15.4 Pre-Production Program. 15.5 Production. 15.6 Summary. 16 Space Applications (Roger Spielman). 16.1 Introduction. 16.2 Building the Team. 16.3 Quality Assurance. 16.4 How to ‘Qualify’ a Part Created Using This Process. 16.5 Producing Hardware. 17 Additive Manufacturing Technologies for the Construction Industry (Rupert Soar). 17.1 Introduction. 17.2 The Emergence of Freeform Construction. 17.3 Freeform Construction Processes: A Matter of Scale. 17.4 Conclusions. 18 Rapid Manufacture for the Retail Industry (Janne Kyttanen). 18.1 Introduction. 18.2 Fascinating Technology with Little Consumer Knowledge. 18.3 The Need for Rapid Prototyping to Change to Rapid Manufacturing. 18.4 Rapid Manufacturing Retail Applications. 18.4.1 Lighting. 18.4.2 Three-Dimensional Textiles. 18.5 Mass Customisation. 18.5.1 Mass Customised Retail Products. 18.5.2 Future Posibilities of Mass Customised RM Products. 18.5.3 Limitations and Possibilities. 18.6 Experimentation and Future Applications. Index.

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Book SynopsisThis book sets out to provide state-of-the art advice on Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE) in Universal Mobile Telecommunications (UMTS) networks. The approach is comprehensive, tackling mobile service planning, provisioning, performance monitoring and optimization issues in a single, accessible resource.Table of ContentsPreface. Acknowledgements. Abbreviations. 1. Introduction (Noman Muhammad, Davide Chiavelli, David Soldani and Man Li). 1.1 QoE value chain. 1.2 QoS and QoE. 1.3 QoE and QoS management. 1.4 Organisation of the book. 2. Mobile Service Applications and Performance in UMTS (Renaud Cuny, Man Li and Martin Kristensson). 2.1 CS service applications. 2.2 Packet-switched service applications. 2.3 PS service performance in UMTS. 3. QoS in 3GPP Releases 97/98, 99, 5, 6 and 7 (Anna Sillanpa¨a¨ and David Soldani). 3.1 Where does QoS come from? 3.2 QoS concept and architecture. 4. Packet Data Transfer in UMTS Cellular Networks (David Soldani and Paolo Zanier). 4.1 Packet data transfer across EGPRS networks. 4.2 Packet data transfer across WCDMAnetworks. 4.3 Introduction to high-speed downlink packet access (HSDPA). 4.4 Introduction to high-speed uplink packet access (HSUPA). 5. QoS Functions in Access Networks (David Soldani, Paolo Zanier, Uwe Schwarz, Jaroslav Uher, Svetlana Chemiakina, Sandro Grech, Massimo Barazzetta and Mariagrazia Squeo). 5.1 QoS management functions in GERAnetworks. 5.2 QoS management functions in UTRAnetworks. 5.3 HSDPAwi th QoS differentiation. 5.4 HSUPAwi th QoS differentiation. 5.5 Service performance in UTRA-GERA networks. 5.6 3GPP–WLAN inter-working. 6. QoS Functions in Core and Backbone Networks (Renaud Cuny, Heikki Almay, Luis Alberto Pen˜a Sierra and Jani Lakkakorpi). 6.1 Circuit-switched QoS. 6.2 Packet-switched core QoS. 6.3 Backbone QoS. 7. Service and QoS Aspects in Radio Network Dimensioning and Planning (David Soldani, Carolina Rodriguez and Paolo Zanier). 7.1 WCDMAradio dimensioning and planning. 7.2 High-speed downlink packet access (HSDPA) dimensioning. 7.3 (E)GPRS dimensioning. 8. QoS Provisioning (David Soldani, Man Li and Jaana Laiho). 8.1 Hierarchy in QoS management. 8.2 Radio, core and transport QoS provisioning. 8.3 Service and mobile terminal QoS provisioning. 8.4 QoS provisioning tools. 8.5 Example of complete service management solution for NMS. 9. QoE and QoS Monitoring (David Soldani, Davide Chiavelli, Jaana Laiho, Man Li, Noman Muhammad, Giovanni Giambiasi and Carolina Rodriquez). 9.1 QoE and QoS assurance concept. 9.2 QoE monitoring framework. 9.3 QoS monitoring framework. 9.4 Post-processing and statistical methods. 9.5 Mapping between QoE and QoS performance. 9.6 QoE and QoS monitoring tools. 9.7 Example of complete service assurance solution for NMS. 10. Optimisation (David Soldani, Giovanni Giambiasi, Kimmo Valkealahti, Mikko Kylva¨ja¨, Massimo Barazzetta, Mariagrazia Squeo, Jaroslav Uher, Luca Allegri and Jaana Laiho). 10.1 Service optimisation concept and architecture. 10.1.1 Conceptual breakdown of service and QoS management. 10.2 QoS optimisation in GERAnetworks. 10.3 QoS optimisation in UTRAnetworks. 10.4 QoS optimisation in core and backbone networks. 10.5 Service application performance improvement. Index.

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Book SynopsisThis book addresses what is needed in future applications in order to avoid latchup in advanced technologies. A significant amount of new latchup issues and materials from the last twenty years are presented, such as the development of external and transient latchup concepts, and new tools such as the PICA tool.Table of ContentsAbout the Author. Preface. Acknowledgements. Chapter 1 CMOS Latchup. 1.1 CMOS Latchup. 1.2 Fundamental Concepts of Latchup Design Practice. 1.3 Building a CMOS Latchup Strategy. 1.4 CMOS Latchup Technology Migration Strategy. 1.5 Key Metrics of Latchup Design Practice. 1.6 CMOS Latchup Technology Trends and Scaling. 1.7 Key Developments. 1.8 Latchup Failure Mechanisms. 1.9 CMOS Latchup Events. 1.10 Electrostatic Discharge Sources. 1.11 Single Event Latchup. 1.12 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 2 Bipolar Transistors. 2.1 The Bipolar Transistor and CMOS Latchup. 2.2 Bipolar Transistor. 2.3 Recombination Mechanisms. 2.4 Photon Currents in Metallurgical Junctions. 2.5 Avalanche Breakdown. 2.6 Vertical Bipolar Transistor Model. 2.7 Lateral Bipolar Transistor Models. 2.8 Lateral Bipolar Transistor Models with Electric Field Assist. 2.9 Lateral Bipolar Transistor Models–Nonuniform Vertical Profile. 2.10 Triple-Well Bipolar Transistor Models – Lateral and Vertical Contributions. 2.11 Merged Triple-Well Bipolar Models. 2.12 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 3 Latchup Theory. 3.1 Regenerative Feedback. 3.1.1 Regenerative Feedback without Shunt Resistors and Alpha Representation. 3.2 Latchup Criterion with Emitter Resistance. 3.3 Holding Point Conditions. 3.4 Resistance Space. 3.5 Beta Space. 3.6 CMOS Latchup Differential Tetrode Condition. 3.7 CMOS Latchup Differential Holding Current Relationship. 3.8 CMOS Latchup Differential Holding Voltage Relationship. 3.9 CMOS Latchup Differential Resistance Relationship. 3.10 Differential Generalized Alpha Space Relationship. 3.11 High-Level Injection. 3.12 Transient Latchup. 3.13 External Latchup. 3.14 Alpha Particle Induced Latchup. 3.15 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 4 Latchup Structures, Characterization and Test. 4.1 Guard Rings. 4.2 Latchup Characterization Structures – Single- and Dual-Well CMOS PNPN Test Structures. 4.3 Latchup Characterization – Basic Triple-Well pnpn Latchup Test Structures. 4.4 Latchup Characterization Techniques – pnpn Structures with Deep Trench. 4.5 Latchup Characterization and Testing – Nonautomated Test Systems and Methodology. 4.6 Latchup Characterization and Testing – Automatic Test Systems. 4.7 Latchup Characterization – Wafer-Level Test Procedures. 4.8 Latchup Characterization Techniques – Wafer-level Transmission Line Pulse Methodology. 4.9 Latchup Characterization – Transient Latchup. 4.10 Guard Ring Characterization. 4.11 Latchup Failure Analysis Techniques. 4.12 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 5 CMOS Latchup Process Features and Solutions – Dual-Well and Triple-Well CMOS. 5.1 CMOS Semiconductor Process Solutions and CMOS Latchup. 5.2 Substrates. 5.3 n-Wells. 5.4 p-Well. 5.5 pþ/nþ Scaling. 5.6 Isolation and Latchup. 5.7 Silicide. 5.8 Triple Well. 5.9 High-Dose Buried Layer. 5.10 Future Concepts. 5.11 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 6 CMOS Latchup Process Features and Solutions – Bipolar and BiCMOS Technology. 6.1 CMOS Latchup in Bipolar and RF BiCMOS Technology. 6.2 Substrates – High-Resistance Substrates. 6.3 Subcollectors. 6.4 Alternative Isolation Concepts. 6.5 Trench Isolation (TI). 6.6 Deep Trench. 6.7 Triple-Well and BiCMOS Processes Integration. 6.8 Heavily Doped Buried Layer Implant and BiCMOS Technology. 6.9 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 7 CMOS Latchup – Circuits. 7.1 Table of Circuit Interactions. 7.2 Intrabook Latchup Mechanisms. 7.3 Interbook Latchup Mechanisms. 7.4 Circuit Solutions – Input Circuit. 7.5 Power Supply Concepts. 7.6 Latchup Circuit Solutions – Power Supply to Power Supply Sequencing Circuitry. 7.7 Overshoot and Undershoot Clamp Networks. 7.8 Passive and Active Guard Rings. 7.9 Triple-Well Noise and Latchup Suppression Structures. 7.10 System-Level Issues. 7.11 Summary and Closing Comments. Problems. References. Chapter 8 Latchup Computer Aided Design (CAD) Methods. 8.1 Latchup CAD Rules. 8.2 Design Rule Checking. 8.3 Computer-Aided Design Extraction Methodologies – Searching for the pnpn. 8.4 CAD Extraction Methods – Searching for the Guard Rings. 8.5 Latchup Extraction Methods and Tools. 8.6 Latchup CAD Simulation. 8.7 Summary and Closing Comments. Problems. References. Index.

