Research Projects
Synthetic Molecular Communications Across Different Scales: From Theory to Experiments
(Third Party Funds Group – Overall project)Term: June 2024 - May 2029
Funding source: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)
URL: https://www.symocads.research.fau.eu/https://www.idc.tf.fau.de/neues-graduiertenkolleg-symocads/
Alternativmethoden: Innovative Testplattform für molekulare Kommunikation und mikrochirurgische Ausbildung (Mikrochirurgie-Modell-2) - Kommunikationstechnische Simulation und Analyse
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Innovative Testplattform für molekulare Kommunikation und mikrochirurgische Ausbildung Fluoreszenz-Systeme, neuartige Prothesen und Technologien
Term: April 2024 - March 2026
Funding source: BMBF / VerbundprojektInternet of Bio-Nano-Things
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Internet of Bio-Nano-Things
Term: January 2024 - December 2026
Funding source: BMBF / VerbundprojektGRK 2950: Synthetische molekulare Kommunikation über unterschiedliche Größenordnungen: Von der Theorie bis zu Experimenten
(Third Party Funds Group – Overall project)Term: since January 2024
Funding source: DFG / Graduiertenkolleg (GRK)In den letzten zehn Jahren hat sich die Molekulare Kommunikation (MK) als neues Forschungsgebiet der Nachrichtentechnik etabliert. Die Hauptidee der MK ist es, ähnlich wie natürlichen Kommunikationsprozesse (wie z. B. inter- und intrazellulärer Kommunikation, Quorum Sensing und Insektenkommunikation), Moleküle als Informationsträger zu nutzen, um in Umgebungen und mit Objekten/Organismen zu kommunizieren, die sich nicht für herkömmliche, auf elektromagnetischen Wellen basierende, Kommunikationssysteme eignen. Es wird erwartet, dass synthetische MK-Systeme neue disruptive medizinische, ökologische und industrielle Anwendungen ermöglichen werden. Ziel des beantragten Graduiertenkollegs "Synthetic Molecular Communication Across Different Scales: From Theory to Experiments (SyMoCADS)" ist es, das weltweit erste strukturierte Doktorand(inn)enausbildungsprogramm auf dem Gebiet der MK zu etablieren, und die Doktorand(inn)en mit dem Wissen und den Kenntnissen auszustatten, die erforderlich sind, um dieses aufstrebende interdisziplinäre Forschungsgebiet voranzutreiben. Dazu wird ein vielschichtiges Forschungs- und Qualifizierungsprogramm implementiert werden. Um der inhärenten Heterogenität des Themengebiets und der Notwendigkeit zur engen interdisziplinären Zusammenarbeit bei der Bearbeitung von MK-Forschungsproblemen Rechnung zu tragen, ist die SyMoCADS-Forschung in drei Clustern (C1-C3) organisiert: C1: Design, Monitoring und Steuerung von Bioprozessen basierend auf MK; C2: Modellierung, Analyse und Design von Steuerungssystemen für magnetische Nanopartikel basierend auf MK; C3: Modelle, Konzepte und Systemarchitekturen für luftbasierte MK. In jedem Cluster wird ein anspruchsvolles übergeordnetes Forschungsproblem bearbeitet, dessen konzeptionelle, kommunikationstheoretische und experimentelle Aspekte in drei zugeordneten Promotionsprojekten synergetisch bearbeitet werden. Dies fördert die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit der Promovierenden innerhalb eines Clusters, was ein wesentliches Element der Ausbildung darstellt. Die verschiedenen Cluster spiegeln den Facettenreichtum von MK in Bezug auf Längenskalen, Partikeltransportmechanismen, Kommunikationsaufgaben, experimentellen Techniken und Anwendungsdomänen wider. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Implikationen dieser Unterschiede für die Analyse, Modellierung und Simulation von MK-Systemen sowie für die Einbettung von Information in molekulare Signale holistisch zu untersuchen. Die notwendige konzeptionelle und methodische Unterstützung, um diese clusterübergreifenden Forschungsfragen zu adressieren, clusterübergreifende Synergien zu nutzen und clusterübergreifende Zusammenarbeit zu fördern, wird durch ein Postdoktorandenprojekt bereitgestellt. SyMoCADS wird von einem interdisziplinären Team von Forschern geleitet, die sorgfältig ausgewählt wurden, um grundlegende theoretische und experimentelle Beiträge zu jedem der drei Cluster-Themen und allgemeinen MK-Fragestellungen zu ermöglichen.
