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Book SynopsisTable of ContentsPreface Chapter 1: Overview 1.0 Introduction 1.1 Understanding Project Management 1.2 Defining Project Success 1.3 Trade-Offs and Competing Constraints 1.4 The Entry-Level Project Manager 1.5 The Talent Triangle 1.6 Technology-Based Projects 1.7 The Project Manager–Line Manager Interface 1.8 Defining the Project Manager’s Role 1.9 Defining the Functional Manager’s Role 1.10 Defining the Functional Employee’s Role 1.11 Defining the Executive’s Role 1.12 Working with Executives 1.13 Committee Sponsorship/Governance 1.14 The Project Manager as the Planning Agent 1.15 Project Champions 1.16 Project-Driven Versus Non–Project-Driven Organizations 1.17 Marketing in the Project-Driven Organization 1.18 Classification of Projects 1.19 Location of the Project Manager 1.20 Differing Views of Project Management 1.21 Public-Sector Project Management 1.22 International Project Management 1.23 Concurrent Engineering: A Project Management Approach 1.24 Added Value 1.25 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Williams Machine Tool Company Chapter 2: Project Management Growth: Concepts and Definitions 2.0 Introduction 2.1 The Evolution of Project Management: 1945–2021 2.2 Resistance to Change 2.3 Systems, Programs, and Projects: A Definition 2.4 Projects versus Operations 2.5 Product versus Project Management: A Definition 2.6 Maturity and Excellence: A Definition 2.7 Informal Project Management: A Definition 2.8 The Many Faces of Success 2.9 The Many Faces of Failure 2.10 Causes of Project Failure 2.11 Degrees of Success and Failure 2.12 Project Health Checks 2.13 The Stage-Gate Process 2.14 Project Life Cycles 2.15 Gate Review Meetings (Project Closure) 2.16 Engagement Project Management 2.17 Project Management Methodologies: A Definition 2.18 From Enterprise Project Management Methodologies to Frameworks 2.19 Growth of Strategic Project Management 2.20 Business Models 2.21 Methodologies Can Fail 2.22 Lean Project Management 2.23 Organizational Change Management and Corporate Cultures 2.24 Benefits Harvesting and Cultural Change 2.25 Agile and Adaptive Project Management Cultures 2.26 Project Management Intellectual Property 2.27 Systems Thinking 2.28 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Creating a Methodology Chapter 3: Organizational Structures 3.0 Introduction 3.1 Organizational Work Flow 3.2 Traditional (Classical) Organization 3.3 Pure Product (Projectized) Organization 3.4 Matrix Organizational Form 3.5 Modification of Matrix Structures 3.6 The Strong, Weak, or Balanced Matrix 3.7 Project Management Offices 3.8 Selecting the Organizational Form 3.9 Strategic Business Unit (SBU) Project Management 3.10 Transitional Management 3.11 Seven Fallacies That Delay Project Management Maturity 3.12 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 4: Organizing and Staffing the Project Office and Team 4.0 Introduction 4.1 The Staffing Environment 4.2 Selecting the Project Manager: An Executive Decision 4.3 Skill Requirements for Project and Program Managers 4.4 Special Cases in Project Manager Selection 4.5 Today’s Project Managers 4.6 Duties and Job Descriptions 4.7 The Organizational Staffing Process 4.8 The Project Office 4.9 The Functional Team 4.10 The Project Organizational Chart 4.11 Selecting the Project Management Implementation Team 4.12 Mistakes Made by Inexperienced Project Managers 4.13 Studying Tips for the PMI®Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 5: Management Functions 5.0 Introduction 5.1 Controlling 5.2 Directing 5.3 Project Authority 5.4 Interpersonal Influences 5.5 Barriers to Project Team Development 5.6 Suggestions for Handling the Newly Formed Team 5.7 Team Building as an Ongoing Process 5.8 Leadership in a Project Environment 5.9 Value-Based Project Leadership 5.10 Transformational Project Management Leadership 5.11 Organizational Impact 5.12 Employee–Manager Problems 5.13 General Management Pitfalls 5.14 Time Management Pitfalls 5.15 Management Policies and Procedures 5.16 Human Behavior Education 5.17 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Trophy Project Case Study: McRoy Aerospace Case Study: The Poor Worker Case Study: The Prima Donna Case Study: The Reluctant Workers Case Study: Leadership Effectiveness (A) Case Study: Leadership Effectiveness (B) Chapter 6: Communications Management 6.0 Introduction 6.1 Modeling the Communications Environment 6.2 The Project Manager as a Communicator 6.3 Project Review Meetings 6.4 Project Management Bottlenecks 6.5 Active Listening 6.6 Communication Traps 6.7 Project Problem Solving 6.8 Using Action Items 6.9 Brainstorming 6.10 Predicting the Outcome of a Decision 6.11 Facilitation 6.12 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Communication Failures Case Study: The Team Meeting Chapter 7: Conflicts 7.0 Introduction 7.1 The Conflict Environment 7.2 Types of Conflicts 7.3 Conflict Resolution 7.4 The Management of Conflicts 7.5 Conflict Resolution Modes 7.6 Understanding Superior, Subordinate, and Functional Conflicts 7.7 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Problems Case Study: Facilities Scheduling at Mayer Manufacturing Case Study: Telestar International Case Study: Handling Conflict in Project Management Chapter 8: Special Topics 8.0 Introduction 8.1 Performance Measurement 8.2 Financial Compensation and Rewards 8.3 Effective Project Management in the Small Business Organization 8.4 Mega Projects 8.5 Morality, Ethics, and the Corporate Culture 8.6 Professional Responsibilities 8.7 Internal and External Partnerships 8.8 Training and Education 8.9 Integrated Product/Project Teams 8.10 Virtual Project Teams 8.11 Managing Innovation Projects 8.12 Agile Project Management 8.13 Artificial Intelligence 8.14 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Is It Fraud? Chapter 9: The Variables for Success 9.0 Introduction 9.1 Predicting Project Success 9.2 Project Management Effectiveness 9.3 Expectations 9.4 Lessons Learned 9.5 Understanding Best Practices 9.6 Downside Risks of Best Practices 9.7 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Radiance