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Book SynopsisLearn how to use CAMEL to transfer the Intelligent Network concept to the mobile world! CAMEL (Customized Application for the Mobile network Enhanced Logic) is a standard for Intelligent Networks for mobile communications networks.Table of Contents1. Introduction to GSM Networks. 1.1 Signalling in GSM. 1.2 GSM Mobility. 1.3 Mobile Station. 1.4 Identifiers in the GSM Network. 1.5 Basic Services. 1.6 Supplementary Services. 2. Introduction to Intelligent Networks. 2.1 History of Intelligent Networks. 2.2 Principles of Intelligent Networks. 2.3 Service Switching Function. 2.4 Service Control Function. 2.5 Basic Call State Model. 2.6 Dialogue Handling. 2.7 Evolution of the CAMEL Standard. 2.8 Principles of CAMEL. 2.9 Signalling for CAMEL. 2.10 Dynamic Load Sharing. 2.11 Using Signalling Point Code for Addressing in HPLMN. 3. CAMEL Phase 1. 3.1 Architecture for CAMEL Phase 1. 3.2 Feature Description. 3.3 Subscription Data. 3.4 Basic Call State Model. 3.5 CAMEL Application Part. 3.6 Service Examples. 4. CAMEL Phase 2. 4.1 Introduction. 4.2 Architecture. 4.3 Feature Description. 4.4 Subscription Data. 4.5 Basic Call State Model. 4.6 CAMEL Phase 2 Relationship. 4.7 Interaction with GSM Supplementary Services. 4.8 Interaction with Network Services. 5. CAMEL Phase 3. 5.1 General on Third-generation Networks. 5.2 Call Control. 5.3 CAMEL Control of GPRS. 5.4 CAMEL Control of MO-SMS. 5.5 Mobility Management. 5.6 CAMEL Interaction with Location Services. 5.7 Active Location Retrieval. 5.8 Subscription Data Control. 5.9 Enhancement to USSD. 5.10 Pre-paging. 6. CAMEL Phase 4. 6.1 General. 6.2 Call Control. 6.3 GPRS Control. 6.4 SMS Control. 6.5 Mobility Management. 6.6 Any-time Interrogation. 6.7 Subscription Data Control. 6.8 Mobile Number Portability. 6.9 Control of IP Multimedia Calls. 7. Charging and Accounting. 7.1 Architecture. 7.2 Call Detail Records. 7.3 Transfer Account Procedure Files. 7.4 Inter-operator Accounting of CAMEL Calls. 7.5 Correlation of Call Detail Records. 7.6 Global Call Reference. 7.7 Call Party Handling CDRs. 8. 3GPP Rel-6 and Beyond. 8.1 General. 8.2 Enhancements to 3GPP Rel-6. 8.3 Enhancements to 3GPP Rel-7. Appendix. References. Abbreviations. Index.

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Book SynopsisBased on the editors' combined experience with working within distinguished telecoms companies, Mobile Media and Applications, From Concepts to Cash illustrates how to address the challenges of consumer marketing, technology strategy, and delivery tactics from a pragmatic 'how they did it' approach, rather than a theoretical 'how to do it'.Table of ContentsAcknowledgements. About the authors. Introduction. 1 Fundamentals of the Industries. 1. Mobile services – fiasco or roaring success?. 1.2 Who needs mobile services, really?. 1.3 The telecom, media and IT industries coming together. 1.4 Content and media industries going mobile. 1.5 Making a business out of it all. 1.6 Summary. 2 Understanding the Customer. 2.1 Why understand the customer?. 2.2 Mobile applications – the customer’s viewpoint. 2.3 A change to a market-led approach. 2.4 Understanding consumers. 2.5 Understanding the business market. 2.6 Summary. 3 Creating a Winning Service Offering. 3.1 Exploring service creation. 3.2 The three dimensions of service creation. 3.3 Technology push creating services based on integration of technology enablers. 3.4 Market pull creating services based on customer demand. 3.5 Building market channel access. 3.6 Going forward, how can we create more winning services?. 3.7 Summary. 3.8 Further reading. 4 Designing Services. 4.1 Designing services for success in the real world. 4.2 Services classification. 4.3 Key factors of strong mobile applications. 4.4 Creating mobile media services. 4.5 Summary. 5 Managing the Customer Experience. 5.1 What the customer experiences. 5.2 Maximizing the experience. 5.3 Minimizing the barriers to use. 5.4 Summary. 6 Mobile Devices – Leading the Way. 6.1 The importance of mobile devices. 6.2 Mobile device architecture – the building blocks. 6.3 Evolution of the building blocks in an application and media perspective. 6.4 Other important enablers for applications and media. 6.5 The mobile device as a driver of new application fields. 6.6 Mobile device adaptations. 6.7 Summary. 7 Service Environment. 7.1 Understanding the service environment. 7.2 A service environment wish list. 7.3 Service environment design. 7.4 Summing up. 8 Deployment of services. 8.1 Introduction. 8.2 Prepatation is key. 8.3 Solution integration. 8.4 Verification. 8.5 Summary. 9 Commercial Launch Experiences. 9.1 Launch strategie. 9.3 Pricing and revenue. 9.4 Promotion strategie. 9.5 Summar. 10 Feedback and Improvement. 10.1 How are our services performing. 10.2 End-to-end service assuranc. 10.3 The expanding end-to-en. 10.4 Kaizen continuous improvement . 10.5 Summary. Appendix 1: Take Five Consumer Segments. Appendix 2: the Most Mobile Work Roles. Index.

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Book SynopsisDigital signal processing is essential for improving the accuracy and reliability of a range of engineering systems, including communications, networking, and audio and video applications. Using a combination of programming and mathematical techniques, it clarifies, or standardizes the levels or states of a signal, in order to meet the demands of designing high performance digital hardware. Written by authors with a wealth of practical experience working with digital signal processing, this text is an excellent step-by-step guide for practitioners and researchers needing to understand and quickly implement the technology. Split into six, self-contained chapters, Digital Signal Processing: A Practitioner's Approach covers: basic principles of signal processing such as linearity, stability, convolution, time and frequency domains, and noise; descriptions of digital filters and their realization, including fixed point implementation, pipelining, and field Table of ContentsForeword. Preface. Acknowledgements. 1. Processing of Signals. 1.1 Organisation of the Book. 1.2 Classification of Signals. 1.3 Transformations. 1.4 Signal Characterisation. 1.5 Converting Analogue Signals to Digital. 1.6 Signal Seen by the Computing Engine. 1.7 It Is Only Numbers. 1.8 Summary. References. 2. Revisiting the Basics. 2.1 Linearity. 2.2 Linear System Representation. 2.3 Random Variables. 2.4 Noise. 2.5 Propagation of Noise in Linear Systems. 2.6 Multivariate Functions. 2.7 Number Systems. 2.8 Summary. References. 3. Digital Filters. 3.1 How to Specify a Filter. 3.2 Moving-Average Filters. 3.3 Infinite Sequence Generation. 3.4 Unity-Gain Narrowband Filter. 3.5 All-Pass Filter. 3.6 Notch Filter. 3.7 Other Autoregressive Filters. 3.8 Adaptive Filters. 3.9 Demodulating via Adaptive Filters. 3.10 Phase Shift via Adaptive Filter. 3.11 Inverse Problems. 3.12 Kalman Filter. 3.13 Summary. References. 4. Fourier Transform and Signal Spectrum. 4.1 Heterodyne Spectrum Analyser. 4.2 Discrete Fourier Transform. 4.3 Decimating the Given Sequence. 4.4 Fast Fourier Transform. 4.5 Fourier Series Coefficients. 4.6 Convolution by DFT. 4.7 DFT in Real Time. 4.8 Frequency Estimation via DFT. 4.9 Parametric Spectrum in RF Systems. 4.10 Summary. References. 5. Realisation of Digital Filters. 5.1 Evolution. 5.2 Development Process. 5.3 Analogue-to-Digital Converters. 5.4 Second-Order BPF. 5.5 Pipelining Filters. 5.6 Real-Time Applications. 5.7 Frequency Estimator on the DSP5630X. 5.8 FPGA Implementation of a Kalman Filter. 5.9 Summary. References. 6. Case Studies. 6.1 Difference Equation to Program. 6.2 Estimating Direction of Arrival. 6.3 Electronic Rotating Elements. 6.4 Summary. References. Appendix: MATLAB and C Programs. A.1 Chapter 1 MATLAB Programs. A.2 Chapter 2 MATLAB Programs. A.3 Chapter 3 MATLAB Programs. A.4 Chapter 4 MATLAB Programs. A.5 Chapter 5 Programs. A.6 Chapter 6 MATLAB Programs. A.7 Library of Subroutines. A.8 Some Useful Programs. Index.

