Positioning systems for new radio signals

In the last few years positioning has acquired a key role in several applications: autonomous driving cars, aviation, shipping sector and the handling of disaster management operations, just to name a few. Despite GPS (Global Positioning System) already represents a good choice for outdoor scenarios, it has significant gaps in indoor environments caused by its weakness in terms of penetration of in-building materials and, consequently, the need of additional or alternative technologies. The advent of 5G, together with a fast growth of the number of Access Points (AP), allows an easier coverage of more and more areas. Moreover, New Radio (NR) signals promise high accuracy and short latency in different scenarios, thanks to the different numerologies that can be employed in several use cases, according to specific application requirements. The objective of this thesis work is to define a system architecture that should show the following features: a simple structure, low computational complexity and low energy consumption, while guaranteeing at the same time good positioning results. Our proposal concerns a system that will be named hybrid (Hybrid System) since it consists of an asymmetric system architecture that exploits a NR AP at the transmitter side and a simple Ultra Wide-Band (UWB) front-end at the receiver side. Moreover, one of our proposals to be employed within a Hybrid System is to use a Discrete Fourier Transform (DFT) pre-coding at the transmitter side, in order to facilitate the detection of a serial time-domain sequence at the UWB receiver. In fact, with this Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) approach, we are able to send serial time-domain sequences, which can be more easily detected by this simple receiver, w.r.t. an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) signal that gives parallel streams of symbols in the time-domain. The employment of a simple UWB approach at the receiver side comes from the possibility to use it within low-cost devices that have stringent energy and complexity requirements. Our reference scenario regards indoor or indoor/outdoor short-medium range environments, e.g. in the context of IoT or massive IoT technologies. This is coherent with the fact that UWB technology refers to short-medium range scenarios. The thesis work has been developed in two main phases: the first one concerns the analysis of the basic performance of UWB technology and the investigation of three Positioning Reference Signal (PRS) techniques, while the second phase is focused on our proposal, that is the Hybrid System (HS). In the first phase, we study the behaviour of standard UWB technology and we compare three PRS methods: phase difference of symbols (PHS), channel impulse response estimation (CIR), time-domain cross-correlation at the receiver (IMP). Then, the best PRS technique resulting from that analysis is chosen to be compared in the next phase of the simulations; it is the PRS-[PHS] technique, that represents a strong term of comparison for the final set of simulations. In the second phase, we work on the design of an optimum Raised Cosine (RC) filter at the receiver side in order to approach a realistic implementation of the receiver in the HS. In particular, we will distinguish two steps: a design phase and a test phase. In the design phase, we consider the transmission of several types of pseudo-noise sequences (DFT-spread-OFDM sequence, PN signal OFDMA modulated, PRS signal and a Zadoff-Chu (ZC) sequence). The objective is to discover which of these sequences are suitable to be used within the HS employing an UWB receiver with a RC filter. The filter is optimized w.r.t. bandwidth and roll-off factor. In the test phase, the best sequences (DFT-spread-OFDM and Zadoff-Chu) are transmitted in real channel models and they are analyzed and compared employing different techniques for the selection of the peak of the correlation (the maximum selection and a threshold algorithm). Then the positioning results show how these sequences are suitable for localization purposes, reaching, in some cases, sub-meter accuracy. Finally, positioning results show that HS employing those selected types of sequences and having an optimized RC filter at the UWB receiver, can reach very good positioning performance. Moreover, that kind of receiver represents a valid candidate to be employed in the next future in the context of low-cost devices, with a simple, low-complexity and energy-saving architecture.