International Chapter 10: Working with Executives 10.0 Introduction 10.1 The Project Sponsor 10.2 Handling Disagreements with the Sponsor 10.3 The Collective Belief 10.4 The Exit Champion 10.5 The In-House Representatives 10.6 Stakeholder Relations Management 10.7 Project Portfolio Management 10.8 Politics 10.9 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Prioritization of Projects Case Study: The Irresponsible Sponsors Case Study: Selling Executives on Project Management Chapter 11: Planning 11.0 Introduction 11.1 Business Case 11.2 Validating the Assumptions 11.3 Validating the Objectives 11.4 General Planning 11.5 Life-Cycle Phases 11.6 Life-Cycle Milestones 11.7 Kickoff Meetings 11.8 Understanding Participants’ Roles 11.9 Establishing Project Objectives 11.10 The Statement of Work 11.11 Project Specifications 11.12 Data Item Milestone Schedules 11.13 Work Breakdown Structure 11.14 WBS Decomposition Problems 11.15 Work Breakdown Structure Dictionary 11.16 Project Selection 11.17 Role of the Executive in Planning 11.18 Management Cost and Control System 11.19 Work Planning Authorization 11.20 Why Do Plans Fail? 11.21 Stopping Projects 11.22 Handling Project Phaseouts and Transfers 11.23 Detailed Schedules and Charts 11.24 Master Production Scheduling 11.25 Project Plan 11.26 The Project Charter 11.27 Project Baselines 11.28 Verification and Validation 11.29 Management Control 11.30 Configuration Management 11.31 Enterprise Project Management Methodologies 11.32 Project Audits 11.33 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 12: Network Scheduling Techniques 12.0 Introduction 12.1 Network Fundamentals 12.2 Graphical Evaluation and Review Technique (GERT) 12.3 Dependencies 12.4 Slack Time 12.5 Network Replanning 12.6 Estimating Activity Time 12.7 Estimating Total Project Time 12.8 Total Pert/CPM Planning 12.9 Crash Times 12.10 PERT/CPM Problem Areas 12.11 Alternative PERT/CPM Models 12.12 Precedence Networks 12.13 Lag 12.14 Scheduling Problems 12.15 The Myths of Schedule Compression 12.16 Project Management Software 12.17 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Invisible Sponsor Chapter 13: Pricing and Estimating 13.0 Introduction 13.1 Global Pricing Strategies 13.2 Types of Estimates 13.3 Pricing Process 13.4 Organizational Input Requirements 13.5 Labor Distributions 13.6 Overhead Rates 13.7 Materials/Support Costs 13.8 Pricing out the Work 13.9 Smoothing Out Department Man-Hours 13.10 The Pricing Review Procedure 13.11 Systems Pricing 13.12 Developing the Supporting/Backup Costs 13.13 The Low-Bidder Dilemma 13.14 Special Problems 13.15 Estimating Pitfalls 13.16 Estimating High-Risk Projects 13.17 Project Risks 13.18 The Disaster of Applying the 10 Percent Solution to Project Estimates 13.19 Life-Cycle Costing (LCC) 13.20 Logistics Support 13.21 Economic Project Selection Criteria: Capital Budgeting 13.22 Payback Period 13.23 The Time Value of Money and Discounted Cash Flow (DCF) 13.24 Net Present Value (NPV) 13.25 Internal Rate of Return (IRR) 13.26 Comparing IRR, NPV, and Payback 13.27 Risk Analysis 13.28 Capital Rationing 13.29 Project Financing 13.30 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Estimating Problem Chapter 14: Cost Control 14.0 Introduction 14.1 Understanding Control 14.2 The Operating Cycle 14.3 Cost Account Codes 14.4 Budgets 14.5 The Earned Value Measurement System (EVMS) 14.6 Variance and Earned Value 14.7 The Cost Baseline 14.8 Justifying the Costs 14.9 The Cost Overrun Dilemma 14.10 Recording Material Costs Using Earned Value Measurement 14.11 Material Variances: Price and Usage 14.12 Summary Variances 14.13 Status Reporting 14.14 Cost Control Problems 14.15 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: The Bathtub Period Case Study: Franklin Electronics Chapter 15: Metrics 15.0 Introduction 15.1 Project Management Information Systems 15.2 Enterprise Resource Planning 15.3 Project Metrics 15.4 Key Performance Indicators (KPIs) 15.5 Growth of New Metrics and KPIs 15.6 Value-Based Metrics 15.7 Strategic Metrics 15.8 Metrics for Measuring Intangible Assets 15.9 Dashboards and Scorecards 15.10 Metrics Feedback 15.11 Metrics and Customer Relations Management 15.12 Business Intelligence 15.13 Studying Tips for the PMI®Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 16: Trade-off Analysis in a Project Environment 16.0 Introduction 16.1 Methodology for Trade-Off Analysis 16.2 Contracts: Their Influence on Projects 16.3 Industry Trade-Off Preferences 16.4 Project Manager’s Control of Trade-Offs 16.5 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 17: Risk Management 17.0 Introduction 17.1 Definition of Risk 17.2 Tolerance for Risk 17.3 Definition of Risk Management 17.4 Certainty, Risk, and Uncertainty 17.5 Risk Management Process 17.6 Plan Risk Management 17.7 Risk Identification 17.8 Risk Analysis 17.9 Qualitative Risk Analysis 17.10 Quantitative Risk Analysis 17.11 Plan Risk Response 17.12 Monitor and Control Risks 17.13 Some Implementation Considerations 17.14 The Use of Lessons Learned 17.15 Dependencies between Risks 17.16 The Impact of Risk Handling Measures 17.17 Risk and Concurrent Engineering 17.18 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: Teloxy Engineering (A) Case Study: Teloxy Engineering (B) Case Study: The Risk Management Department Chapter 18: Learning Curves 18.0 Introduction 18.1 General Theory 18.2 The Learning Curve Concept 18.3 Graphic Representation 18.4 Key Words Associated with Learning Curves 18.5 The Cumulative Average Curve 18.6 Sources of Experience 18.7 Developing Slope Measures 18.8 Unit Costs and Use of Midpoints 18.9 Selection of Learning Curves 18.10 Follow-on Orders 18.11 Manufacturing Breaks 18.12 Learning Curve Limitations 18.13 Competitive Weapon 18.14 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 19: Contract Management 19.0 Introduction 19.1 Procurement 19.2 Plan Procurements 19.3 Conducting the Procurements 19.4 Conduct Procurements: Request Seller Responses 19.5 Conduct Procurements: Select Sellers 19.6 Types of Contracts 19.7 Incentive Contracts 19.8 Contract Type versus Risk 19.9 Contract