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Book SynopsisSave time & resources with this comprehensive guide to automation configuration for the value-added IP services of the future. As the Internet becomes the medium of choice for value-added IP service offerings such as TV broadcasting, videoconferencing, and Voice over IP, the ability of automating configuration processes has become a key challenge for service providers. In fact, this feature has become crucial with the ever-growing level of expertise required to deploy such services and the scope of the techniques that need to be activated in order to provide such services with a guaranteed level of quality. Service Automation and Dynamic Provisioning Techniques in IP/MPLS Environments: Discusses architectures and protocols for services information, covering the state-of-the-art in current implementations of Remote Authentication Dial-In User Service (RADIUS), Diameter, Common Open Policy Service (COPS), Simple Network Management Protocol (SNMP) andTable of Contents1 Introduction PART I - ARCHITECTURES AND PROTOCOLS FOR SERVICE AUTOMATION AND APPLICATION EXAMPLES OF SERVICE AUTOMATION AND DYNAMIC RESOURCE PROVISIONING TECHNIQUES 2 What is a policy? 3 The Radius Protocol and its Extensions 4 The Diameter Protocol 5 The Common Open Policy Service (COPS) Protocol 6 NETCONF 7 Control and Provisioning of Wireless Access Points (CAPWAP) PART II - DYNAMIC RESOURCE PROVISIONING TECHNIQUES 8 Dynamic Enforcement of QoS Policies 9 Dynamic Enforcement of IP Traffic Engineering Policies in IP/MPLS Infrastructures 10 Automated Production of BGP/MPLS-Based VPN Networks 11 Dynamic Enforcement of Security Policies in IP/MPLS Environments 12 Future Challenges Appendices A XML Schema for NETCONF RPCS and Operations B XML Schema for NETCONF Notifications C Example of an IP Traffic Engineering Policy Information Base (IP TE PIB) D Example of an IP TE Accounting PIB E Description of Classes of an IP VPN Information Model Index

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Book SynopsisNeuromorphic electronic engineering takes its inspiration from the functioning of nervous systems to build more power efficient electronic sensors and processors. Event-based neuromorphic systems are inspired by the brain''s efficient data-driven communication design, which is key to its quick responses and remarkable capabilities. This cross-disciplinary text establishes how circuit building blocks are combined in architectures to construct complete systems. These include vision and auditory sensors as well as neuronal processing and learning circuits that implement models of nervous systems. Techniques for building multi-chip scalable systems are considered throughout the book, including methods for dealing with transistor mismatch, extensive discussions of communication and interfacing, and making systems that operate in the real world. The book also provides historical context that helps relate the architectures and circuits to each other and that guides readers to the exTable of ContentsList of Contributors xv Foreword xvii Acknowledgments xix List of Abbreviations and Acronyms xxi 1 Introduction 1 1.1 Origins and Historical Context 3 1.2 Building Useful Neuromorphic Systems 5 References 5 Part I UNDERSTANDING NEUROMORPHIC SYSTEMS 7 2 Communication 9 2.1 Introduction 9 2.2 Address-Event Representation 12 2.2.1 AER Encoders 13 2.2.2 Arbitration Mechanisms 13 2.2.3 Encoding Mechanisms 17 2.2.4 Multiple AER Endpoints 19 2.2.5 Address Mapping 19 2.2.6 Routing 19 2.3 Considerations for AER Link Design 20 2.3.1 Trade-off: Dynamic or Static Allocation 21 2.3.2 Trade-off: Arbitered Access or Collisions? 23 2.3.3 Trade-off: Queueing versus Dropping Spikes 24 2.3.4 Predicting Throughput Requirements 25 2.3.5 Design Trade-offs 27 2.4 The Evolution of AER Links 28 2.4.1 Single Sender, Single Receiver 28 2.4.2 Multiple Senders, Multiple Receivers 30 2.4.3 Parallel Signal Protocol 31 2.4.4 Word-Serial Addressing 32 2.4.5 Serial Differential Signaling 33 2.5 Discussion 34 References 35 3 Silicon Retinas 37 3.1 Introduction 37 3.2 Biological Retinas 38 3.3 Silicon Retinas with Serial Analog Output 39 3.4 Asynchronous Event-Based Pixel Output Versus Synchronous Frames 40 3.5 AER Retinas 40 3.5.1 Dynamic Vision Sensor 41 3.5.2 Asynchronous Time-Based Image Sensor 46 3.5.3 Asynchronous Parvo–Magno Retina Model 46 3.5.4 Event-Based Intensity-Coding Imagers (Octopus and TTFS) 48 3.5.5 Spatial Contrast and Orientation Vision Sensor (VISe) 50 3.6 Silicon Retina Pixels 54 3.6.1 DVS Pixel 54 3.6.2 ATIS Pixel 56 3.6.3 VISe Pixel 58 3.6.4 Octopus Pixel 59 3.7 New Specifications for Silicon Retinas 60 3.7.1 DVS Response Uniformity 60 3.7.2 DVS Background Activity 62 3.7.3 DVS Dynamic Range 62 3.7.4 DVS Latency and Jitter 63 3.8 Discussion 64 References 67 4 Silicon Cochleas 71 4.1 Introduction 72 4.2 Cochlea Architectures 75 4.2.1 Cascaded 1D 76 4.2.2 Basic 1D Silicon Cochlea 77 4.2.3 2D Architecture 78 4.2.4 The Resistive (Conductive) Network 79 4.2.5 The BM Resonators 80 4.2.6 The 2D Silicon Cochlea Model 80 4.2.7 Adding the Active Nonlinear Behavior of the OHCs 82 4.3 Spike-Based Cochleas 83 4.3.1 Q-control of AEREAR2 Filters 85 4.3.2 Applications: Spike-Based Auditory Processing 86 4.4 Tree Diagram 87 4.5 Discussion 87 References 89 5 Locomotion Motor Control 91 5.1 Introduction 92 5.1.1 Determining Functional Biological Elements 92 5.1.2 Rhythmic Motor Patterns 93 5.2 Modeling Neural Circuits in Locomotor Control 95 5.2.1 Describing Locomotor Behavior 96 5.2.2 Fictive Analysis 97 5.2.3 Connection Models 99 5.2.4 Basic CPG Construction 100 5.2.5 Neuromorphic Architectures 102 5.3 Neuromorphic CPGs at Work 108 5.3.1 A Neuroprosthesis: Control of Locomotion in Vivo 109 5.3.2 Walking Robots 111 5.3.3 Modeling Intersegmental Coordination 112 5.4 Discussion 113 References 115 6 Learning in Neuromorphic Systems 119 6.1 Introduction: Synaptic Connections, Memory, and Learning 120 6.2 Retaining Memories in Neuromorphic Hardware 121 6.2.1 The Problem of Memory Maintenance: Intuition 121 6.2.2 The Problem of Memory Maintenance: Quantitative Analysis 122 6.2.3 Solving the Problem of Memory Maintenance 124 6.3 Storing Memories in Neuromorphic Hardware 128 6.3.1 Synaptic Models for Learning 128 6.3.2 Implementing a Synaptic Model in Neuromorphic Hardware 132 6.4 Toward Associative Memories in Neuromorphic Hardware 136 6.4.1 Memory Retrieval in Attractor Neural Networks 137 6.4.2 Issues 142 6.5 Attractor States in a Neuromorphic Chip 143 6.5.1 Memory Retrieval 143 6.5.2 Learning Visual Stimuli in Real Time 145 6.6 Discussion 148 References 149 Part II BUILDING NEUROMORPHIC SYSTEMS 153 7 Silicon Neurons 155 7.1 Introduction 156 7.2 Silicon Neuron Circuit Blocks 158 7.2.1 Conductance Dynamics 158 7.2.2 Spike-Event Generation 159 7.2.3 Spiking Thresholds and Refractory Periods 161 7.2.4 Spike-Frequency Adaptation and Adaptive Thresholds 162 7.2.5 Axons and Dendritic Trees 164 7.2.6 Additional Useful Building Blocks 165 7.3 Silicon Neuron Implementations 166 7.3.1 Subthreshold Biophysically Realistic Models 166 7.3.2 Compact I&F Circuits for Event-Based Systems 169 7.3.3 Generalized I&F Neuron Circuits 170 7.3.4 Above