Negli ultimi anni la localizzazione ha assunto un ruolo chiave in molte applicazioni: dalla guida autonoma agli impieghi aeronautici e navali, sino alle operazioni di salvataggio durante le catastrofi naturali, solo per citarne alcune. Benchè il sistema di posizionamento globale (GPS) costituisca già una valida opzione per gli ambienti esterni, negli ambienti chiusi mostra tuttavia lacune non indifferenti, ad es. nel fatto che questo tipo di segnale ha difficoltà ad attraversare i materiali da costruzione. Da ciò deriva il bisogno di sistemi complementari o alternativi. L'avvento del 5G, unitamente ad un rapido incremento del numero di punti di accesso (AP), permette di coprire con facilità territori sempre più vasti. Inoltre, i segnali NR promettono grande accuratezza e piccole latenze in molti scenari applicativi, questo grazie alle diverse combinazioni di parametri che possono essere impiegate nei vari casi d'uso, a seconda dei requisiti della specifica applicazione. L'obiettivo della tesi è realizzare un'architettura di sistema caratterizzata da una struttura semplice, una bassa complessità computazionale e un consumo ridotto di energia, garantendo al contempo buoni risultati in termini di localizzazione. La nostra proposta riguarda ciò che definiamo un Sistema Ibrido (HS): esso consiste in un'architettura di sistema asimmetrica che al trasmettitore sfrutta un punto di accesso 5G e in ricezione si serve di un semplice approccio Ultra Wide-Band (UWB); inoltre, un'altra nostra proposta da inserire nel contesto di un HS riguarda l'uso di una sequenza con pre-coding Discrete Fourier Transform (DFT) al trasmettitore, così da facilitare la rilevazione della sequenza seriale nel dominio del tempo al ricevitore UWB. Infatti, con l'approccio Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA), si è in grado di trasmettere sequenze seriali nel tempo, che possono essere rilevate più facilmente dal ricevitore in questione rispetto al segnale Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), il quale produce invece flussi di simboli in parallelo nel tempo. Il ricorso all'approccio UWB a lato ricevitore deriva dalla possibilità di impiegarlo all'interno di dispositivi a basso costo, caratterizzati da requisiti stringenti in termini di energia e complessità. Il nostro scenario di riferimento riguarda ambienti interni o interni/esterni a corto-medio raggio, tipici di un contesto IoT o IoT massivo; ciò è coerente con l'uso della tecnologia UWB, la quale è propria di quegli scenari a corto-medio raggio. In quel contesto, che adotta punti di accesso NR, noi inseriamo il nostro HS, caratterizzato da un ricevitore UWB. La tesi si articola in due fasi principali: la prima riguarda l'analisi delle prestazioni di base della tecnologia UWB e di tre tecniche sul Positioning Reference Signal (PRS), mentre la seconda è incentrata sulla nostra proposta, ovvero il Sistema Ibrido. Nella prima fase, analizziamo le prestazioni della tecnologia UWB e confrontiamo tre tecniche sul PRS: una si fonda sulla differenza di fase dei simboli (PHS), un'altra sulla stima della risposta all'impulso del canale (CIR) e un'ultima che opera una correlazione al ricevitore (IMP). La tecnica che risulta la più performante viene poi scelta per ulteriori confronti nel successivo insieme di simulazioni; si tratta della tecnica PRS - [PHS] la quale, rappresenta un forte termine di paragone per le simulazioni successive. Nella seconda fase, progettiamo un filtro a coseno rialzato (RC) ottimo per il ricevitore, al fine di ottenere un'implementazione realistica di quest'ultimo all'interno dell'HS. In particolare, si possono distinguere due passi: una fase di design e una fase di test. Nella fase di design, consideriamo la trasmissione di diversi tipi di sequenze (sequenza DFT-spread-OFDM, un segnale pseudo-casuale modulato OFDMA, un segnale PRS e una sequenza di Zadoff-Chu modulata OFDMA). L'obiettivo finale è comprendere quali di queste sequenze sono adatte ad essere impiegate all'interno di un Sistema Ibrido che comprende un ricevitore UWB con filtro a coseno rialzato, ottimizzato rispetto alla banda e al fattore di roll-off. Nella fase di test, le sequenze migliori (DFT-spread-OFDM e Zadoff-Chu) vengono trasmesse su un modello di canale realistico e vengono confrontate utilizzando diverse tecniche per la selezione del picco della correlazione (selezione del massimo e algoritmo a soglia). I risultati mostrano che entrambe le sequenze sono valide ai fini della localizzazione, raggiungendo, in alcuni casi, un'accuratezza inferiore al metro. Anche i risultati di localizzazione mostrano che i sistemi ibridi che usano quei tipi di sequenze e al ricevitore UWB impiegano un filtro a coseno rialzato ottimizzato, raggiungono prestazioni molto buone. Inoltre, quel tipo di ricevitore rappresenta un valido candidato da considerare nel prossimo futuro nel contesto di dispositivi a basso costo che necessitano di un'architettura di sistema semplice, a bassa complessità e a basso consumo energetico.