Administration 19.10 Contract Closure 19.11 Using a Checklist 19.12 Proposal-Contractual Interaction 19.13 Studying Tips for the PMI® Project Management Certification Exam Answers Problems Case Study: To Bid or Not to Bid Case Study: The Management Reserve Chapter 20: Quality Management 20.0 Introduction 20.1 Definition of Quality 20.2 The Quality Movement 20.3 Quality Management Concepts 20.4 The Cost of Quality 20.5 The Seven Quality Control Tools 20.6 Acceptance Sampling 20.7 Implementing Six Sigma 20.8 Quality Leadership 20.9 Responsibility for Quality 20.10 Quality Circles 20.11 Total Quality Management (TQM) 20.12 Studying Tips for the PMI®Project Management Certification Exam Answers Problems Chapter 21: Modern Developments in Project Management 21.0 Introduction 21.1 The Project Management Maturity Model (PMMM) 21.2 Developing Effective Procedural Documentation 21.3 Project Management Methodologies 21.4 Continuous Improvement 21.5 Capacity Planning 21.6 Competency Models 21.7 Managing Multiple Projects 21.8 The Business of Scope Changes 21.9 End-of-Phase Review Meetings Case Study: Honicker Corporation Case Study: Kemko Manufacturing Appendix A: Solution to Leadership Exercise Appendix B: Solutions to the Project Management Conflict Exercise Appendix C: Dorale Products Case Studies Appendix D: Solutions to the Dorale Products Case Studies Appendix E: Alignment of the PMBOK® Guide, 6e to the Text Appendix F: Alignment of the PMBOK® Guide, 7e to the Text Index

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Book SynopsisWith its in-depth exploration of the close connection between microelectronics, AI, and VLSI technology, this book offers valuable insights into the cutting-edge techniques and tools used in VLSI design automation, making it an essential resource for anyone seeking to stay ahead in the rapidly evolving field of VLSI design. Very large-scale integration (VLSI) is the inter-disciplinary science of utilizing advanced semiconductor technology to create various functions of computer system. This book addresses the close link of microelectronics and artificial intelligence (AI). By combining VLSI technology, a very powerful computer architecture confinement is possible. To overcome problems at different design stages, researchers introduced artificial intelligent (AI) techniques in VLSI design automation. AI techniques, such as knowledge-based and expert systems, first try to define the problem and then choose the best solution from the domain of possible solutions. These day

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Book SynopsisElektrochemische Energiewandler und -speicher Ein einführendes Lehrbuch zur elektrochemischen Energieumwandlung und-speicherung, das die aktuellen und zukünftigen Energieperspektiven berücksichtigt Elektrochemische Energiewandler und -speicher schlieβt eine Lücke in der Literatur, indem es eine umfassende Beschreibung der Grundlagen und einen detaillierten Überblick über die realen, praktischen Anwendungen der elektrochemischen Energiespeicherung und-umwandlung bietet. Das von zwei anerkannten Experten zu diesem Thema geschriebene Lehrbuch behandelt sowohl die Grundlagen der Energieumwandlung und -speicherung als auch die Arten der Umwandlung und Speicherung von elektrischer Energie unter besonderer Berücksichtigung der Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Das Buch richtet sich sowohl an Studierende als auch an Fachleute und deckt ein breites Spektrum an Themen ab, das von thermodynamischen, kinetischen und elektrochemischen Grundlagen bis hin zu einer vollständigen Darstellung aller elektrochemischen Systeme für die Energieumwandlung und -speicherung reicht. Zahlreiche Abbildungen, Beispiele und Beschreibungen praktischer Anwendungen erleichtern das Verständnis des dargestellten Materials. Dieses wichtige Lehrbuch: Bietet eine dringend benötigte Einführung in die Grundlagen und jüngsten Entwicklungen der elektrochemischen Energietechnik Beleuchtet die Prozesse und Anwendungen der Energieumwandlung und -speicherung Liefert Informationen über experimentelle Methoden Elektrochemische Energiewandler und -speicher richtet sich an Studierende der Chemie, der Materialwissenschaften und der Ingenieurwissenschaften und beantwortet die Nachfrage nach einer aktuellen Einführung in dieses wichtige Thema.Table of ContentsGeleitwort xi Vorwort xiii Akronyme, Begriffe und Definitionen xv 1 Prozesse und Anwendungen der Energiewandlung und -speicherung 1 Weiterführende Literatur 22 2 Elektrochemische Prozesse und Systeme 23 2.1 Parasitäre Reaktionen 32 2.2 Selbstentladung 33 2.3 Systemverschlechterung 36 2.3.1 Alterung 40 Weiterführende Literatur 42 3 Thermodynamik elektrochemischer Systeme 45 Weiterführende Literatur 61 4 Kinetik elektrochemischer Energieumwandlungsprozesse 63 4.1 Schritte von Elektrodenreaktionen und Überpotentialen 64 4.2 Transport 64 4.3 Ladungsdurchtritt 66 4.4 Überpotentiale 68 Weiterführende Literatur 78 5 Elektroden und Elektrolyte 81 5.1 Recycling 95 Weiterführende Literatur 96 6 Experimentelle Methoden 99 6.1 Batterietester 99 6.2 Strom-Potential-Messungen 100 6.3 Lade-/Entlademessungen 104 6.4 Batterieladung 113 6.5 Einfache und zyklische Voltammetrie 120 6.6 Impedanzmessungen 124 6.7 Galvanostatische Titration 131 6.8 Potentiostatische Titration 132 6.9 Elektrochemische Potentialsprungspektroskopie 133 6.10 Elektrochemische Quarzmikrowaage 134 6.11 Nichtelektrochemische Methoden 134 6.11.1 Festkörper-Kernresonanzspektroskopie 135 6.11.2 Gasadsorptionsmessungen 135 6.11.3 Mikroskopien 135 6.11.4 Thermische Messungen 135 6.11.5 Modellierung 136 Weiterführende Literatur 140 7 Primärsysteme 141 7.1 Wäßrige Systeme 143 7.1.1 Zink-Kohle-Batterie 143 7.1.2 Alkalische Zn/MnO2-Batterie 145 7.1.3 Zn/HgO-Batterien 149 7.1.4 Zn/AgO-Batterie 150 7.1.5 Cd/AgO-Batterien 153 7.1.6 Mg/MnO2-Batterien 155 7.2 Nichtwäßrige Systeme 156 7.2.1 Lithiumprimärbatterien 157 7.2.2 Li/MnO2 159 7.2.3 Li/Bi2O3 160 7.2.4 Li/CuO 161 7.2.5 Li/V2O5,Li/Ag2V4O11 und Li/CSVO 162 7.2.6 Li/CuS 163 7.2.7 Li/FeS2 164 7.2.8 Li/Cfx-primärbatterien 165 7.2.9 Li/I2 167 7.2.10 Li/SO2 167 7.2.11 Li/SOCl2 169 