Threshold, Accelerated-Time, and Switched-Capacitor Designs 174 7.4 Discussion 176 References 180 8 Silicon Synapses 185 8.1 Introduction 186 8.2 Silicon Synapse Implementations 188 8.2.1 Non Conductance-Based Circuits 188 8.2.2 Conductance-Based Circuits 198 8.2.3 NMDA Synapse 200 8.3 Dynamic Plastic Synapses 201 8.3.1 Short-Term Plasticity 201 8.3.2 Long-Term Plasticity 203 8.4 Discussion 213 References 215 9 Silicon Cochlea Building Blocks 219 9.1 Introduction 219 9.2 Voltage-Domain Second-Order Filter 220 9.2.1 Transconductance Amplifier 220 9.2.2 Second-Order Low-Pass Filter 222 9.2.3 Stability of the Filter 223 9.2.4 Stabilised Second-Order Low-Pass Filter 225 9.2.5 Differentiation 225 9.3 Current-Domain Second-Order Filter 227 9.3.1 The Translinear Loop 227 9.3.2 Second-Order Tau Cell Log-Domain Filter 229 9.4 Exponential Bias Generation 230 9.5 The Inner Hair Cell Model 233 9.6 Discussion 234 References 234 10 Programmable and Configurable Analog Neuromorphic ICs 237 10.1 Introduction 238 10.2 Floating-Gate Circuit Basics 238 10.3 Floating-Gate Circuits Enabling Capacitive Circuits 238 10.4 Modifying Floating-Gate Charge 242 10.4.1 Electron Tunneling 242 10.4.2 pFET Hot-Electron Injection 242 10.5 Accurate Programming of Programmable Analog Devices 244 10.6 Scaling of Programmable Analog Approaches 246 10.7 Low-Power Analog Signal Processing 247 10.8 Low-Power Comparisons to Digital Approaches: Analog Computing in Memory 249 10.9 Analog Programming at Digital Complexity: Large-Scale Field Programmable Analog Arrays 251 10.10 Applications of Complex Analog Signal Processing 253 10.10.1 Analog Transform Imagers 253 10.10.2 Adaptive Filters and Classifiers 253 10.11 Discussion 256 References 257 11 Bias Generator Circuits 261 11.1 Introduction 261 11.2 Bias Generator Circuits 263 11.2.1 Bootstrapped Current Mirror Master Bias Current Reference 263 11.2.2 Master Bias Power Supply Rejection Ratio (PSRR) 265 11.2.3 Stability of the Master Bias 265 11.2.4 Master Bias Startup and Power Control 266 11.2.5 Current Splitters: Obtaining a Digitally Controlled Fraction of the Master Current 267 11.2.6 Achieving Fine Monotonic Resolution of Bias Currents 271 11.2.7 Using Coarse–Fine Range Selection 273 11.2.8 Shifted-Source Biasing for Small Currents 274 11.2.9 Buffering and Bypass Decoupling of Individual Biases 275 11.2.10 A General Purpose Bias Buffer Circuit 278 11.2.11 Protecting Bias Splitter Currents from Parasitic Photocurrents 279 11.3 Overall Bias Generator Architecture Including External Controller 279 11.4 Typical Characteristics 280 11.5 Design Kits 281 11.6 Discussion 282 References 282 12 On-Chip AER Communication Circuits 285 12.1 Introduction 286 12.1.1 Communication Cycle 286 12.1.2 Speedup in Communication 287 12.2 AER Transmitter Blocks 289 12.2.1 AER Circuits within a Pixel 289 12.2.2 Arbiter 290 12.2.3 Other AER Blocks 295 12.2.4 Combined Operation 297 12.3 AER Receiver Blocks 298 12.3.1 Chip-Level Handshaking Block 298 12.3.2 Decoder 299 12.3.3 Handshaking Circuits in Receiver Pixel 300 12.3.4 Pulse Extender Circuits 301 12.3.5 Receiver Array Peripheral Handshaking Circuits 301 12.4 Discussion 302 References 303 13 Hardware Infrastructure 305 13.1 Introduction 306 13.1.1 Monitoring AER Events 307 13.1.2 Sequencing AER Events 311 13.1.3 Mapping AER Events 313 13.2 Hardware Infrastructure Boards for Small Systems 316 13.2.1 Silicon Cortex 316 13.2.2 Centralized Communication 317 13.2.3 Composable Architecture Solution 318 13.2.4 Daisy-Chain Architecture 324 13.2.5 Interfacing Boards using Serial AER 324 13.2.6 Reconfigurable Mesh-Grid Architecture 328 13.3 Medium-Scale Multichip Systems 329 13.3.1 Octopus Retina + IFAT 329 13.3.2 Multichip Orientation System 332 13.3.3 CAVIAR 335 13.4 FPGAs 340 13.5 Discussion 342 References 345 14 Software Infrastructure 349 14.1 Introduction 349 14.1.1 Importance of Cross-Community Commonality 350 14.2 Chip and System Description Software 350 14.2.1 Extensible Markup Language 351 14.2.2 NeuroML 351 14.3 Configuration Software 352 14.4 Address Event Stream Handling Software 352 14.4.1 Field-Programmable Gate Arrays 353 14.4.2 Structure of AE Stream Handling Software 353 14.4.3 Bandwidth and Latency 353 14.4.4 Optimization 354 14.4.5 Application Programming Interface 355 14.4.6 Network Transport of AE Streams 355 14.5 Mapping Software 356 14.6 Software Examples 357 14.6.1 ChipDatabase – A System for Tuning Neuromorphic aVLSI Chips 357 14.6.2 Spike Toolbox 359 14.6.3 jAER 359 14.6.4 Python and PyNN 360 14.7 Discussion 363 References 363 15 Algorithmic Processing of Event Streams 365 15.1 Introduction 365 15.2 Requirements for Software Infrastructure 367 15.2.1 Processing Latency 369 15.3 Embedded Implementations 369 15.4 Examples of Algorithms 370 15.4.1 Noise Reduction Filters 370 15.4.2 Time-Stamp Maps and Subsampling by Bit-Shifting Addresses 372 15.4.3 Event Labelers as Low-Level Feature Detectors 372 15.4.4 Visual Trackers 374 15.4.5 Event-Based Audio Processing 378 15.5 Discussion 379 References 379 16 Towards Large-Scale Neuromorphic Systems 381 16.1 Introduction 381 16.2 Large-Scale System Examples 382 16.2.1 Spiking Neural Network Architecture 382 16.2.2 Hierarchical AER 384 16.2.3 Neurogrid 386 16.2.4 High Input Count Analog Neural Network System 388 16.3 Discussion 390 References 391 17 The Brain as Potential Technology 393 17.1 Introduction 393 17.2 The Nature of Neuronal Computation: Principles of Brain Technology 395 17.3 Approaches to Understanding Brains 396 17.4 Some Principles of Brain Construction and Function 398 17.5 An Example Model of Neural Circuit Processing 400 17.6 Toward Neuromorphic Cognition 402 References 404 Index 407

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Book SynopsisFundamental Principles of Optical Lithography: The Science of Microfabrication presents a complete theoretical and practical treatment of the topic of lithography for both students and researchers. This sole-authored text includes optional computer simulation exercises as well as problems at the end of each chapter.Table of ContentsPreface xv 1. Introduction to Semiconductor Lithography 1 1.1 Basics of IC Fabrication 2 1.1.1 Patterning 2 1.1.2 Etching 3 1.1.3 Ion Implantation 5 1.1.4 Process Integration 6 1.2 Moore’s Law and the Semiconductor Industry 7 1.3 Lithography Processing 12 1.3.1 Substrate Preparation 14 1.3.2 Photoresist Coating 15 1.3.3 Post-Apply Bake 18 1.3.4 Alignment and Exposure 19 1.3.5 Post-exposure Bake 23 1.3.6 Development 24 1.3.7 Postbake 25 1.3.8 Measure and Inspect 25 1.3.9 Pattern Transfer 25 1.3.10 Strip 26 Problems 26 2. Aerial Image Formation – The Basics 29 2.1 Mathematical Description of Light 29 2.1.1 Maxwell’s Equations and the Wave Equation 30 2.1.2 General Harmonic Fields and the Plane Wave in a Nonabsorbing Medium 32 2.1.3 Phasors and Wave Propagation in an Absorbing Medium 33 2.1.4 Intensity and the Poynting Vector 36 2.1.5 Intensity and Absorbed Electromagnetic Energy 37 2.2 Basic Imaging Theory 38 2.2.1 Diffraction 39 2.2.2 Fourier Transform Pairs 43 2.2.3 Imaging Lens 45 2.2.4 Forming an Image 47 2.2.5 Imaging Example: Dense Array of Lines and Spaces 48 2.2.6 Imaging Example: Isolated Space 50 2.2.7 The Point Spread