Localization with OFDM signals in 5G systems

Abstract

Un aspecto fundamental para el diseño de un sistema OFDM con capacidad para proporcionar posicionamiento y comunicaciones a alta velocidad es encontrar una estrategia óptima para asignar la potencia de las señales de datos y las señales pilotos utilizadas en un sistema OFDM. Previamente, diseños para maximizar la capacidad de transmisión de datos del sistema OFDM se han investigado para el caso de canales de comunicación estáticos. Sin embargo, es lógico considerar variaciones del canal para distintos símbolos OFDM causadas por el movimiento ya sea del receptor o transmisor. En este sentido, la capacidad de transmisión de datos para un valor deseado en la precisión de la estimación del “time-delay” se puede mejorar teniendo en cuenta un diseño conjunto de las señales de datos y pilotos. Esto se obtiene considerando la variación temporal del canal y la correlación entre los correspondientes “taps” de canal para distintos símbolos OFDM. En esta tesis presentamos un método para diseñar conjuntamente las señales de datos y pilotos para el caso de canales variantes con el tiempo. Resultados numéricos corroboran la mejora en términos de capacidad de canal para un valor deseado en la precisión de la estimación del “time-delay”.

A continuación, consideramos la asignación de potencias para OFDM WNL. En redes inalámbricas del tipo “location-aware”, los nodos móviles (agentes) pueden obtener sus posiciones utilizando medidas de distancia con respecto otros nodos cuya posición es conocida (anclas). La asignación óptima de potencia para las “subcarriers” de las anclas reduce el error de posicionamiento y mejora el tiempo de vida de la red así como la capacidad de transmisión de datos. En esta tesis presentamos un método de optimización, basado en los límites estadísticos fundamentales, para asignar la potencia de las “subcarriers” de forma ergódica y robusta en localización en redes con conocimiento imperfecto de los parámetros de la red. La asignación de potencia ergódica y robusta se obtiene utilizando los denominados problemas de optimización “semidefinite” en forma tanto iterativa como no-iterativa en transmisiones “unicast” y “multicast”. Resultados presentados en esta tesis muestran que una asignación de potencia robusta y ergódica proporciona mayor precisión en el posicionamiento que diseños no robustos cuando existe incertidumbre del canal y en la posición de los agentes.

Por último, en esta tesis extendemos las técnicas de localización para sistemas 5G. Las comunicaciones 5G se caracterizan por tener un gran ancho de banda, grandes arrays de antenas y comunicación dispositivo-a-dispositivo. Describimos por qué y cómo estas propiedades contribuyen a la precisión del posicionamiento. También proporcionamos un resumen de cómo las tecnologías 5G se han utilizado en la literatura reciente para proporcionar posicionamiento. En particular, las ondas milimétricas y el “MIMO” masivo son consideradas las tecnologías que posibilitarán las futuras redes 5G. Mientras sus beneficios para obtener grandes velocidades de transmisión de datos son bien conocidos, el potencial de éstas técnicas para proporcionar un posicionamiento preciso es totalmente desconocido. En esta tesis derivamos cotas fundamentales para la precisión de la estimación de la posición y el ángulo de rotación en presencia de “clusters” en sistemas de gran ancho de banda (“wideband”). Un algoritmo de detección basado en MMV “matching pursuit” se utiliza para obtener una estimación aproximada del “AOA”/”AOD” y “TOA”. Esta estimación aproximada se utiliza para la inicialización de la fase de estimación basada en la “EM” con un procedimiento secuencial iterativo. Los resultados presentados en la tesis muestran la convergencia de los parámetros estimados hacia los valores obtenidos con la inversa de la matriz de información de Fisher.

A key aspect to design an OFDM system for combined positioning and high-data-rate communications is to find optimal data and pilot power allocations. Previously, A capacity maximizing design has been investigated for the case of static channels. However, it is logical to consider channel variation for different OFDM symbols due to movement. Joint design of data and pilots with considering the time variations of the channel and correlation between the corresponding channel taps from different OFDM symbols increases the capacity for a given time-delay estimation accuracy. We propose a method for joint design of data and pilots for the time-varying channels. Numerical results approve the improvement in terms of channel capacity for a desired value of time-delay estimation accuracy.

Next, we consider the power allocations for OFDM WNL. In location-aware wireless networks, mobile nodes (agents) can obtain their positions using range measurements to other nodes with known positions (anchors). Optimal subcarrier power allocation at the anchors reduces positioning error and improves network lifetime and throughput. We present an optimization framework for ergodic and robust subcarrier power allocations in network localization with imperfect knowledge of network parameters based on the fundamental statistical limits. Ergodic and robust power allocations are obtained using semidefinite optimization problems in non-iterative and iterative forms with both unicast and multicast transmissions. Results show that robust and ergodic power allocations provide more accurate localization than non-robust designs under channel and agents positions uncertainty.

Finally, we extend the localization techniques for 5G systems. 5G communications are characterized by large bandwidths, large antenna arrays, and device-to-device communication. We describe why and how these properties are conducive to accurate positioning. We also provide an overview of how 5G technologies have been used for positioning in recent literature. Particularly, millimeter wave and massive MIMO are considered enabling technologies for future 5G networks. While their benefits for achieving high-data rate communications are well-known, their potential advantages for accurate positioning are largely undiscovered. We derive fundamental bounds on the position and rotation angle estimation in the presence of clusters for wideband systems. A detection algorithm based on MMV matching pursuit is used for the coarse estimation of AOA/AOD and TOA that are applied for initialization of the estimation phase based on the EM with a sequential iterative procedure. The results show the convergence of the estimated parameters to the values obtained by the inverse of Fisher information matrix.