7.2.12 Li/SO2Cl2 172 7.2.13 Li/Oxyhalid-Primärbatterien 172 7.3 Metall-Luft-Systeme 173 7.3.1 Wäßrige Metall-Luft-Primärbatterien 173 7.3.2 Nichtwäßrige Metall-Luft-Batterien 185 7.4 Füllzellen 187 7.4.1 Seewasseraktivierbare Batterien 187 7.4.2 Aktivierbare Hochleistungsbatterien 189 Weiterführende Literatur 190 8 Sekundärsysteme 191 8.1 Wäßrige Systeme 193 8.1.1 Blei-Säure-Akkumulator 193 8.1.2 Sekundärbatterien auf Nickelbasis 207 8.1.3 Wäßrige wiederaufladbare Lithiumbatterien 221 8.1.4 Wäßrige wiederaufladbare Natriumbatterien 227 8.2 Nichtwäßrige Systeme 228 8.2.1 Lithium-Ionen-Batterien 228 8.2.2 Wiederaufladbare Li/S-Batterien 252 8.2.3 Wiederaufladbare Na/S-Batterien 255 8.2.4 Wiederaufladbare Li/Se-Batterien 257 8.2.5 Wiederaufladbare Mg-Batterien 257 8.3 Sekundärbatterien auf Basis von Gelpolymerelektrolyten 259 8.3.1 Gel-Lithium-Ionen-Batterien 260 8.3.2 Gelelektrolyte für Natriumbatterien 261 8.4 Sekundärbatterien auf Festelektrolytbasis 262 8.4.1 Feste Lithium-Ionen-Batterien 263 8.4.2 Wiederaufladbare feste Lithiumbatterien 264 8.5 Wiederaufladbare Metall-Luft-Batterien 265 8.5.1 Wiederaufladbare Li/Luft-Batterien 265 8.5.2 Wiederaufladbare Na/Luft-Batterien 268 8.5.3 Wiederaufladbare Zn/Luft-Batterien 269 8.6 Hochtemperatursysteme 271 8.6.1 Natrium-Schwefel-Batterie 271 8.6.2 Natrium-Nickelchlorid-Batterie 274 8.6.3 Flüssigmetallakkumulatoren 279 Weiterführende Literatur 279 9 Brennstoffzellen 281 9.1 Die Sauerstoffelektrode 286 9.2 Die Wasserstoffelektrode 292 9.3 Gemeinsamkeiten von Brennstoffzellen 293 9.4 Klassifizierung von Brennstoffzellen 297 9.4.1 Brennstoffzellen bei Umgebungstemperatur 298 9.4.2 Alkalische Brennstoffzellen 298 9.4.3 Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) 300 9.4.4 Direkte Alkoholbrennstoffzellen 307 9.4.5 Bioelektrochemische Brennstoffzellen 309 9.4.6 Mitteltemperaturbrennstoffzellen 310 9.4.7 Phosphorsäurebrennstoffzellen 310 9.4.8 Schmelzcarbonatbrennstoffzellen 311 9.4.9 Hochtemperaturbrennstoffzellen 313 9.5 Anwendungen von Brennstoffzellen 314 9.6 Brennstoffzellen in Energiespeichersystemen 315 Weiterführende Literatur 317 10 Redoxbatterien 319 10.1 Das Eisen-Chrom-System 324 10.2 Das Eisen-Vanadium-System 325 10.3 Das Eisen-Cadmium-System 326 10.4 Das Brom-Polysulfid-System 326 10.5 Das All-Vanadium-System 327 10.6 Das Vanadium-Brom-System 328 10.7 Actiniden-RFB 329 10.8 All-Organische RFBs 330 10.9 Nichtwäßrige RFBs 330 10.10 Hybride Systeme 330 10.11 Das Zink-Cer-System 330 10.12 Das Zink-Brom-System 331 10.13 Das Zink/Organisch-System 332 10.14 Das Cadmium/Organisch-System 332 10.15 Das Blei-Bleidioxid-System 333 10.16 Das Cadmium-Bleidioxid-System 334 10.17 Das All-Kupfer-System 334 10.18 Das Zink-Nickel-System 334 10.19 Das Lithium-LiFePO4-System 335 10.20 Vanadium-Festsalz-Batterie 335 10.21 Vanadium-Sauerstoff-System 336 10.22 Elektrochemischer Flußkondensator 337 10.23 Entwicklungsstand und Perspektiven 337 Weiterführende Literatur 339 11 Superkondensatoren 341 11.1 Klassifizierung von Superkondensatoren 342 11.2 Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren 344 11.2.1 Elektrolyte für EDLCs 345 11.2.2 Elektrodenmaterialen für EDLCs 346 11.2.3 Elektrochemische Leistung von EDLCs 354 11.3 Pseudokondensatoren 356 11.3.1 RuO2 356 11.3.2 MnO2 359 11.3.3 Intrinsisch leitfähige Polymere 365 11.3.4 Redoxsysteme 373 11.3.5 Elektrochemische Leistung von Pseudokondensatoren 376 11.4 Hybridkondensatoren 380 11.4.1 Negative Elektrodenmaterialien 380 11.4.2 Positive Elektrodenmaterialen 389 11.4.3 Elektrochemische Leistung von Hybridkondensatoren 402 11.5 Testen von Superkondensatoren 408 11.6 Kommerziell erhältliche Superkondensatoren 408 11.7 Anwendung von Superkondensatoren 409 11.7.1 Unterbrechungsfreie Stromversorgung 410 11.7.2 Transport 411 11.7.3 Intelligente Netze 411 11.7.4 Militärische Ausrüstung 412 11.7.5 Andere zivile Anwendungen 413 Weiterführende Literatur 414 A Anhang 415 Stichwortverzeichnis 419

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Book SynopsisBatterien Für die Mobilität und Energieversorgung der Zukunft: Kompakte und praxisnahe Wissensvermittlung aller wichtigen Batteriegrundlagen und -systeme Batterien sind in vielen Fällen die bevorzugte Lösung zur technischen und wirtschaftlichen Optimierung von Fahrzeugen und Energieversorgungsystemen und ermöglichen es, Emissionen zu verringern und die Abhängigkeit von Erdöl und Erdgas zu reduzieren. In der Summe aller Eigenschaften erfüllen Blei-Säure-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien die Anforderungen der verschiedensten Anwendungen am besten und dominieren deshalb den Markt. Lithium-Ionen-Batterien dringen in immer weitere Anwendungsgebiete vor, bzgl. Wert und Produktionsmenge in MWh dominieren aber immer noch Blei-Säure-Batterien. Aus Sicht der Autoren sind Kenntnisse beider Batterietechnologien wichtig, um das Verständnis für Batteriesysteme zu vertiefen und sie in den seltenen Fällen, in denen diese beiden Batterietechnologien technische oder wirtschaftliche Alternativen sind, gegeneinander abzuwägen. Die Anforderungen an Batteriesysteme sind hoch. Sie müssen leicht und häufig ladbar sein und müssen thermisch, elektrisch und mechanisch stabil sein. In der Batterieforschung kommt materialwissenschaftliches, elektrochemisches und Ingenieurwissen zusammen. Die Autoren Alexander Börger und Heinz Wenzl geben mit diesem Buch einen umfassenden und kompakten Überblick zu den Grundlagen, Systemen und Anwendungen der Batterietechnik. Es werden Hintergründe zum Aufbau von Batterien und grundlegende Prozesse anschaulich erläutert. Anhand vieler Beispiele wird gezeigt, wie das Wissen in die Praxis umgesetzt wird. Klarer Fokus: Das Buch legt den Schwerpunkt auf Batteriesysteme, ihre Eigenschaften im Betrieb und Anwendungen. Das Buch ist als Begleitlektüre zum Studium verwendbar. Wachstumsmarkt: Das Interesse an Elektromobilität und Batteriespeichern in der Stromversorgung wächst und damit auch der Bedarf an Batteriesystemen. Anwendungsnah: Fallbeispiele aus der aktuellen Batterieentwicklung setzen die Theorie in die Praxis um. Expertenwissen: Die Autoren verfügen über langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Batterietechnik. Batterien: Grundlagen, Systeme, Anwendungen richtet sich an Ingenieurinnen und Ingenieure zur Einarbeitung in die Materie und als Nachschlagewerk sowie an Studierende als Begleitlektüre zu Vorlesungen.Table of Contentsvorwort v Symbolverzeichnis xxiii 1 Einführung 1 1.1 Energieversorgung allgemein 1 1.2 Elektrochemische und nicht-elektrochemische Energiespeichertechnologien 3 1.3 Grundlegende Eigenschaften von Batterien, Gemeinsamkeiten und Unterschiede 5 1.4 Überbrückungszeit 7 1.5 Vergleich von Batterietechnologien 9 1.6 Anwendungen und Einordnung von Batterien in Gesamtsysteme 10 Literatur 12 Aufgaben 12 2 Elektrochemische Grundlagen 15 2.1 Elektrochemische Grundbegriffe 16 2.1.1 Einige Definitionen 16 2.1.2 Spannung und Ladungsträgerverteilung 17 2.1.3 Die spannungsbildenden Reaktionen – Hauptreaktionen 18 2.1.4 Doppelschichtkondensator und Austauschstromdichte 20 2.1.5 Faradaysche Zahl 21 2.1.6 Theoretische spezifische Kapazität von Elektroden oder Zellen 21 2.2 Elektrochemische Thermodynamik 22 2.2.1 Energiebilanz und Gleichgewichtsspannung 22 2.2.2 Konzentrationsabhängigkeit der Gleichgewichtsspannung (Nernst-Spannung) 23 2.2.3 Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtsspannung 24 2.2.4 Entropieterm und Wärmetönung – reversible Wärme 24 2.2.5 Elektrochemische Spannungsreihe 24 2.2.6 Grenzen thermodynamischer Betrachtungen 25 2.2.7 Theoretische spezifische Energie 26 2.2.8 Referenzelektrode 26 2.3 Elektrochemische Kinetik 27 2.3.1 Überspannungsarten 27 2.3.2 Ladungsträgerdurchtrittsspannung 28 2.3.3 Butler-Volmer-Gleichung 28 2.3.4 Abhängigkeit der BV-Gleichung von wichtigen Systemparametern 33 2.3.5 Widerstandsverluste bei der Stromleitung – ohmsche Erwärmung 37 2.3.6 Auswirkungen der Temperatur 37 2.3.7 U-I-Kennlinie von elektrochemischen Systemen 40 2.4 Ersatzschaltbilder 41 2.4.1 Grundlagen elektrochemischer Ersatzschaltbilder 41 2.4.2 Grundlegende Ersatzschaltbilder einer Elektrode und einer Zelle 42 2.4.3 Ersatzschaltbild bei konstantem Strom 44 2.5 Nebenreaktionen 45 Literatur 47 Aufgaben 47 3 Laden und Entladen von Zellen und Batterien 51 3.1 Begriffsbestimmungen Kapazität und Innenwiderstand 52 3.1.1 Kapazität 52 3.1.2 Innenwiderstand 54 3.2 Begriffsbestimmung Laden und Entladen von Batterien 54 3.2.1 Entladen 55 3.2.2 Laden 55 3.2.3 Ladefaktor und Wirkungsgrad 58 3.3 Entladen und Laden von Elektroden einer Zelle 59 3.3.1 Bedeutung der BV-Gleichung für den Verlauf von Strom und Spannung 59 3.3.2 Entladen und Laden mit konstantem Strom 61 3.3.3 Laden mit konstantem Strom 62 3.3.4 Strom- und Spannungsverlauf von Batterien 64 3.4 Reihenschaltung von Elektrodenwechselwirkungen von Elektroden aufeinander 65 3.5 Entladen und Laden von Elektroden in einer Zelle 66 3.5.1 Bedeutung von Nebenreaktionen bei Reihenschaltung 67 3.5.2 Entladen von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihenschaltung 68 3.5.3 Entladen von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 69 3.5.4 Laden von Zellen mit Nebenreaktionen in Reihenschaltung 72 3.5.5 Laden von Zellen ohne Nebenreaktionen in Reihe 75 3.6 Auswirkungen eines Kurzschlusses einer Zelle bei Reihenschaltung 76 3.7 Fehlerpropagation, parallele Batteriestränge und Weiteres 77 Literatur 77 Aufgaben 77 4 Aufbau von Elektroden, Zellen und kompletten Batteriesystemen 81 4.1 Elektrochemische Anforderungen an die Struktur von Aktivmassen 82 4.1.1 Allgemeine Anforderungen 82 4.1.2 Verfügbarkeit von Reaktanten 84 4.1.3 Ionische und elektronische Leitfähigkeit von Elektroden und Zellen 85 4.1.4 Mechanische Beanspruchung der Elektroden 86 4.2 Aufbau von Zellen 87 4.2.1 Allgemeine Hinweise 87 4.2.2 Bipolarplattenaufbau 88 4.2.3 Stapelzellen und gewickelte Zellen 88 4.3 Kombinierte Ionen- und Elektronenleitfähigkeit der Elektroden 94 4.4 Zellgehäuse und Batteriesysteme 95 4.4.1 Allgemeine Anforderungen 95 4.4.2 Spezifische Energie von Zellen, Modulen und Batteriesystemen 96 Literatur 97 Aufgaben 97 5 Thermische Eigenschaften von Zellen und Batterien 99 5.1 Inhomogene Wärmekapazität und anisotrope Wärmeleitung 100 5.2 Wärmequelldichte 101 5.2.1 Wärmequellen 101 5.2.2 Widerstandsverluste bei der Stromleitung – ohmsche Erwärmung 102 5.2.3 Ladungsträgerdurchtritt 103 5.2.4 Reversible Wärme der Reaktion 104 5.2.5 Chemische Reaktionen 105 5.2.6 Vergleich der Wärmeerzeugungsterme 105 5.3 Wärmeaustausch mit der Umgebung 106 5.3.1 Wärmeleitung 106 5.3.2 Konvektion 107 5.3.3 Strahlung 107 5.4 Wärmebilanz 107 5.5 Temperaturauswirkungen 108 5.6 Bestimmung thermischer Kenngrößen 110 Literatur 110 Aufgabe 110 6 Alterungseigenschaften von Batterien und Zellen 111 6.1 Klassifikation von Alterungsprozessen 112 6.2 Lebensdauer 113 6.2.1 Definition Lebensdauerende 113 6.2.2 Bestimmung des Lebensdauerendes 116 6.2.3 Veränderungen der Eigenschaften während der Nutzung 117 6.3 Grenzen der Lebensdauer 119 6.3.1 Grundsätzliche Begrenzung der Lebensdauer 119 6.3.2 Herstellerangaben über die zu erwartende Lebensdauer 119 6.4 Verfahren zur Lebensdauerprognose 120 6.4.1 Gewichtete Amperestundendurchsatzverfahren 120 6.4.2 Ereignisbasierte Lebensdauerprognoseverfahren 121 6.4.3 Prognose des Kapazitäts- und Innenwiderstandsverlaufs 122 Literatur 123 Aufgaben 124 7 Zustandsbestimmung von Zellen und Batterien 125 7.1 Motivation 126 7.2 Ladezustand und Entladetiefe 127 7.2.1 Strenge Definition des Ladezustands 127 7.2.2 Hauptreaktionsstrom 128 7.2.3 Messung des Batteriestroms 129 7.2.4 Yazami-Theorem 131 7.2.5 Experimentelle Bestimmung des Ladezustands 131 7.2.6 Entladetiefe 132 7.2.7 State of energy 132 7.3 State of health und state of function 133 7.3.1 Begriffe 133 7.3.2 Abgrenzung und Diskussion der Begriffe state of function und state of health 133 7.3.3 Messung von SoH und SoF 135 7.4 State of safety 136 Literatur 136 Aufgabe 137 8 Batteriemodelle 139 8.1 Klassifikation, Einsatz und Grenzen von Modellen 139 8.1.1 Zum Begriff des Batteriemodells 139 8.1.2 Nutzung von Modellen 140 8.1.3 Einsatzgrenzen 141 8.2 Ersatzschaltbildmodelle 141 8.2.1 Grundsätzliches 141 8.2.2 Aufbau von Ersatzschaltbildmodellen 142 8.2.3 Elektrolytkondensatoreigenschaften einer Batterie 