Function 51 2.2.8 Reduction Imaging 53 2.3 Partial Coherence 56 2.3.1 Oblique Illumination 57 2.3.2 Partially Coherent Illumination 58 2.3.3 Hopkins Approach to Partial Coherence 62 2.3.4 Sum of Coherent Sources Approach 63 2.3.5 Off-Axis Illumination 65 2.3.6 Imaging Example: Dense Array of Lines and Spaces Under Annular Illumination 66 2.3.7 Köhler Illumination 66 2.3.8 Incoherent Illumination 69 2.4 Some Imaging Examples 70 Problems 71 3. Aerial Image Formation – The Details 75 3.1 Aberrations 75 3.1.1 The Causes of Aberrations 75 3.1.2 Describing Aberrations: the Zernike Polynomial 78 3.1.3 Aberration Example – Tilt 81 3.1.4 Aberration Example – Defocus, Spherical and Astigmatism 83 3.1.5 Aberration Example – Coma 84 3.1.6 Chromatic Aberrations 85 3.1.7 Strehl Ratio 90 3.2 Pupil Filters and Lens Apodization 90 3.3 Flare 91 3.3.1 Measuring Flare 92 3.3.2 Modeling Flare 94 3.4 Defocus 95 3.4.1 Defocus as an Aberration 95 3.4.2 Defocus Example: Dense Lines and Spaces and Three-Beam Imaging 98 3.4.3 Defocus Example: Dense Lines and Spaces and Two-Beam Imaging 100 3.4.4 Image Isofocal Point 102 3.4.5 Focus Averaging 103 3.4.6 Reticle Defocus 104 3.4.7 Rayleigh Depth of Focus 105 3.5 Imaging with Scanners Versus Steppers 106 3.6 Vector Nature of Light 108 3.6.1 Describing Polarization 111 3.6.2 Polarization Example: TE Versus TM Image of Lines and Spaces 113 3.6.3 Polarization Example: The Vector PSF 114 3.6.4 Polarization Aberrations and the Jones Pupil 114 3.7 Immersion Lithography 117 3.7.1 The Optical Invariant and Hyper-NA Lithography 118 3.7.2 Immersion Lithography and the Depth of Focus 120 3.8 Image Quality 121 3.8.1 Image cd 121 3.8.2 Image Placement Error (Distortion) 123 3.8.3 Normalized Image Log-Slope (NILS) 123 3.8.4 Focus Dependence of Image Quality 125 Problems 126 4. Imaging in Resist: Standing Waves and Swing Curves 129 4.1 Standing Waves 130 4.1.1 The Nature of Standing Waves 130 4.1.2 Standing Waves for Normally Incident Light in a Single Film 131 4.1.3 Standing Waves in a Multiple-Layer Film Stack 135 4.1.4 Oblique Incidence and the Vector Nature of Light 137 4.1.5 Broadband Illumination 141 4.2 Swing Curves 144 4.2.1 Reflectivity Swing Curve 144 4.2.2 Dose-to-Clear and CD Swing Curves 148 4.2.3 Swing Curves for Partially Coherent Illumination 149 4.2.4 Swing Ratio 151 4.2.5 Effective Absorption 154 4.3 Bottom Antireflection Coatings 156 4.3.1 BARC on an Absorbing Substrate 157 4.3.2 BARCs at High Numerical Apertures 160 4.3.3 BARC on a Transparent Substrate 164 4.3.4 BARC Performance 165 4.4 Top Antireflection Coatings 167 4.5 Contrast Enhancement Layer 170 4.6 Impact of the Phase of the Substrate Reflectance 170 4.7 Imaging in Resist 173 4.7.1 Image in Resist Contrast 173 4.7.2 Calculating the Image in Resist 177 4.7.3 Resist-Induced Spherical Aberrations 179 4.7.4 Standing Wave Amplitude Ratio 181 4.8 Defining Intensity 183 4.8.1 Intensity at Oblique Incidence 183 4.8.2 Refraction into an Absorbing Material 184 4.8.3 Intensity and Absorbed Energy 187 Problems 188 5. Conventional Resists: Exposure and Bake Chemistry 191 5.1 Exposure 191 5.1.1 Absorption 191 5.1.2 Exposure Kinetics 194 5.2 Post-Apply Bake 199 5.2.1 Sensitizer Decomposition 200 5.2.2 Solvent Diffusion and Evaporation 205 5.2.3 Solvent Effects in Lithography 209 5.3 Post-exposure Bake Diffusion 210 5.4 Detailed Bake Temperature Behavior 214 5.5 Measuring the ABC Parameters 217 Problems 219 6. Chemically Amplified Resists: Exposure and Bake Chemistry 223 6.1 Exposure Reaction 223 6.2 Chemical Amplification 224 6.2.1 Amplification Reaction 225 6.2.2 Diffusion 227 6.2.3 Acid Loss 230 6.2.4 Base Quencher 232 6.2.5 Reaction–Diffusion Systems 233 6.3 Measuring Chemically Amplified Resist Parameters 235 6.4 Stochastic Modeling of Resist Chemistry 237 6.4.1 Photon Shot Noise 237 6.4.2 Chemical Concentration 239 6.4.3 Some Mathematics of Binary Random Variables 241 6.4.4 Photon Absorption and Exposure 242 6.4.5 Acid Diffusion, Conventional Resist 246 6.4.6 Acid-Catalyzed Reaction–Diffusion 247 6.4.7 Reaction–Diffusion and Polymer Deblocking 251 6.4.8 Acid–Base Quenching 253 Problems 254 7. Photoresist Development 257 7.1 Kinetics of Development 257 7.1.1 A Simple Kinetic Development Model 258 7.1.2 Other Development Models 261 7.1.3 Molecular Weight Distributions and the Critical Ionization Model 264 7.1.4 Surface Inhibition 265 7.1.5 Extension to Negative Resists 267 7.1.6 Developer Temperature 267 7.1.7 Developer Normality 268 7.2 The Development Contrast 270 7.2.1 Defining Photoresist Contrast 270 7.2.2 Comparing Definitions of Contrast 274 7.2.3 The Practical Contrast 276 7.2.4 Relationship between g and r max /r min 277 7.3 The Development Path 278 7.3.1 The Euler–Lagrange Equation 279 7.3.2 The Case of No z-Dependence 280 7.3.3 The Case of a Separable Development Rate Function 282 7.3.4 Resist Sidewall Angle 283 7.3.5 The Case of Constant Development Gradients 284 7.3.6 Segmented Development and the Lumped Parameter Model (LPM) 286 7.3.7 LPM Example – Gaussian Image 287 7.4 Measuring Development Rates 292 Problems 293 8. Lithographic Control in Semiconductor Manufacturing 297 8.1 Defining Lithographic Quality 297 8.2 Critical Dimension Control 299 8.2.1 Impact of CD Control 299 8.2.2 Improving CD Control 303 8.2.3 Sources of Focus and Dose Errors 305 8.2.4 Defining Critical Dimension 307 8.3 How to Characterize Critical Dimension Variations 309 8.3.1 Spatial Variations 309 8.3.2 Temporal Variations and Random Variations 311 8.3.3 Characterizing and Separating Sources of CD Variations 312 8.4 Overlay Control 314 8.4.1 Measuring and Expressing Overlay 315 8.4.2 Analysis and Modeling of Overlay Data 317 8.4.3 Improving Overlay Data Analysis 320 8.4.4 Using Overlay Data 323 8.4.5 Overlay Versus Pattern Placement Error 326 8.5 The Process Window 326 8.5.1 The Focus–Exposure Matrix 326 8.5.2 Defining the Process Window and DOF 332 8.5.3 The Isofocal Point 336 8.5.4 Overlapping Process Windows 338 8.5.5 Dose and Focus Control 339 8.6 H–V Bias 343 8.6.1 Astigmatism and H–V Bias 343 8.6.2 Source Shape Asymmetry 345 8.7 Mask Error Enhancement Factor (MEEF) 348 8.7.1 Linearity 348 8.7.2 Defining MEEF 349 8.7.3 Aerial Image MEEF 350 8.7.4 Contact Hole MEEF 352 8.7.5 Mask Errors as Effective Dose Errors 353 8.7.6 Resist Impact on MEEF 355 8.8 Line-End Shortening 356 8.8.1 Measuring LES 357 8.8.2 Characterizing LES Process Effects 359 8.9 Critical Shape and Edge Placement Errors 361 8.10 Pattern Collapse 362 Problems 366 9. Gradient-Based Lithographic Optimization: Using the Normalized Image Log-Slope 369 9.1 Lithography as Information Transfer 369 9.2 Aerial Image 370 9.3 Image in Resist 377 9.4 Exposure 378 9.5 Post-exposure Bake 381 9.5.1 Diffusion in Conventional Resists 381 9.5.2 Chemically Amplified Resists – Reaction Only 383 9.5.3 Chemically Amplified Resists – Reaction–Diffusion 384 9.5.4 Chemically Amplified Resists – Reaction–Diffusion with Quencher 391 9.6 Develop 393 9.6.1 Conventional Resist 397 9.6.2 Chemically Amplified Resist 399 9.7 Resist Profile Formation 400 9.7.1 The Case of a Separable Development Rate Function 400 9.7.2 Lumped Parameter Model 401 9.8 Line Edge Roughness 404 9.9 Summary 406 Problems 408 10. Resolution Enhancement Technologies 411 10.1 Resolution 412 10.1.1 Defining Resolution 413 10.1.2 Pitch Resolution 416 10.1.3 Natural Resolutions 418 10.1.4 Improving Resolution 418 10.2 Optical Proximity Correction (OPC) 419 10.2.1 Proximity Effects 419 10.2.2 Proximity Correction – Rule Based 422 10.2.3 Proximity Correction – Model Based 425 10.2.4 Subresolution Assist Features (SRAFs) 427 10.3 Off-Axis Illumination (OAI) 429 10.4 Phase-Shifting Masks (PSM) 434 10.4.1 Alternating PSM 435 10.4.2 Phase Conflicts 438 10.4.3 Phase and Intensity Imbalance 439 10.4.4 Attenuated PSM 441 10.4.5 Impact of Phase Errors 445 10.5 Natural Resolutions 450 10.5.1 Contact Holes and the Point Spread Function 450 10.5.2 The Coherent Line Spread Function (LSF) 452 10.5.3 The Isolated Phase Edge 453 Problems 454 Appendix A. Glossary of Microlithographic Terms 457 Appendix B. Curl, Divergence, Gradient, Laplacian 491 Appendix C. The Dirac Delta Function 495 Index 501

