Joint Communication and Positioning based on Interleave-Division Multiplexing

Schreiber (geb. Schmeink), Kathrin

Interest in joint communication and positioning is steadily increasing because the combination of both techniques offers a wide range of advantages. On the one hand, synergy effects between communication and positioning like enhanced resource allocation can be exploited. On the other hand, new applications are enabled. Examples comprise a wide area of interest and include the automated localisation of emergency calls, tracking and guiding fire fighters or policemen on a mission, monitoring people with special needs in a hospital or a nursing home, asset tracking, location-based services and so forth. However, it is a challenging task to combine communication and positioning because their prerequisites are quite different. On the one hand, high data rates with little training overhead and low bit error rate are desirable for communication. On the other hand, localisation aims at precise position estimates. Much training is typically spent for that purpose. Given a single transmit signal supporting communication as well as positioning, it is very difficult to fulfil all requirements at the same time. Hence, a flexible configuration is desirable for a joint communication and positioning system with a unified signal structure in order to adjust the tradeoff between both parts to the instantaneous needs. In this thesis, a new system concept for joint communication and positioning with a unified signal structure is proposed and investigated. The system concept is based on interleave-division multiplexing (IDM) in combination with pilot layer aided channel estimation (PLACE) and multilateration via the time of arrival (TOA). On the one hand, IDM seems to be a suitable candidate for a joint communication and positioning system because of its flexible but simple transmitter structure. On the other hand, multilateration via the TOA enables precise localisation. The connection between the communication and the positioning part is accomplished via an enhanced PLACE unit. Through the incorporation of a channel parameter estimator, not only the channel coefficients of the equivalent discrete-time channel model, that are needed for data detection, but also parameters of the physical channel, that are required for positioning, can be estimated. A priori information about pulse shaping and receive filtering is exploited for that purpose. The main aim of this thesis is to show the feasibility of the proposed joint communication and positioning system. Hence, a fundamental system setup is analysed systematically. Since many applications of joint communication and positioning are located in urban or indoor environments, a very high positioning accuracy in the centimetre region is desirable. Unfortunately, positioning is most challenging in these environments due to severe multipath propagation. In order to achieve the required accuracies, the positioning part of the proposed system concept can be complemented by other localisation sources like GPS/Galileo and/or motion sensors via sensor fusion. However, the stand-alone performance of the proposed joint communication and positioning system is evaluated by means of Monte Carlo simulations in this thesis. The achieved results are compared to performance limits in terms of Cramer-Rao lower bounds. In order to improve the overall system performance and to enable sensor fusion, soft information with respect to the parameter as well as the position estimates is taken into account. The accuracy of the soft information is analysed with the help of curvature measures. Altogether, promising results are obtained.

Das Interesse an gemeinsamer Kommunikation und Positionierung nimmt aufgrund vieler Vorteile stetig zu: Durch die Kombination beider Techniken können Synergieeffekte wie beispielsweise eine verbesserte Ressourcenverteilung ausgenutzt werden. Des Weiteren werden neue Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen ermöglicht: Notrufe können automatisch lokalisiert werden, Feuerwehrmänner und Polizisten im Einsatz können durch eine Verfolgung ihrer Position und gegebenenfalls eine Überwachung ihrer Vitalwerte besser angeleitet und koordiniert werden, Patienten mit speziellen Bedürfnissen in Krankenhäusern können durch ein effizientes Monitoring besser versorgt werden, Ein- und Auslagerungsprozesse in Warenhäusern können erleichtert werden, positionsbezogene Dienste können realisiert werden und vieles anderes mehr. Aufgrund der verschiedenen Anforderungen von Kommunikations- und Positionierungsdiensten ist es schwierig, diese beiden Bereiche zu vereinen. Einerseits sollen große Datenraten mit geringem Trainingsaufwand als auch geringen Bitfehlerraten erreicht werden. Andererseits ist eine hohe Positionierungsgenauigkeit erwünscht, die einen großen Trainingsaufwand erfordert. In einem Systementwurf mit einer einheitlichen Signalstruktur ist es schwer, alle Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Daher ist ein flexibler Systementwurf von Vorteil, um den Abtausch zwischen Kommunikation und Positionierung an die aktuellen Bedürfnisse anpassen zu können. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem mit einer einheitlichen Signalstruktur vorgeschlagen und untersucht. Der Systementwurf basiert auf Interleave-Division Multiplexing (IDM) in Kombination mit einer Pilotlayer basierten Kanalschätzung und Multilateration mit Hilfe der Signalankunftszeit, im Folgenden Time of Arrival (TOA) genannt. Einerseits ist IDM aufgrund seiner flexiblen, jedoch einfachen Senderstruktur gut für ein gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem geeignet. Andererseits ermöglicht eine Multilateration mit Hilfe der TOA hohe Positionierungsgenauigkeiten. Die Verbindung zwischen beiden Komponenten wird durch eine erweiterte Pilotlayer basierte Kanalschätzung erreicht: Durch die Verwendung eines Kanalparameterschätzers können sowohl die Kanalkoeffizienten des äquivalenten zeitdiskreten Ersatzkanalmodells, die für die Datendetektion benötigt werden, als auch Parameter des physikalischen Kanals, die für die Lokalisierung erforderlich sind, geschätzt werden. A priori Information bezüglich des Pulsformungs- und Empfangsfilters werden hierfür ausgenutzt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen gemeinsamen Kommunikations- und Positionierungssystems zu zeigen. Daher wird ein grundlegender Systementwurf systematisch analysiert. Da viele Anwendungen von gemeinsamer Kommunikation und Positionierung innerhalb von Städten oder Gebäuden angesiedelt sind, ist eine sehr hohe Positionierungsgenauigkeit im Zentimeter-Bereich wünschenswert. Unglücklicherweise ist es in diesen Gebieten aufgrund von starker Mehrwegeausbreitung besonders schwer, die Position eines Objektes zu bestimmen. Allerdings kann die Positionierungskomponente durch andere Lokalisierungsquellen wie beispielsweise GPS/Galileo und/oder Bewegungssensoren mittels Sensorfusion ergänzt werden, um die erforderlichen Genauigkeiten zu erreichen. In Rahmen dieser Arbeit wird jedoch nur die eigenständige Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Systementwurfs mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht. Die Simulationsergebnisse werden mit Leistungsgrenzen in Form von Cramer-Rao Untergrenzen verglichen. Dabei wird Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der geschätzten Parameter und der geschätzten Position berücksichtigt, um die gesamte Systemleistung zu verbessern und Sensorfusion zu ermöglichen. Die Genauigkeit der Zuverlässigkeitsinformation wird mit Hilfe von Krümmungsmaßen analysiert. Insgesamt werden vielversprechende Ergebnisse erzielt.

Cite

Citation style:

Schreiber (geb. Schmeink), Kathrin: Joint Communication and Positioning based on Interleave-Division Multiplexing. 2012.

Rights

Use and reproduction:
No CC License (german copyright law applies)

Export