144 8.2.4 Berücksichtigung von zeitlichen Prozessen, Massentransport und Temperatur 145 8.2.5 Örtlich aufgelöste Ersatzschaltbildmodelle 145 8.2.6 Relaxationsprozesse 146 8.3 Modelle mit ladezustandsunabhängigen Parametern: das Shepherd-Modell 147 8.4 Modelle mit ladezustandsabhängigen Parametern 149 8.4.1 Thévenet-Modell 149 8.4.2 Randles-Modell 149 8.5 Ablauf von Simulationen 150 8.6 Vergleich von Modellen 152 8.7 Modellbildung bei größeren Systemen 152 Literatur 154 Aufgaben 154 9 Parameterbestimmung 155 9.1 Begriffsbestimmung 155 9.2 Bestimmung durch physikochemische Methoden 156 9.2.1 Experimentelle Bestimmung 156 9.2.2 Kapazitätsbestimmung 158 9.2.3 Temperatur- und Stromabhängigkeit der Kapazität 158 9.2.4 Kältekapazität und Kälteprüfstrom 159 9.2.5 Überbrückungszeiten mit konstanter Leistung 159 9.3 Ruhespannungskurve 160 9.4 Innenwiderstandsbestimmung mit Strom- bzw. Spannungspulsen 160 9.5 Kurzschlussstrom 163 9.6 Parametrisierung für das Randles-Modell aus Pulsbelastungen (Messung im Zeitbereich) 164 9.7 Parameterbestimmung durch Messung des Impedanzspektrums (Messung im Frequenzbereich) 164 9.8 Messung des Wechselstrominnenwiderstands 166 9.9 Parametrisierung des Randles-Modells über alle Betriebszustände 167 Literatur 168 Aufgaben 169 10 Batterieanalytik 171 10.1 Methodenüberblick 171 10.2 Bewertung der Veränderungen elektrischer Kenngrößen 172 10.3 Elektrochemische Analyseverfahren 173 10.3.1 Stationäre elektrochemische Analyseverfahren 174 10.3.2 Quasistationäre elektrochemische Analyseverfahren 174 10.3.3 Nicht-stationäre Verfahren 176 10.4 Chemische und spektroskopische Verfahren – Post-mortem-Analyseverfahren 178 10.4.1 Allgemeines 178 10.4.2 Chemische Techniken inkl. Trennverfahren und Charakterisierungsverfahren für Oberflächen und Korngrößen 178 10.4.3 Mikroskopische Techniken 179 10.4.4 Spektroskopische Techniken 181 10.4.5 Diffraktometrische Techniken 183 10.5 In-situ-Analyseverfahren 184 10.6 Zusammenfassung 185 Literatur 185 Aufgaben 186 11 Übersicht über Batteriesysteme 187 11.1 Physikochemische Daten und Charakteristika 187 11.2 Investitions- und Betriebskosten 191 11.3 Marktstruktur 192 11.4 Verfügbarkeit von Informationen 192 11.5 Normungsdichte 193 Weiterführende Literatur 194 12 Blei-Säure-Batterien 195 12.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 196 12.2 Elektrochemie 196 12.2.1 Übersicht über aktive Komponenten 197 12.2.2 Übersicht über die wichtigsten Reaktionen an der positiven und negativen Elektrode 198 12.2.3 Beschreibung der Hauptreaktionen 200 12.2.4 Überentladereaktionen beim Entladen 201 12.2.5 Nebenreaktionen der positiven und negativen Elektrode beim Überladen 203 12.2.6 Nebenreaktionen und Selbstentladung im Ruhezustand 205 12.2.7 Laden und Entladen von Zellen in Reihe 206 12.3 Weitere elektrochemische Reaktionen 207 12.3.1 Batterien mit internem Sauerstoffkreislauf (verschlossene Batterien, VRLA) 208 12.3.2 Elektrochemie 208 12.4 Aktivmaterialien 213 12.4.1 Elektrische Leitfähigkeit der Aktivmassen 214 12.4.2 Effektive Oberfläche und Mikrostruktur der Aktivmassen 216 12.4.3 Bleisulfat 217 12.4.4 Spannungssack zu Beginn der Entladung 218 12.4.5 Herstellungsverfahren 220 12.5 Elektrolyt 220 12.6 Stromkollektoren, Gitter 222 12.6.1 Korrosionsbeständigkeit 224 12.6.2 Elektrischer Widerstand 224 12.6.3 Mechanische Stabilität 225 12.6.4 Elektrischer Kontakt zwischen Gittern und Aktivmassen 226 12.7 Herstellungsverfahren und weitere Komponenten zur Herstellung von Zellen oder Blöcken 226 12.7.1 Herstellung von Stromkollektoren und Elektroden (Platten) 226 12.7.2 Separator 227 12.7.3 Herstellung von Plattensätzen 228 12.7.4 Batteriegehäuse und Deckel 229 12.7.5 Zellverbinder 230 12.8 Strominhomogenität 230 12.9 Säureschichtung 232 12.10 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 235 12.10.1 Auslegung von Zellen 235 12.10.2 Starterbatterien 236 12.10.3 Traktionsbatterien für Flurförderzeuge und Semitraktionsbatterien 237 12.10.4 Batterien für stationäre bzw. ortsfeste Anlagen 238 12.10.5 Eigenschaften 239 12.10.6 Entladeverhalten und Kapazität 239 12.10.7 Überwachungsanforderungen beim Entladen 246 12.11 Leistungsabgabe und Innenwiderstand 246 12.12 Laden und Ladekennlinien 248 12.12.1 Grundlegendes zum Laden von Blei-Säure-Batterien 248 12.12.2 IU-Ladekennlinie 249 12.12.3 IUoU-Ladekennlinie 251 12.12.4 Weitere Ladekennlinien 252 12.12.5 Bewertung der Ladekennlinien 255 12.12.6 Vollladekriterien 257 12.13 Alterungseffekte 258 12.13.1 Übersicht zu Alterungseffekten 258 12.13.2 Verminderung der Oberfläche der aktiven Massen 260 12.13.3 Sulfatierung 260 12.13.4 Premature capacity loss (PLC) 261 12.13.5 Abschlammen der Aktivmasse 261 12.13.6 Korrosion des Separators 262 12.13.7 Austrocknen des Elektrolyts (verschlossene Batterien) 262 12.13.8 Dendritenbildung 263 12.13.9 Sauerstoffverzehr und Entstehung von Unterdruck in verschlossenen Batterien 263 12.14 Korrosion des positiven Gitters, positiven Kopfbleis, negativer Pole und Interzellverbinder 263 12.14.1 Korrosion des positiven Gitters 263 12.14.2 Auswirkungen der Gitterkorrosion 265 12.14.3 Korrosion der positiven Pole und Polbrücken (Kopfblei) 267 12.14.4 Korrosion der negativen Gitter, Pole und Polbrücken 269 12.14.5 Explosionsrisiko 270 12.15 Korrosion der Interzellverbinder 270 12.16 Betriebsstrategien und konstruktive Auswirkungen für Blei-Säure-Batterien 272 12.17 Zustandsbestimmung 274 12.17.1 Ladezustand 274 12.17.2 Kapazität bzw. State of Health 276 12.18 Sicherheit 277 12.18.1 Explosionsrisiko durch Knallgas 277 12.18.2 Wässrige Schwefelsäure 278 12.18.3 Umgang mit Blei 279 12.19 Batterieprobleme 279 Literatur 280 Aufgaben 283 13 Lithium-Ionen-Batterien 287 13.1 Einführung und wirtschaftliche Bedeutung 288 13.2 Elektrochemie 288 13.2.1 Grundprinzip 288 13.2.2 Übersicht über aktive Komponenten 290 13.2.3 Übersicht über die wichtigsten Reaktionen an der positiven und negativen Elektrode 291 13.2.4 Nebenreaktionen 293 13.2.5 Überlade- und Überentladereaktionen 294 13.3 Aktivmaterialien 294 13.3.1 Kathodenmaterialien 294 13.3.2 Anodenmaterialien 297 13.3.3 Ionenleitfähigkeit der Aktivmassen 301 13.4 Elektrolyt 301 13.4.1 Grundsätzliches 