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Book SynopsisThe provision of IP-based multimedia services is one of the most exiting and challenging aspects of next generation wireless networks. A significant evolution has been underway for enabling such multimedia services and for ultimately migrating the Internet to the wireless world. This book examines this evolution, looking at an array of the most up-to-date wireless multimedia technologies and services. The first part focuses on enabling technologies for wireless multimedia, while the second is dedicated to the new wireless multimedia services that are expected to play a key role in the future wireless environment. In addition, the related recent standardization, research and industry activities are addressed. * Covers a complete range of multimedia hot topics, ranging from audio/video coding techniques to multimedia protocols and applications * Discusses QoS issues in WLANs, 3G and hybrid 3G/WLAN networks * Provides in-depth discussion of the most modern multimedia serTable of ContentsList of Contributors. 1. Introduction (Apostolis K. Salkintzis and Nikos Passas). 1.1 Evolving Towards Wireless Multimedia Networks. 1.2 Multimedia Over Wireless. 1.3 Multimedia Services in WLANs. 1.4 Multimedia Services in WPANs. 1.5 Multimedia Services in 3G Networks. 1.6 Multimedia Services for the Enterprise. 1.7 Hybrid Multimedia Networks and Seamless Mobility. 1.8 Book Contents. References. PART ONE: MULTIMEDIA ENABLING TECHNOLOGIES. 2. Multimedia Coding Techniques for Wireless Networks (Anastasios Delopoulos). 2.1 Introduction. 2.2 Basics of Compression. 2.3 Understanding Speech Characteristics. 2.4 Three Types of Speech Compressors. 2.5 Speech Coding Standards. 2.6 Understanding Video Characteristics. 2.7 Video Compression Standards. References. 3. Multimedia Transport Protocols for Wireless Networks (Pantelis Balaouras and Ioannis Stavrakakis). 3.1 Introduction. 3.2 Networked Multimedia-based Services. 3.3 Classification of Real-time Services. 3.4 Adaptation at the Video Encoding Level. 3.5 Quality of Service Issues for Real-time Multimedia Services. 3.6 Protocols for Multimedia-based Communication Over the Wireless Internet. 3.7 Real-time Transport Protocol (RTP). 3.8 RTP Payload Types. 3.9 RTP in 3G. References. 4. Multimedia Control Protocols for Wireless Networks (Pedro M. Ruiz, Eduardo Martı´nez, Juan A. Sa´nchez and Antonio F. Go´mez-Skarmeta). 4.1 Introduction. 4.2 A Premier on the Control Plane of Existing Multimedia Standards. 4.3 Protocol for Describing Multimedia Sessions: SDP. 4.4 Control Protocols for Media Streaming. 4.5 Session Setup: The Session Initiation Protocol (SIP). 4.6 Advanced SIP Features for Wireless Networks. 4.7 Multimedia Control Panel in UMTS: IMS. 4.8 Research Challenges and Opportunities. Acknowledgement. References. 5. Multimedia Wireless Local Area Networks (Sai Shankar). 5.1 Introduction. 5.2 Overview of Physical Layers of HiperLAN/2 and IEEE 802.11a. 5.3 Overview of HiperLAN/1. 5.4 Overview of HiperLAN/2. 5.5 IEEE 802.11 MAC. 5.6 Overview of IEEE 802.11 Standardization. 5.7 IEEE 802.11e HCF. 5.8 Simulation Performance of IEEE 802.11. 5.9 Support for VoIP in IEE 802.11e. 5.10 Video Transmission Over IEEE 802.11E. 5.11 Comparison of HiperLAN/2 and IEEE 802.11E. 5.12 Conclusions. References. 6. Wireless Multimedia Personal Area Networks: An Overview (Minal Mishra, Aniruddha Rangnekar and Krishna M. Sivalingam). 6.1 Introduction. 6.2 Multimedia Information Representation. 6.3 Bluetooth1 (IEEE 802.15.1). 6.4 Coexistence with Wireless LANs (IEEE 802.15.2). 6.5 High-Rate WPANs (IEEE 802.15.3). 6.6 Low-rate WPANs (IEEE 802.15.4). 6.7 Summary. References. 7. QoS Provision in Wireless Multimedia Networks (Nikos Passas and Apostolis K. Salkintzis). 7.1 Introduction. 7.2 QoS in WLANs. 7.3 RSVP over Wireless Networks. 7.4 QoS in Hybrid 3G/WLAN Networks. 7.5 UMTS/WLAN Interworking Architecture. 7.6 Interworking QoS Considerations. 7.7 Performance Evaluation. 7.8 Performance Results. 7.9 Conclusions. Acknowledgements. References. 8. Wireless Multimedia in 3G Networks (George Xylomenos and Vasilis Vogkas). 8.1 Introduction. 8.2 Cellular Networks. 8.3 UMTS Networks. 8.4 Multimedia Services. 8.5 IMS Architecture and Implementation. 8.6 MBMS Architecture and Implementation. 8.7 Quality of Service. 8.8 Summary. 8.9 Glossary of Acronyms. References. PART TWO: WIRELESS MULTIMEDIA APPLICATIONS AND SERVICES. 9. Wireless Application Protocol (WAP) (Alessandro Andreadis and Giovanni Giambene). 9.1 Introduction to WAP Protocol and Architecture. 9.2 WAP Protocol Stack. 9.3 WAP languages and Design Tools. 9.4 WAP Service Design Principles. 9.5 Performance of WAP over 2G and 2.5G Technologies. 9.6 Examples of Experimented and Implemented WAP Services. References. 10. Multimedia Messaging Service (MMS) (Alessandro Andreadis and Giovanni Giambene). 10.1 Evolution From Short to Multimedia Message Services. 10.2 MMS Architecture and Standard. 10.3 MMS Format. 10.4 Transaction Flows. 10.5 MMS-based Value-added Services. 10.6 MMS Development Tools. 10.7 MMS Evolution. References. 11. Instant Messaging and Presence Service (IMPS) (John Buford and Mahfuzur Rahman). 11.1 Introduction. 11.2 Client. 11.3 Design Considerations. 11.4 Protocols. 11.5 Security and Protocols. 11.6 Evolution, Direction and Challenges. 11.7 Summary. References. 12. Instant Messaging Enabled Mobile Payments (Stamatis Karnouskos, Tadaaki Arimura, Shigetoshi Yokoyama and Bala´zs Csik). 12.1 Introduction. 12.2 Instant Messaging Mobile Payment Scenario. 12.3 The Generic MP and IM Platforms of IMMP. 12.4 Design of an IM-enabled MP System. 12.5 Implementation. 12.6 Security and Privacy in IMMP. 12.7 Conclusions. References. 13. Push-to-Talk: A First Step to a Unified Instant Communication Future (Johanna Wild, Michael Sasuta and Mark Shaughnessy). 13.1 Short History of PTT. 13.2 Service Description. 13.3 Architecture. 13.4 Standardization. 13.5 Service Access. 13.6 Performance. 13.7 Architecture Migration. 13.8 Possible Future, or PTT Evolving to PTX. 14. Location Based Services (Ioannis Priggouris, Stathes Hadjiefthymiades and Giannis Marias). 14.1 Introduction. 14.2 Requirements. 14.3 LBS System. 14.4 Available LBS Systems. Acknowledgement. References. Index.