Advances in Terahertz Band Drone Communications
(Third Party Funds Single)Term: January 2024 - December 2025
Funding source: Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)Resilienz und Security im Next Generation Wireless Backhaul mit Rekonfigurierbaren Intelligenten Oberflächen
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Resilienz und Security im Next Generation Wireless Backhaul mit Rekonfigurierbaren Intelligenten Oberflächen
Term: December 2022 - December 2024
Funding source: Bundesministerium des Inneren (BMI)Reduced Complexity Techniques and Performance Analysis towards 6G Cell-Free Massive MIMO
(Third Party Funds Single)Term: since September 2022
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
URL: https://www.idc.tf.fau.eu/research/research-projects/cellfree6gBayerische Forschungsstiftung „Detektion von PCMA-Signalen unter lntersymbolinterferenzen
(Third Party Funds Single)Term: August 2022 - July 2025
Funding source: Bayerische ForschungsstiftungModellierung, Optimierung, und Hardwaredesign von durch intelligente reflektierende Oberflächen unterstützten drahtlosen Kommunikationssystemen
(Third Party Funds Single)Term: June 2022 - May 2025
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Verbundprojekt: 6G Research and Innovation Cluster (6G-RIC) Offene und sichere 6G-Technologien: Weltmarktchance für Deutschland - 6G-RIC-; Teilvorhaben: Kombinierte Erfassung/Kommunikation und intelligente, reflektierende Oberflächen
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: 6G Research and Innovation Cluster (6G-RIC) Offene und sichere 6G-Technologien: Weltmarktchance für Deutschland
Term: August 2021 - July 2025
Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)Empatho-Kinaesthetic Sensor Technology
(Third Party Funds Group – Overall project)Term: July 2021 - June 2025
Funding source: DFG / Sonderforschungsbereich / Transregio (SFB / TRR)
URL: https://empkins.de/The proposed CRC “Empathokinaesthetic Sensor Technology” (EmpkinS) will investigate novel radar, wireless, depth camera, and photonics based sensor technologies as well as body function models and algorithms. The primary objective of EmpkinS is to capture human motion parameters remotely with wave-based sensors to enable the identification and analysis of physiological and behavioural states and body functions. To this end, EmpkinS aims to develop sensor technologies and facilitate the collection of motion data for the human body. Based on this data of hitherto unknown quantity and quality, EmpkinS will lead to unprecedented new insights regarding biomechanical, medical, and psychophysiological body function models and mechanisms of action as well as their interdependencies.The main focus of EmpkinS is on capturing human motion parameters at the macroscopic level (the human body or segments thereof and the cardiopulmonary function) and at the microscopic level (facial expressions and fasciculations). The acquired data are captured remotely in a minimally disturbing and non-invasive manner and with very high resolution. The physiological and behavioural states underlying the motion pattern are then reconstructed algorithmically from this data, using biomechanical, neuromotor, and psychomotor body function models. The sensors, body function models, and the inversion of mechanisms of action establish a link between the internal biomedical body layers and the outer biomedical technology layers. Research into this link is highly innovative, extraordinarily complex, and many of its facets have not been investigated so far.To address the numerous and multifaceted research challenges, the EmpkinS CRC is designed as an interdisciplinary research programme. The research programme is coherently aligned along the sensor chain from the primary sensor technology (Research Area A) over signal and data processing (Research Areas B and C) and the associated modelling of the internal body functions and processes (Research Areas C and D) to the psychological and medical interpretation of the sensor data (Research Area D). Ethics research (Research Area E) is an integral part of the research programme to ensure responsible research and ethical use of EmpkinS technology.The proposed twelve-year EmpkinS research programme will develop novel methodologies and technologies that will generate cutting-edge knowledge to link biomedical processes inside the human body with the information captured outside the body by wireless and microwave sensor technology. With this quantum leap in medical technology, EmpkinS will pave the way for completely new "digital", patient-centred diagnosis and therapeutic options in medicine and psychology.Medical technology is a research focus with flagship character in the greater Erlangen-Nürnberg area. This outstanding background along with the extensive preparatory work of the involved researchers form the basis and backbone of EmpkinS.Compressive sensing for empatho-kinesthetic radar sensing
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Empathokinästhetische Sensorik - Sensortechniken und Datenanalyseverfahren zur empathokinästhetischen Modellbildung und Zustandsbestimmung (EmpkinS)
Term: July 2021 - June 2025
Funding source: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)Zunächst wird ein synthetisches Datenmodell erstellt. In Kooperation mit den Teilprojekten A01, A04, D04 und D05 wird dieses Modell validiert und angepasst, sowie durch echte Messdaten ersetzt, sobald diese vorliegen. Darauf aufbauend werden zur Verringerung der Messdauer bildgebender Radartechnik in EmpkinS verschiedenartige Verfahren zur Verbesserung komprimierender Abtastung erforscht: verteilt komprimierende Abtastung, adaptive komprimierende Abtastung und auf komprimierende Abtastung hin optimierte Radartestsignale.