301 13.4.2 Organische Lösungsmittel 302 13.4.3 Weitere Bestandteile 303 13.5 Solid-electrolyte interface (SEI) und die Bedeutung für die Lithium-Ionen-Batterie 305 13.6 Stromkollektoren 307 13.7 Produktion von Elektroden 308 13.8 Separatoren 309 13.9 Sicherheitsmaßnahmen 310 13.10 Bauformen von Lithium-Ionen-Batterien 312 13.10.1 Aufbau von Zellen 312 13.10.2 Aufbau von Modulen und Batterien 315 13.11 Auslegung und konstruktive Unterschiede bei verschiedenen Anwendungen 316 13.11.1 Auslegung von Zellen 316 13.11.2 Elektrotraktionsbatterien 318 13.11.3 Starterbatterien 318 13.11.4 Batterien für stationäre bzw. ortsfeste Anlagen 319 13.11.5 Consumer-Batterien 320 13.12 Eigenschaften 321 13.12.1 Entladeverhalten und Kapazität 321 13.12.2 Kapazitätsangabe und Kapazitätsmessung 322 13.12.3 Überwachungsanforderungen 322 13.13 Innenwiderstandsmessung 323 13.14 Laden und Ladekennlinien 323 13.14.1 Ladekennlinien 323 13.14.2 Vollladung 324 13.14.3 Festkörperdiffusion beim Entladen und Laden 324 13.14.4 Laden bei tiefen Temperaturen 325 13.14.5 Schnellladen 325 13.15 Alterungseffekte 325 13.15.1 Alterungseffekte allgemein 325 13.15.2 Alterung der Kathode 326 13.15.3 Alterung der Anode 327 13.15.4 Alterung im Elektrolyt 330 13.15.5 Korrosion des Separators 331 13.15.6 Sonstige Alterungseffekte 331 13.16 Einfluss kalendarischer und zyklischer Alterung und Modellierung 331 13.16.1 Alterung und die Notwendigkeit ihrer Modellierung 331 13.16.2 Modellierung und Simulation von Alterung 332 13.16.3 Quantitative Modellansätze zur Beschreibung von Alterung 335 13.17 Batteriemanagementsysteme und Batteriebetriebsstrategien 336 13.17.1 Generelles 336 13.17.2 Technische Realisierungen von Batteriemanagementsystemen für Lithium-Ionen-Batterien 337 13.17.3 Balancing 339 13.17.4 Datenanalyse und Fehlererkennung 340 13.17.5 Integration von Kühlung und Heizung 341 13.18 Zustands- und Parameterbestimmung 341 13.18.1 Ladezustand 341 13.18.2 Kapazität, Innenwiderstand bzw. State of Health 342 13.19 Sicherheit 343 13.19.1 Allgemeine Sicherheitsaspekte 343 13.19.2 Missbrauchstests 344 13.20 State of Safety 346 13.20.1 Generelle Situation 346 13.20.2 Gefährdungs- und Sicherheitsstufen 346 13.20.3 Sicherheitsgrenzen 348 13.20.4 Definitionsversuche 349 13.21 Interne Kurzschlüsse 350 13.22 Thermal Runaway und thermische Propagation 351 13.22.1 Problematik und Feldsituation 351 13.22.2 Thermal runaway 353 13.22.3 Thermische Propagation 357 13.23 Sicherheitsengineering 361 13.24 Batterieprobleme 362 Literatur 365 Aufgaben 367 14 Andere Batterietechnologien 369 14.1 Alkalische Nickel-Batterien 370 14.1.1 Generelles 370 14.1.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 370 14.1.3 Zellaufbau 372 14.1.4 Batterieeigenschaften 374 14.1.5 Alterungsverhalten 374 14.1.6 Sicherheitsaspekte 376 14.1.7 Optimaler Betrieb 377 14.1.8 Ausblick 377 14.2 Zink-Luft-Batterien 378 14.2.1 Generelles 378 14.2.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 378 14.2.3 Zellaufbau 379 14.2.4 Eigenschaften 379 14.2.5 Alterungsverhalten 379 14.2.6 Optimaler Betrieb 380 14.2.7 Sicherheitseigenschaften 380 14.2.8 Ausblick 380 14.3 Redox-Flow-Batterien 380 14.3.1 Generelles und physikalisch-chemische Grundlagen 380 14.3.2 Ausblick 381 14.4 Hochtemperaturbatterien 382 14.4.1 Generelles 382 14.4.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 382 14.4.3 Zellaufbau 383 14.4.4 Eigenschaften 383 14.4.5 Alterungserscheinungen 383 14.4.6 Sicherheitseigenschaften 383 14.4.7 Optimaler Betrieb 383 14.4.8 Ausblick 384 14.5 Lithium-Feststoffelektrolyt-Batterien 384 14.5.1 Generelles 384 14.5.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 385 14.5.3 Ausblick 385 14.6 Lithium-Schwefel-Batterien 386 14.6.1 Generelles 386 14.6.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 387 14.6.3 Ausblick 387 14.7 Lithium-Luft-Batterien 388 14.7.1 Generelles 388 14.7.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 389 14.7.3 Aktueller Stand 389 14.8 Natrium-Luft-Batterien 390 14.8.1 Generelles 390 14.8.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 390 14.8.3 Ausblick 390 14.9 Ultrakondensatoren und Hybridbatterien 390 14.9.1 Generelles 390 14.9.2 Physikalisch-chemische Grundlagen 391 14.9.3 Hybride Batteriekonzepte 392 Literatur 392 Aufgaben 393 15 Übersicht über Anwendungen 395 15.1 Allgemeine Bemerkungen 396 15.2 Leistungsverlauf 397 15.2.1 Gleichzeitige Verbindung von Batterien mit Ladegerät und Lasten 397 15.2.2 Zeitlich getrennte Verbindung von Batterien mit Ladegerät und Last 400 15.3 Ladezustand und Restkapazität 400 15.4 Wirkungsgrad 400 15.4.1 Wirkungsgrad bei zyklischer Belastung 401 15.4.2 Stand-by-Verluste 402 15.4.3 Relevanz des Wirkungsgrades der Batterie 402 15.5 Sicherheit und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 403 15.6 Unterteilung in Anwendungsbereiche 403 15.6.1 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 404 15.6.2 Batterien für die Elektromobilität 404 15.6.3 Batterien für Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 404 15.6.4 Stationäre Anwendungen 405 15.6.5 Batterien für portable Geräte (Werkzeuge, Kommunikationsendgeräte etc.) 405 Literatur 405 Aufgaben 406 16 Starterbatterien für Fahrzeuge (starting, lighting, ignition, SLI) 407 16.1 Begriffsbestimmung 407 16.2 Anforderungen an die Batterie 408 16.3 Wahl der Batterietechnologie 412 16.4 Auslegung und Betrieb 414 16.5 Überwachung der Batterie 416 16.6 Sonstiges 417 Literatur 417 Aufgaben 417 17 Batterien für die Elektromobilität 419 17.1 Begriffsbestimmung 419 17.2 Anforderungen an die Batterie 421 17.3 Wahl der Batterietechnologie 424 17.4 Aufbau des Batteriesystems 425 17.5 Auslegung und Betrieb 426 17.6 Überwachung der Batterie 430 17.7 Sonstiges 431 Literatur 432 Aufgaben 433 18 Traktionsbatterien für den innerbetrieblichen Transport 435 18.1 Flurförderzeuge für den innerbetrieblichen Transport 435 18.1.1 Anforderungen 436 18.1.2 Wahl der Batterietechnologie 436 18.1.3 Betrieb 438 18.1.4 Überwachung von Batterien 444 18.2 Kleintraktionsbatterien 444 18.2.1 Anforderungen 445 18.2.2 Wahl der Batterietechnologie 445 18.2.3 Betrieb 445 Literatur 445 19 Stationäre Anwendungen von