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Book SynopsisIn recent years, the proliferation of available video content and the popularity of the Internet have encouraged service providers to develop new ways of distributing content to clients. Increasing video scaling ratios and advanced digital signal processing techniques have led to Internet Video-on-Demand applications, but these currently lack efficiency and quality. Scalable Video on Demand: Adaptive Internet-based Distribution examines how current video compression and streaming can be used to deliver high-quality applications over the Internet. In addition to analysing the problems of client heterogeneity and the absence of Quality of Service in the Internet, this book: assesses existing products and encoding formats; presents new algorithms and protocols for optimised on-line video streaming architectures; includes real-world application examples and experiments; sets out a practical toolkit' for Dynamically Reconfigurable MultimediTable of ContentsList of Figures. List of Tables. About the Author. Acknowledgements. Acronyms. 1 Introduction. 1.1 Why Scalable Internet Video on Demand Systems? 1.2 What is the Goal of this Book? 1.3 Outline of this Book. 1.4 Who is this Book for? 2 Scalable Adaptive Streaming Architecture. 2.1 Distributed Systems. 2.2 Replication. 2.3 Video Distribution System Terminology. 2.4 Architecture. 2.5 Scenario for Scalable Adaptive Streaming. 2.6 An Example Application for Scalable Adaptive Streaming. 3 Towards a Scalable Adaptive Streaming Architecture. 3.1 Products. 3.2 Standardization. 3.3 Content Scalability–Scalable Encoded Video. 3.4 Congestion Control–TCP-friendliness. 3.5 Adaptive Streaming–Streaming Layer-encoded Video without Caches. 3.6 System Scalability–Caches. 3.7 Reliable Transport into Caches. 3.8 Cache Clusters. 4 Quality Variations in Layer-encoded Video. 4.1 What is the Relation between Objective and Subjective Quality? 4.2 Quality Metrics for Video. 4.3 Test Environment. 4.4 Experiment. 4.5 Results. 4.6 The Spectrum. 4.7 Implications for MDC and FGS. 4.8 Summary. 5 Retransmission Scheduling. 5.1 Motivation. 5.2 Optimal Retransmission Scheduling. 5.3 Heuristics for Retransmission Scheduling. 5.4 Viewer-centric Retransmission Scheduling. 5.5 Simulations. 5.6 Cache-centric Retransmission Scheduling. 5.7 Cache-friendly Viewer-centric Retransmission Scheduling. 5.8 Summary. 6 Polishing. 6.1 Motivation. 6.2 Polishing and its Applications. 6.3 Existing Work on Polishing. 6.4 Optimal Polishing. 6.5 Simulations. 6.6 Summary. 7 Fair Share Claiming. 7.1 Motivation. 7.2 Performing TCP-friendly Streaming in Combination with Retransmissions. 7.3 Implementation Design for FSC. 7.4 Summary. 8 Scalable TCP-friendly Video Distribution for Heterogeneous Clients. 8.1 Motivation. 8.2 Transport Scenarios. 8.3 Scalable Streaming Implementations. 8.4 Implementation. 8.5 Experiments. 8.6 Summary. 9 Improved Video Distribution in Today’s Internet. 9.1 Improvements through Scalable Adaptive Streaming. 9.2 Outlook. Appendix A: LC-RTP (Loss Collection RTP). A.1 Motivation. A.2 Protocol Set for Streaming Media. A.3 LC-RTP Design. A.4 Use and Integration of Protocols. A.5 Tests. A.6 Summary. Appendix B: Preliminary Subjective Assessment. B.1 Execution of the Preliminary Assessment. B.1.1 DSIS Method. B.1.2 SC Method. B.2 Selection of the Test Method. B.2.1 Content. Appendix C: A Toolkit for Dynamically Reconfigurable Multimedia Distribution Systems. C.1 Motivation for a Video Distribution Testbed. C.2 Terminology. C.3 Design. C.4 Evaluation. C.5 Summary. References. Index.

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Book SynopsisThe migration of immersive media towards telecommunication applications is advancing rapidly. Impressive progress in the field of media compression, media representation, and the larger and ever increasing bandwidth available to the customer, will foster the introduction of these services in the future.Table of ContentsList of Contributors xiii Symbols xix Abbreviations xxi Introduction 1 Oliver Schreer, Peter Kauff and Thomas Sikora Section I Applications of 3D Videocommunication 5 1 History of Telepresence 7 Wijnand A. IJsselsteijn 1.1 Introduction 7 1.2 The Art of Immersion: Barker’s Panoramas 10 1.3 Cinerama and Sensorama 11 1.4 Virtual Environments 14 1.5 Teleoperation and Telerobotics 16 1.6 Telecommunications 18 1.7 Conclusion 19 References 20 2 3D TV Broadcasting 23 Christoph Fehn 2.1 Introduction 23 2.2 History of 3D TV Research 24 2.3 A Modern Approach to 3D TV 26 2.3.1 A Comparison with a Stereoscopic Video Chain 28 2.4 Stereoscopic View Synthesis 29 2.4.1 3D Image Warping 29 2.4.2 A ‘Virtual’ Stereo Camera 30 2.4.3 The Disocclusion Problem 32 2.5 Coding of 3D Imagery 34 2.5.1 Human Factor Experiments 35 2.6 Conclusions 36 Acknowledgements 37 References 37 3 3D in Content Creation and Post-production 39 Oliver Grau 3.1 Introduction 39 3.2 Current Techniques for Integrating Real and Virtual Scene Content 41 3.3 Generation of 3D Models of Dynamic Scenes 44 3.4 Implementation of a Bidirectional Interface Between Real and Virtual Scenes 46 3.4.1 Head Tracking 49 3.4.2 View-dependent Rendering 50 3.4.3 Mask Generation 50 3.4.4 Texturing 51 3.4.5 Collision Detection 52 3.5 Conclusions 52 References 52 4 Free Viewpoint Systems 55 Masayuki Tanimoto 4.1 General Overview of Free Viewpoint Systems 55 4.2 Image Domain System 57 4.2.1 EyeVision 57 4.2.2 3D-TV 58 4.2.3 Free Viewpoint Play 59 4.3 Ray-space System 59 4.3.1 FTV (Free Viewpoint TV) 59 4.3.2 Bird’s-eye View System 60 4.3.3 Light Field Video Camera System 62 4.4 Surface Light Field System 64 4.5 Model-based System 65 4.5.1 3D Room 65 4.5.2 3D Video 66 4.5.3 Multi-texturing 67 4.6 Integral Photography System 68 4.6.1 NHK System 68 4.6.2 1D-II 3D Display System 70 4.7 Summary 70 References 71 5 Immersive Videoconferencing 75 Peter Kauff and Oliver Schreer 5.1 Introduction 75 5.2 The Meaning of Telepresence in Videoconferencing 76 5.3 Multi-party Communication Using the Shared Table Concept 79 5.4 Experimental Systems for Immersive Videoconferencing 83 5.5 Perspective and Trends 87 Acknowledgements 88 References 88 Section II 3D Data Representation and Processing 91 6 Fundamentals of Multiple-view Geometry 93 Spela Ivekovic, Andrea Fusiello and Emanuele Trucco 6.1 Introduction 93 6.2 Pinhole Camera Geometry 94 6.3 Two-view Geometry 96 6.3.1 Introduction 96 6.3.2 Epipolar Geometry 97 6.3.3 Rectification 102 6.3.4 3D Reconstruction 104 6.4 N-view Geometry 106 6.4.1 Trifocal Geometry 106 6.4.2 The Trifocal Tensor 108 6.4.3 Multiple-view Constraints 109 6.4.4 Uncalibrated Reconstruction from N views 110 6.4.5 Autocalibration 111 6.5 Summary 112 References 112 7 