2025-11-192025-11-19https://hdl.handle.net/11420/58942Cyber-Physische Systeme - d.h. die Verflechtung der physischen mit der virtuellen Welt - ermöglichen die Smartifizierung der teilweise maroden kritischen zivilen Infrastruktur. Miniaturisierte Sensoren, beispielsweise in Stahlträgern von Brücken oder in Pipelines, sind eine Voraussetzung für Predictive Maintenance zur Erhöhung der Sicherheit bei reduzierten Kosten. Die derzeit verfügbaren Technologien und Methoden sind hierfür jedoch weitgehend ungeeignet. Innerhalb fester Körper, insbesondere metallischer, ist die Funkkommunikation stark eingeschränkt oder sogar unmöglich. Eine Verkabelung zur Kommunikation oder Stromversorgung ist wirtschaftlich nicht sinnvoll oder beeinträchtigt die Integrität der Infrastruktur. Batterien können die Energieversorgung der Sensoren über die Lebensdauer der Infrastruktur nicht gewährleisten. Daher sind alternative und neuartige Technologien erforderlich. Im vorgeschlagenen Projekt nehmen wir diese Herausforderung an und betreiben Grundlagenforschung zur drahtlosen akustischen passiven Backscatter-Kommunikation. Wir leisten folgende Beiträge: (1) Wir untersuchen die Eigenschaften und Anforderungen akustischer Kanäle und Kommunikationsmethoden, identifizieren die wesentlichen Einflussfaktoren und entwickeln Methoden, Modelle und praktische Werkzeuge für die Forschung. (2) Wir erforschen breitbandige Modulationsverfahren für eine vollständig passive und zuverlässige Kommunikation in großen Netzwerken. (3) Wir entwerfen und untersuchen geeignete Verfahren zur Skalierbarkeit von großen Netzwerken von Sensoren. (4) Wir untersuchen die Machbarkeit von batterielosen Sensoren und schaffen so die Voraussetzung für zukünftige Forschung. Im Rahmen des beantragten Projekts werden Methoden, Algorithmen und Protokolle erforscht, theoretisch modelliert, simuliert und durch Experimente evaluiert. Das Projekt wird damit grundlegende Beiträge zu einem aufstrebenden Forschungsfeld leisten, das weitgehend ungenutztes Potenzial zur Verwirklichung eines wesentlichen, gesellschaftlich relevanten, sicherheitskritischen und wirtschaftlichen Aspekts der Digitalisierung und Smartifizierung unserer Welt besitzt.Cyber-Physical Systems - i.e., the intertwining of the physical with the virtual world - enable the smartification of the partially ailing critical civil infrastructure. Miniaturized sensors in, e.g., bridges' steel beams or within pipelines are a prerequisite for predictive maintenance to increase safety at reduced costs. However, the technology and methods currently available are largely unsuitable for this purpose. Radio communication is severely limited or even impossible inside solid bodies, especially metallic ones. Cabling for communication or power supply is economically not desirable or impairs the infrastructure. Batteries cannot guarantee the energy supply of the sensors over the lifetime of the infrastructure. Therefore, alternative and novel technologies are required. In the proposed project, we take on this challenge and conduct fundamental research on wireless acoustic passive backscatter communication for battery-less devices. In particular, we make the following contributions: (1) We examine the properties and requirements of acoustic channels and communication methods, identify the main influencing factors, and develop methods, models, and practical tools for research. (2) We research wideband modulation methods for completely passive and resilient communication in large networks. (3) We design and examine appropriate scalability techniques for large sensor networks. (4) We study the feasibility of battery-lessness and trigger future research. As part of the proposed project, methods, algorithms, and protocols are researched, theoretically modeled, simulated, and evaluated through experiments. The project will thus make fundamental contributions to an emerging field of research that has largely untapped potential for realizing an essential, socially relevant, security-critical, and economic aspect of the digitization and smartification of our world.