Batterien 447 19.1 Bereitschaftsparallelbetrieb für Netzersatz- und USV-Anlagen 448 19.1.1 Begriffsklärung 448 19.1.2 Anforderungen 450 19.1.3 Wahl der Batterietechnologie 451 19.1.4 Auslegung 452 19.1.5 Betrieb 453 19.1.6 Überwachung der Batterie 454 19.1.7 Sonstige Informationen 460 19.2 Dieselstart bei Netzersatzanlagen 460 19.2.1 Anforderungen 461 19.2.2 Wahl der Batterietechnologie 462 19.2.3 Wartung und Fehlerdiagnose 463 19.3 Batterien für den zeitlichen Ausgleich von Stromnachfrage und -angebot 463 19.3.1 Anwendungsgruppen 463 19.3.2 Anforderungen 465 19.3.3 Wahl der Batterietechnologie 466 19.3.4 Auslegung 467 19.3.5 Betriebsstrategie 469 19.3.6 Überwachung 470 19.4 Batterien für die Stabilisierung des Energieversorgungssystems 470 19.4.1 Beispiele für große Batteriespeicher auf der Welt und Bewertung 470 19.4.2 Anforderungen 471 19.4.3 Wahl der Batterietechnologie 472 19.4.4 Sonstiges 472 Literatur 473 Aufgaben 473 20 Batterien für portable Anwendungen 477 20.1 Begriffsbestimmung 477 20.2 Anforderungen an die Batterie 478 20.3 Wahl der Batterietechnologie 479 20.4 Auslegung und Betrieb 480 20.5 Überwachung der Batterien 481 20.6 Sonstiges 481 Literatur 482 Aufgaben 482 Anhang A Übersicht über Begriffe 483 Anhang B Sicherer und umweltverträglicher Umgang mit Batterien 495 B.1 Generelles 495 B.2 Elektrische Sicherheit 496 B.3 Brandschutz 499 B.4 Explosionsschutz 500 B.4.1 Explosionsschutz bei Blei-Säure-Batterien 501 B.4.2 Explosionsschutz bei Lithium-Ionen-Batterien 504 B.5 Bauliche Maßnahmen und Transport 504 B.6 Umweltbelastung und Entsorgung 505 Literatur 505 Anhang C Normenübersicht 507 Anhang D Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) 513 D.1 Begriffsübersicht 513 D.2 Ergebnisdarstellung 515 D.3 Bestimmung von Zellparametern mittels Impedanzspektroskopie 516 D.4 Qualität der Parameterbestimmung 522 Literatur 524 Anhang E Säureschichtung 525 Literatur 529 Stichwortverzeichnis 531

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Book SynopsisA comprehensive review to the synthesis, properties, and applications of diarylethene-based molecular photoswitches Diarylethene Molecular Photoswitches: Concept and Functionalities provides the fundamental concepts of molecular photoswitches and includes information on how the bistable photoswitches of diarylethenes modulate the functions of materials and biological activities. Written by Masahiro Irie (the inventor of photochromic diarylethene compound), the book explores the reaction mechanism, photoswitching performance, photoswitchable crystals, and the myriad applications of diarylethenes based photoswitches. This book offers academics, chemists, and engineers an essential resource for understanding the molecular photoswitches and provides a guide to the development of new photoresponsive materials. The author explores the applications based on diarylethene and its dirivatives to Field-Effect Transistors, Metal-Organic Frameworks including nanoparticles, super-resolution fluorescence microscopies, drug release, and self-healing materials. This important book: * Offers a guide to diarylethene derivatives, the most widely studied compounds worldwide among the photochromic compounds * Includes the basic concepts of molecular photoswitches * Explores the myraid applications grounded in diarylethene and its derivatives * Presents an authortative text from the inventor of the photochromic diarylethene compound Written for materials scientists, organic, polymer, and physical chemists, and electronics engineers, Diarylethene Molecular Photoswitches offers an introduction to the topic and includes recent developments in the field. Table of ContentsPreface ix 1 Introduction 1 1.1 General Introduction 1 1.2 Discovery of Diarylethene Molecular Photoswitches 4 References 12 2 Reaction Mechanism 15 2.1 Basic Concepts 15 2.2 Theoretical Study 20 2.3 Reaction Dynamics 22 2.3.1 Cyclization Reaction 22 2.3.2 Cycloreversion Reaction 27 References 29 3 Photoswitching Performance 31 3.1 Quantum Yield 31 3.1.1 Photocyclization Quantum Yield 31 3.1.2 Solvent Effect on Cyclization Quantum Yield 42 3.1.3 Photocycloreversion Quantum Yield 44 3.2 Thermal Stability 49 3.3 Fatigue Resistance 53 3.4 Fluorescence Property 60 3.4.1 Turn-Off Mode Photoswitching 61 3.4.2 Turn-On Mode Photoswitching 76 3.5 Chiral Property 80 References 86 4 Photoswitchable Crystals 93 4.1 Dichroism 93 4.2 X-Ray Crystallographic Analysis 97 4.3 Quantum Yield 101 4.4 Multicolored Systems and Nano-Layered Periodic Structures 106 4.5 Fluorescent Crystals 108 4.6 Photomechanical Response 110 4.6.1 Surface Morphology Change 112 4.6.2 Reversible Shape Change 113 4.6.3 Bending Response of Mixed Crystals 116 References 121 5 Memory 125 5.1 Single-Molecule Memory 125 5.2 Near-Field Optical Memory 128 5.3 Three-Dimensional Optical Memory 130 5.4 Readout Using Infrared Absorption, Raman Scattering, and Refractive Index Changes 132 References 134 6 Switches 137 6.1 Single-Molecule Conductance Photoswitch 137 6.2 Optical Switch Based on Refractive Index Change 141 6.3 Magnetism 141 References 146 7 Surface Properties 149 7.1 SurfaceWettability 149 7.2 Selective Metal Deposition 151 7.3 Subwavelength Nanopatterning 154 References 155 8 Polymers and Liquid Crystals 157 8.1 Polymers 157 8.2 Liquid Crystals 175 References 178 9 Applications 183 9.1 Organic Field-Effect Transistors (OFETs) 183 9.2 Metal Organic Frameworks (MOFs) 185 9.3 Super-Resolution Fluorescence Microscopy 188 9.3.1 Control of Cycloreversion Quantum Yield 189 9.3.2 Fatigue Resistance 191 9.3.3 Photoswitching with Single-Wavelength Visible Light 192 9.3.4 Super-Resolution Bioimaging 195 9.4 Chemical Reactivity Control 197 9.5 Biological Activity 201 9.6 Color Dosimeters 204 References 209 A Synthesis Procedures of Typical Diarylethenes 213 A.1 1,2-Bis(2,4-dimethyl-5-phenyl-3-thienyl)perfluorocyclopentene 213 A.2 1,2-Bis(2-ethyl-6-phenyl-1-benzothiophene-1,1-dioxide-3-yl)-perfluorocyclopenetene 215 References 217 Index 219

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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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