Protokolle und Algorithmen für die energieeffiziente Referenzsignal- und EMG-Sensordatenübertragung
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Empathokinästhetische Sensorik - Sensortechniken und Datenanalyseverfahren zur empathokinästhetischen Modellbildung und Zustandsbestimmung (EmpkinS)
Term: July 2021 - June 2025
Funding source: DFG / Sonderforschungsbereich (SFB)
URL: https://www.empkins.de/Es werden für die Ressourcenallokation geeignete analytische und datenbasierte Modelle für die Hardwarekomponenten und Signalverarbeitungsblöcke der EmpkinS Beacons und der Basisstationen entwickelt. Basierend auf diesen Modellen werden Optimierungsprobleme formuliert und ausgehend von deren Lösungen Ressourcenallokationsprotokolle und -algorithmen entworfen. Anschließend werden die vielversprechendsten Ressourcenallokationskonzepte in einem Experimentalsystem implementiert, verifiziert und weiter verfeinert.
Signaldetektion und -klassifizierung im Funkfrequenzspektrum durch Mustererkennung und künstliche Intelligenz, wobei der Fokus auf der Entwicklung und Bewertung von Algorithmen mit überwachtem und unüberwachtem Lernen liegt.
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Signaldetektion und -klassifizierung im Funkfrequenzspektrum durch Mustererkennung und künstliche Intelligenz;
Term: May 2020 - February 2023
Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)Transfer Function Models for Molecular Communication Channels
(Third Party Funds Single)Term: February 2020 - January 2023
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Molecular communication (MC) is an emerging field of research at the intersection of science and engineering. MC is the prevalent means of communication in natural biological systems, e.g. between a presynaptic neuron and a postsynaptic neuron in the synaptic cleft or between bacteria during quorum sensing. Engineered MC systems are expected to enable communication between nanomachines (synthetic or biological objects whose components are at nanometer scale) and to facilitate interaction with biological systems. In MC, information is encoded in the properties (e.g. concentration, time of release, type) of small particles such as molecules or ions. The development of the underlying communication and information theory and corresponding testbeds for experimental verification are still in their infancy. In this context, powerful and flexible analytical models and fast simulation methods for the spatio-temporal distribution of the information-carrying particles (i.e., their concentration as a function of space and time) are of paramount importance. On the one hand, such models and methods are needed for the communication- and information-theoretical design and analysis of MC systems, and on the other hand, they are needed to guide the development of (often very expensive) experiments. Unfortunately, the existing analytical models for MC systems are restricted to very simple MC channels, often relying on unrealistic simplifying assumptions (e.g. unbounded environment, point source transmitter, transparent receiver), and the existing simulation methods are either accurate but slow (e.g. particle based methods) or fast but not insightful (e.g. numerical solvers for partial differential equations), i.e., they do not offer any insight into the impact of the various MC channel parameters (e.g. boundary and initial conditions, chemical reaction rates). Therefore, in this project, we will develop powerful and flexible analytical models for the spatio-temporal distribution of the information-carrying particles in MC systems based on a transfer function approach, which provides insight into the impact of the parameters of the MC system and lends itself to fast numerical evaluation. The expected outcomes of this project will include (1) a novel framework for analytical modelling of MC systems based on transfer functions, (2) transfer function models (TFMs) for four important example MC systems, (3) a communication-theoretical characterization of these example MC systems based on the TFMs, (4) methods for parameter estimation in MC channels based on TFMs, and (5) a software library for the simulation and evaluation of MC systems based on TFMs.Signalentwurf und -optimierung für drahtlose Kommunikationssysteme mit nichtlinearem RF Energy Harvesting
