Phase tracking in unsynchronized links as an application for user localization in multi-user MIMO 5G systems

Modern communications require accurate localization, it can be for navigation, tracking, and applications. If it is true that GPS works well, its performance completely fails in indoors environments. This is why alternative methods are required, specially the ones which can rely in the existing infrastructure. 5G MU-MIMO systems offer a high resolution channel and spatial diversity, which enable precise positioning. The main drawback of this type of system is that distributed transmitters and receivers often operate with independent local oscillators, introducing different types of offsets that make the coherent processing. This thesis proposes a beacon-based localization method for 5G MU-MIMO scenarios with unsynchronized devices. The beacon is implemented as an additional user equipment (UE) using orthogonal demodulation reference signals (DMRS) relative to other UEs, eliminating the need for time- or frequency-multiplexing and avoiding interference with ongoing data transmissions. By exploiting multiple carriers and accounting for LO imperfections, the method transforms desynchronized devices into a coherent virtual array for accurate localization. The work focuses on three main objectives: estimating phase fluctuations caused by LO imperfections, calculating phase differences between distributed receivers, and compensating these variations using beacon signals without disrupting ongoing communications. The proposed method is validated through experimental evaluations, demonstrating its potential to enable precise localization in 5G systems with unsynchronized devices.

Le comunicazioni moderne richiedono una localizzazione accurata, che può essere necessaria per la navigazione, il tracciamento e diverse applicazioni. Sebbene il GPS funzioni bene, le sue prestazioni falliscono completamente in ambienti indoor. Per questo motivo sono necessari metodi alternativi, in particolare quelli che possono basarsi sull’infrastruttura esistente. I sistemi 5G MU-MIMO offrono un canale ad alta risoluzione e diversità spaziale, che consentono un posizionamento preciso. Il principale svantaggio di questo tipo di sistema è che i trasmettitori e i ricevitori distribuiti operano spesso con oscillatori locali indipendenti, introducendo diversi tipi di offset che rendono complessa l’elaborazione coerente. Questa tesi propone un metodo di localizzazione basato su beacon per scenari 5G MU-MIMO con dispositivi non sincronizzati. Il beacon è implementato come un ulteriore user equipment (UE) utilizzando segnali di riferimento di demodulazione ortogonali (DMRS) rispetto agli altri UE, eliminando la necessità di time- o frequency-multiplexing ed evitando interferenze con le trasmissioni dati in corso. Sfruttando portanti multiple e tenendo conto delle imperfezioni degli oscillatori locali (LO), il metodo trasforma dispositivi desincronizzati in un array virtuale coerente per una localizzazione accurata. Il lavoro si concentra su tre obiettivi principali: stimare le fluttuazioni di fase causate dalle imperfezioni degli LO, calcolare le differenze di fase tra ricevitori distribuiti e compensare tali variazioni utilizzando segnali beacon senza interrompere le comunicazioni in corso. Il metodo proposto è validato tramite valutazioni sperimentali, dimostrando il suo potenziale nell’abilitare una localizzazione precisa in sistemi 5G con dispositivi non sincronizzati.