Gemeinsame Navigation und Kommunikation basierend auf Interleave-Division Multiple Access
Final Report Abstract
Das im Rahmen dieses Projektes entwickelte und untersuchte GNUK Systemkonzept birgt bereits durch den Signalentwurf und die Signalverarbeitung gewinnbringende Synergieeffekte und erbrachte die folgenden wichtigsten Ergebnisse: Eine einheitliche Signalstruktur für Kommunikation und Navigation: Kommunikations- und Navigationsdaten werden gemeinsam und einheitlich mit einem einzigen Multiplex- und Vielfachzugriffsverfahren übertragen. Da im Falle von ML-IDMA Trainingsdaten zu jedem Zeitpunkt übertragen werden, ist es potenziell möglich schnell zeitveränderliche Kanäle adaptiv zu schätzen. Grundsätzlich ist das im Rahmen des Projektes vorgeschlagene Gesamtkonzept generalisierbar auf jegliches Multiplex- und Vielfachzugriffsverfahren. Alternativ bietet z. B. auch OFDM(A) Vorteile, da eine aufwandsgünstige Datendetektion und Kanalschätzung im Frequenzbereich möglich ist und Intersymbolinterferenzen vermieden werden. Die Kanalschätzung und virtuelles Training sind doppelt nutzbar: Für die Kommunikation ist es unerlässlich, den Kanal z. B. trainings-basiert zu schätzen. Auf Basis dieser inhärent verfügbaren Kanalschätzung, kann eine Laufzeitschätzung für die Positionierung durchgeführt werden. Als Dreh- und Angelpunkt des gesamten Systems beeinusst die Kanalschätzung sowohl die Kommunikation als auch die Laufzeitschätzung und somit die Positionierung. Die semi-blinde Kanalschätzung erlaubt eine Nutzung der gesamten Signalleistung und ist deshalb besonders geeignet im Sinne einer synergetisch einheitlichen GNUK Signalstruktur. Alle drei Punkte greifen ineinander und erzielen gemeinsam eine Verschmelzung der Kommunikation und Navigation. Zuverlässigkeitsinformation verbessert die Positionierung: Im Rahmen des Projektes wurde gezeigt, dass mittels unterschiedlicher Ansätze Zuverlässigkeitsinformation über die geschätzten Laufzeiten zunächst berechnet und dann gewinnbringend im Sinne einer Positionsschätzung eingesetzt werden können. Besonders in schwierigen Kanalbedingungen wurde ein positive Einfluss von Zuverlässigkeitsinformation hinsichtlich der Leistungsfähigkeit beobachtet. Insofern genügend Referenzobjekte für die Positionierung vorhanden sind, kann auf Basis solcher Informationen eine Auswahl günstiger Referenzobjektkonstellationen gefunden werden. Eine hochauflösende Laufzeitschätzung in Mehrwegeausbreitung ohne UWB Signale ist durch hochauflösende Parameterschätzverfahren in Kombination mit Überabtastung oder Mehrantennensysteme realisierbar: Es wurde des Weiteren gezeigt, dass durch Überabtastung keine Verbesserungen bezüglich der Datendetektion und Kanalschätzung erzielt werden, jedoch bezüglich der Parameterschätzung. Im Falle größerer Kanalgedächtnislängen haben sich niedrige Überabtastfaktoren als empfehlenswert erwiesen. Es wurden moderne Parameterschätzmethoden (PSO/GA, LM, SAGE, ESPRIT) untersucht, um das nichtlineare mehrdimensionale Problem mit multiplen lokalen Extrema zu lösen. Die globalen Optimierungsmethoden PSO und GA wiesen die Vorteile auf, keine Startwerte zu benötigen, nur auf Funktionsaufrufe statt auf der Auswertung des Gradienten zu basieren, das globale Optimum zu finden und den Nachteil, dass Konvergenz zur optimalen Lösung nicht garantiert werde kann. Mittels sowohl LM als auch PSO kann Zuverlässigkeitsinformation besonders effzient genutzt werden. Der ESPRIT Algorithmus basiert auf einer Transformation in den Frequenzbereich, erlaubt daher eine einfache Signalentfaltung und ermöglichte eine alternative analytische Lösung in geschlossener Form, welche nicht auf das Durchlaufen eines Suchraums baut. Durch die Untersuchung von Mehrantennensysteme wurde erarbeitet, dass schon mittels geringer Antennenzahlen gemeinsamer Winkel- und Laufzeitschätzung und der höheren Anzahl von Observationen auch Szenarien geschätzt werden können, die in Einantennensystemen versagen. Dabei hat das Schätzproblem eine höhere Dimensionalität als im SISO Fall und erwies sich sowohl bezüglich der Winkel- als auch der Laufzeitschätzung als nicht-separierbares korelliertes nichtlineares Problem und erfordert somit eine größere Rechenkomplexität als der SISO Fall. Als im Projektverlauf überraschend stellte sich die begrenzte Leistungsfähigkeit der Positionierung in dichten Mehrwegeszenarien heraus. Dieser fundamentale Sachverhalt konnte sowohl mittels der CRLB als auch des MSEs nachgewiesen werden. In vielen Fremdpublikationen wird das Problem umgangen indem entweder äquidistante oder hinreichend weit entfernte Verzögerungspfade angenommen werden. Eine weitere Überraschung war die übergeordnete Rolle der Kanalschätzung: Z.B. wurde zum einen klar, dass in realistischen Kanalbedingungen eine präzise Kanalschätzung erforderlich ist und zum anderen wurde klar, dass ein solche, wie zum Beispiel die semi-blinde Schätzung, die Performanzabhängigkeit vom Senderentwurf schwächt und die vom Empfängerentwurf stärkt.
Publications
- Joint Channel and Parameter Estimation for Joint Communication and Navigation using Particle Swarm Optimization, in Proc. Workshop on Positioning, Navigation and Commun. (WPNC), Dresden, Germany, Mar. 2010
K. Schmeink, R. Block, and P. A. Höher
- Influence of Oversampling on Channel Parameter Estimation for Joint Communication and Positioning. Proc. Workshop on Positioning, Navigation and Commun. (WPNC), Dresden, Germany, Mar. 2011
K. Schmeink, R. Adam , and P. A. Höher
- Joint Communication and Positioning based on Soft Channel Parameter Estimation, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2011
K. Schmeink, R. Adam, and P. A. Höher
(See online at https://dx.doi.org/10.1186/1687-1499-2011-185) - Joint Communication and Positioning based on Interleave-Division Multiplexing. Dissertation, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Germany, Shaker-Verlag, 2012
K. Schmeink
- Performance Limits of Channel Parameter Estimation for Joint Communication and Positioning, EURA- SIP Journal on Advances in Signal Processing, vol. 2012
K. Schmeink, R. Adam, and P. A. Höher
(See online at https://doi.org/10.1186/1687-6180-2012-178) - Semi-blind Channel Estimation for Joint Communication and Positioning, in Proc. Workshop on Positioning, Navigation and Commun. (WPNC), Dresden, Germany, Mar. 2013 (Best Paper Award)
R. Adam, and P. A. Höher