(Third Party Funds Single)Term: November 2019 - October 2022
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Entwicklung von Verfahren zur Segmentierung von sich überlagernden Signalen mittels Erforschung von zyklostationären Mustern
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Blinde Interferenzanalyse bei der Funküberwachung
Term: September 2019 - March 2022
Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)Vielantennensendeempfänger mit effizienter Hardware
(Third Party Funds Single)Term: June 2019 - May 2021
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Efficient Implementation of Massive MIMO Systems
Makroskopische Molekulare Kommunikation: Sender- und Empfängerkonzepte für die Informationsübertragung in flüssigen Medien
(Third Party Funds Group – Sub project)Overall project: Makroskopische Molekulare Kommunikation: Sender- und Empfängerkonzepte für die Informationsübertragung in flüssigen Medien
Term: November 2018 - October 2022
Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)Von der Natur lernen: Energiegewinnung und Intersymbol-Interferenzmitigation mittels Wiederaufnahme von informationstragenden Molekülen in diffusionsbasierten Molekularen Kommunikationssystemen
(Third Party Funds Single)Term: September 2018 - August 2021
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Theoretische Grenzen und algorithmische Verfahren verteilter komprimierender Abtastung
(Third Party Funds Single)Term: July 2018 - December 2021
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)The theoretical limits of distributed compressive sensing are studied bytools from both information theory and statistical physics. The investigationscover both noise-free and noisy distributed compressive sensing. The theoretical insightsare utilized to design approximate message passing algorithms for joint recovery of large distributed compressive sensing networks with feasible computational complexity. These algo-rithms enable us to verify the non-rigorous results obtained by the replica method from statistical mechanics, and also, to propose theoretically optimal approaches for sampling and low complexity. The proposed research will lead to improved performance of reconstruction algorithms for distributed compressive sensing, e.g. higher compression rates and/or higher fidelity of reconstruction.Theoretische Grenzen und algorithmische Verfahren verteilter komprimierender Abtastung
(Third Party Funds Single)Term: July 2018 - June 2021
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Molecular Communication Systems
(FAU Funds)Term: January 2017 - December 2019
URL: https://www.idc.tf.fau.de/efi-mcs/Neuentstehende Anwendungen in der Biologie, Nanotechnologie und Medizin machen die Vernetzung von Objekten und Maschinen mit Abmessungen im Nano- und Mikrometerbereich erforderlich. Traditionelle elektromagnetische Ansätze für den Entwurf entsprechender Kommunikationssysteme sind für solch kleine Größenordnungen nicht geeignet. In der Natur jedoch ist die Kommunikation zwischen Nano- und Mikro-Objekten, wie z.B. Bakterien und anderen Zellen, weit verbreitet. Dabei kommen oft Signalmoleküle als Informationsträger zum Einsatz, so dass ein natürliches molekulares Kommunikationssystem entsteht. Das Projekt bündelt die an der FAU vorhandene Expertise auf den Gebieten Elektrotechnik, Biologie, Materialwissenschaften, Mathematik und Nanomedizin, um – ausgehend von in der Natur vorkommenden Mechanismen und Prozessen – synthetische molekulare Kommunikationssysteme zu entwerfen und zu implementieren.