Stereo Analysis 115 Nicole Atzpadin and Jane Mulligan 7.1 Stereo Analysis Using Two Cameras 115 7.1.1 Standard Area-based Stereo Analysis 117 7.1.2 Fast Real-time Approaches 120 7.1.3 Post-processing 123 7.2 Disparity From Three or More Cameras 125 7.2.1 Two-camera versus Three-camera Disparity 127 7.2.2 Correspondence Search with Three Views 128 7.2.3 Post-processing 129 7.3 Conclusion 130 References 130 8 Reconstruction of Volumetric 3D Models 133 Peter Eisert 8.1 Introduction 133 8.2 Shape-from-Silhouette 135 8.2.1 Rendering of Volumetric Models 136 8.2.2 Octree Representation of Voxel Volumes 137 8.2.3 Camera Calibration from Silhouettes 139 8.3 Space-carving 140 8.4 Epipolar Image Analysis 143 8.4.1 Horizontal Camera Motion 143 8.4.2 Image Cube Trajectory Analysis 145 8.5 Conclusions 148 References 148 9 View Synthesis and Rendering Methods 151 Reinhard Koch and Jan-Friso Evers-Senne 9.1 The Plenoptic Function 152 9.1.1 Sampling the Plenoptic Function 152 9.1.2 Recording of the Plenoptic Samples 153 9.2 Categorization of Image-based View Synthesis Methods 154 9.2.1 Parallax Effects in View Rendering 154 9.2.2 Taxonomy of IBR Systems 156 9.3 Rendering Without Geometry 158 9.3.1 The Aspen Movie-Map 158 9.3.2 Quicktime VR 158 9.3.3 Central Perspective Panoramas 159 9.3.4 Manifold Mosaicing 159 9.3.5 Concentric Mosaics 161 9.3.6 Cross-slit Panoramas 162 9.3.7 Light Field Rendering 162 9.3.8 Lumigraph 163 9.3.9 Ray Space 164 9.3.10 Related Techniques 164 9.4 Rendering with Geometry Compensation 165 9.4.1 Disparity-based Interpolation 165 9.4.2 Image Transfer Methods 166 9.4.3 Depth-based Extrapolation 167 9.4.4 Layered Depth Images 168 9.5 Rendering from Approximate Geometry 169 9.5.1 Planar Scene Approximation 169 9.5.2 View-dependent Geometry and Texture 169 9.6 Recent Trends in Dynamic IBR 170 References 172 10 3D Audio Capture and Analysis 175 Markus Schwab and Peter Noll 10.1 Introduction 175 10.2 Acoustic Echo Control 176 10.2.1 Single-channel Echo Control 177 10.2.2 Multi-channel Echo Control 179 10.3 Sensor Placement 181 10.4 Acoustic Source Localization 182 10.4.1 Introduction 182 10.4.2 Real-time System and Results 183 10.5 Speech Enhancement 185 10.5.1 Multi-channel Speech Enhancement 186 10.5.2 Single-channel Noise Reduction 187 10.6 Conclusions 190 References 191 11 Coding and Standardization 193 Aljoscha Smolic and Thomas Sikora 11.1 Introduction 193 11.2 Basic Strategies for Coding Images and Video 194 11.2.1 Predictive Coding of Images 194 11.2.2 Transform Domain Coding of Images and Video 195 11.2.3 Predictive Coding of Video 198 11.2.4 Hybrid MC/DCT Coding for Video Sequences 199 11.2.5 Content-based Video Coding 201 11.3 Coding Standards 202 11.3.1 JPEG and JPEG 2000 202 11.3.2 Video Coding Standards 202 11.4 MPEG-4 — an Overview 204 11.4.1 MPEG-4 Systems 205 11.4.2 BIFS 205 11.4.3 Natural Video 206 11.4.4 Natural Audio 207 11.4.5 SNHC 208 11.4.6 AFX 209 11.5 The MPEG 3DAV Activity 210 11.5.1 Omnidirectional Video 210 11.5.2 Free-viewpoint Video 212 11.6 Conclusion 214 References 214 Section III 3D Reproduction 217 12 Human Factors of 3D Displays 219 Wijnand A. IJsselsteijn, Pieter J.H. Seuntiëns and Lydia M.J. Meesters 12.1 Introduction 219 12.2 Human Depth Perception 220 12.2.1 Binocular Disparity and Stereopsis 220 12.2.2 Accommodation and Vergence 222 12.2.3 Asymmetrical Binocular Combination 223 12.2.4 Individual Differences 224 12.3 Principles of Stereoscopic Image Production and Display 225 12.4 Sources of Visual Discomfort in Viewing Stereoscopic Displays 226 12.4.1 Keystone Distortion and Depth Plane Curvature 227 12.4.2 Magnification and Miniaturization Effects 228 12.4.3 Shear Distortion 229 12.4.4 Cross-talk 229 12.4.5 Picket Fence Effect and Image Flipping 230 12.5 Understanding Stereoscopic Image Quality 230 References 231 13 3D Displays 235 Siegmund Pastoor 13.1 Introduction 235 13.2 Spatial Vision 236 13.3 Taxonomy of 3D Displays 237 13.4 Aided-viewing 3D Display Technologies 238 13.4.1 Colour-multiplexed (Anaglyph) Displays 238 13.4.2 Polarization-multiplexed Displays 239 13.4.3 Time-multiplexed Displays 239 13.4.4 Location-multiplexed Displays 240 13.5 Free-viewing 3D Display Technologies 242 13.5.1 Electroholography 242 13.5.2 Volumetric Displays 243 13.5.3 Direction-multiplexed Displays 244 13.6 Conclusions 258 References 258 14 Mixed Reality Displays 261 Siegmund Pastoor and Christos Conomis 14.1 Introduction 261 14.2 Challenges for MR Technologies 263 14.3 Human Spatial Vision and MR Displays 264 14.4 Visual Integration of Natural and Synthetic Worlds 265 14.4.1 Free-form Surface-prism HMD 265 14.4.2 Waveguide Holographic HMD 266 14.4.3 Virtual Retinal Display 267 14.4.4 Variable-accommodation HMD 267 14.4.5 Occlusion Handling HMD 268 14.4.6 Video See-through HMD 269 14.4.7 Head-mounted Projective Display 269 14.4.8 Towards Free-viewing MR Displays 270 14.5 Examples of Desktop and Hand-held MR Systems 273 14.5.1 Hybrid 2D/3D Desktop MR System with Multimodal Interaction 273 14.5.2 Mobile MR Display with Markerless Video-based Tracking 275 14.6 Conclusions 278 References 279 15 Spatialized Audio and 3D Audio Rendering 281 Thomas Sporer and Sandra Brix 15.1 Introduction 281 15.2 Basics of Spatial Audio Perception 281 15.2.1 Perception of Direction 282 15.2.2 Perception of Distance 283 15.2.3 The Cocktail Party Effect 283 15.2.4 Final Remarks 284 15.3 Spatial Sound Reproduction 284 15.3.1 Discrete Multi-channel Loudspeaker Reproduction 284 15.3.2 Binaural Reproduction 287 15.3.3 Multi-object Audio Reproduction 287 15.4 Audiovisual Coherence 291 15.5 Applications 293 15.6 Summary and Outlook 293 References 293 Section IV 3D Data Sensors 297 16 Sensor-based Depth Capturing 299 João G.M. Gonçalves and Vítor Sequeira 16.1 Introduction 299 16.2 Triangulation-based Sensors 301 16.3 Time-of-flight-based Sensors 303 16.3.1 Pulsed Wave 304 16.3.2 Continuous-wave-based Sensors 304 16.3.3 Summary 308 16.4 Focal Plane Arrays 308 16.5 Other Methods 309 16.6 Application Examples 309 16.7 The Way Ahead 311 16.8 Summary 311 References 312 17 Tracking and User Interface for Mixed Reality 315 Yousri Abdeljaoued, David Marimon i Sanjuan, and Touradj Ebrahimi 17.1 Introduction 315 17.2 Tracking 316 17.2.1 Mechanical Tracking 317 17.2.2 Acoustic Tracking 317 17.2.3 Inertial Tracking 318 17.2.4 Magnetic Tracking 318 17.2.5 Optical Tracking 320 17.2.6 Video-based Tracking 320 17.2.7 Hybrid Tracking 323 17.3 User Interface 324 17.3.1 Tangible User Interfaces 324 17.3.2 Gesture-based Interfaces 325 17.4 Applications 328 17.4.1 Mobile Applications 328 17.4.2 Collaborative Applications 329 17.4.3 Industrial Applications 329 17.5 Conclusions 331 References 331 Index 335

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