Analysis and Implementation of Highly Compressive Sensing
(Third Party Funds Single)Term: March 2016 - February 2019
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)The project will investigate the performance limits of compressive sensing and propose practical algorithms that approach these performance limits closely.The project will focus on the regime of high compression ratios where L1-norm regularization is suboptimal.Compressive sensing will be investigated from the viewpoint of statistical physics and considered as a particular instance of a spin glass system.Both average distortion and minimax distortion will be addressed as objective functions (Hamiltonians).The analysis will rely on the replica method. Particular emphasis will be put on the implications of replica symmetry breaking.The main objectives of the project are:1) to find a system of saddle point equations that describe the replica symmetry breaking solution to the compressive sensing problem,2) to prove rigorous one-sided bounds for these solutions by adapting Guerra's arguments for the Sherrington-Kirkpatrick spin glass model to spin glass model of compressive sensing and, hereby, justifying the correctness of the replica method in compressive sensing,3) to numerically solve the system of saddle point equations, and 4) to determine which practical algorithms work well for compressive sensing at high compression ratios.
Modelling, Design, and Implementation of Molecular Communication Systems
(Third Party Funds Single)Term: January 2016 - April 2020
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Analysis and Implementation of Highly Compressive Sensing
(Third Party Funds Single)Term: January 2015 - December 2017
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)The project will investigate the performance limits of compressive sensing and propose practical algorithms that approach these performance limits closely.The project will focus on the regime of high compression ratios where L1-norm regularization is suboptimal.Compressive sensing will be investigated from the viewpoint of statistical physics and considered as a particular instance of a spin glass system.Both average distortion and minimax distortion will be addressed as objective functions (Hamiltonians).The analysis will rely on the replica method. Particular emphasis will be put on the implications of replica symmetry breaking.The main objectives of the project are:1) to find a system of saddle point equations that describe the replica symmetry breaking solution to the compressive sensing problem,2) to prove rigorous one-sided bounds for these solutions by adapting Guerra's arguments for the Sherrington-Kirkpatrick spin glass model to spin glass model of compressive sensing and, hereby, justifying the correctness of the replica method in compressive sensing,3) to numerically solve the system of saddle point equations, and 4) to determine which practical algorithms work well for compressive sensing at high compression ratios.Pilotsignalentstörung in Massiven Mehrantennensystemen
(Third Party Funds Single)Term: since May 2014
Funding source: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)Ziel des Forschungsvorhabens ist die Verringerung des Energieverbrauchs von Funkübertragungssystemen. Gleichzeitig wird eine Steigerung der übertragbaren Datenrate angestrebt. Ein vielversprechender Ansatz hierzu sind Mehrantennensysteme mit einer Vielzahl von Antennenelementen. In der Fachwelt werden diese als "massive" Mehrantennensysteme bezeichnet.Massive Mehrantennensysteme ermöglichen eine drastische Verringerung der abgestrahlten Signalleistung. Die meisten zur Zeit diskutierten Systeme leiden unter einem nachteiligen Effekt, der gemeinhin als "Pilotsignalstörung" bezeichnet wird. Dieser Effekt entsteht durch die unvermeidliche Wiederverwendung von Pilotsignalen in Nachbarzellen und wurde von vielen Forschern für ein grundsätzliches Problem von massiven Mehrantennensystemen gehalten. In jüngster Zeit haben einige der Antragsteller eine auf Singulärwertzerlegung und leistungsbezogenen Weiterreichverfahren basierende Methode skizziert, die es ermöglicht das Problem der Pilotsignalstörung zu umgehen, und diese Methode "Pilotsignalentstörung" genannt. Erste theoretische Studien für die Aufwärtsstrecke lassen erkennen, dass es sich um eine sehr leistungsfähige Methode handelt, und dass Pilotsignalstörungen kein grundsätzliches Problem darstellen, sondern durch nichtlineare Kanalschätzung umgangen werden können.In diesem Projekt soll Pilotsignalentstörung genauer untersucht werden. Insbesondere soll untersucht werden, wie das Verfahren für die Abwärtsstrecke genutzt werden kann und welche Weiterreichverfahren passend sind. Weiterhin soll analysiert werden, wie viele Antennen das System benötigt, so dass Pilotsignalentstörung zuverlässig funktioniert.Besonderer Wert soll auf eine effiziente praktische Implementierung gelegt werden.