Mitigating the Effects of Spatial Undersampling on Angle of Arrival Estimation. - Ilmenau. - 65 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
Mobilfunknetze entwickeln sich kontinuierlich weiter, um steigende Anforderungen an Zuverlässigkeit, Datenraten und Netzwerkkapazität zu erfüllen. Fortschrittliche Funktionen auf der physikalischen Schicht, wie Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) Systeme, Strahlformung und Multi-User-MIMO, die in 5G und und darüber hinaus eingeführt werden, basieren auf der effektiven Ausnutzung der räumlichen Charakteristika des Kanals, die wiederum von den genauen Positionierungsfähigkeiten des Systems abhängen. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Minderung des Problems der räumlichen Aliasing bei der Schätzung des Empfangswinkels an einem Empfänger, der mehrere Antennen verwendet. Die Aliasing-Artefakte werden beobachtet, wenn das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem im räumlichen Bereich verletzt wird, aufgrund der Herausforderungen, die bei der Konstruktion von Antennenarrays auftreten, die in den Sub-Terahertz- und Terahertz-Frequenzbändern arbeiten. Zunächst werden die Auswirkungen von Aliasing auf die Korrelationsfunktion untersucht, die bei Maximum-Likelihood (ML) Schätzern auftreten. Zwei Ansätze zur Minderung dieser Effekte werden vorgeschlagen, nämlich (1) Breitband-Modellierung der Antennenantwort und die Verwendung von Frequenzdomänen-Messungen, um für die Winkel- und frequenzabhängigen Phasenverschiebungen zu berücksichtigen, die über das Array beobachtet werden, und (2) die Verwendung von nicht-einheitlichen Abtastschemata zur Minderung von Aliasing, die ausschließlich auf räumlichen Messungen basieren. Darüber hinaus profitiert der erste Ansatz von der Verwendung großer Messbandbreiten, daher greifen wir auf Ideen aus dem Bereich des Compressed Sensing zurück, um eine Methode vorzuschlagen, die die erforderliche Betriebsbandbreite reduziert, während eine ähnliche Schätzfehlerleistung erhalten bleibt. Durch die Verwendung von synthetischen Arrays und Monte-Carlo-Simulationen zeigen wir, dass diese Methode auf beliebige Array-Geometrien anwendbar ist und eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Bandbreite durch einen Kompressionsoperator ermöglicht, der offline trainiert wird. Die in dieser Arbeit untersuchten Techniken können auch analog auf die Schätzung des Sendewinkels angewendet werden, wo das Shannon-Nyquist-Abtasttheorem am Sendearray verletzt wird.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023
In modernen Kommunikationssystemen hat sich das Clustering verschiedener Parameter des Kommunikationssystems als ein zukunftsweisendes Thema im Bereich der Kanalmodellierung herauskristallisiert. Im Vergleich zu traditionellen Clustering-Algorithmen können auf neuronalen Netzwerken basierende Clustering-Algorithmen bestimmte Merkmale in den Daten erkennen, die möglicherweise unbemerkt bleiben. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob Zehntausende von Momentaufnahme-Parametern, die aus einem Kanalmessgerät gewonnen wurden, geographische Clusterphänomene aufweisen und die Ursachen für die beobachteten Muster zu erklären. Nach der Vorverarbeitung der Daten zu einem rasterbasierten Datensatz wird ein variationaler, faltender Autoencoder entwickelt, um End-to-End-Clustering durchzuführen. In diesem Clustering-Prozess werden die Verlustfunktionen des variationalen Autoencoders und der Clustering-Schicht gemeinsam durch Rückverbreitung gelernt. Die Ergebnisse zeigen, dass die mit der RIMAX-Methode geschätzten Momentaufnahme-Parameter tatsächlich geographische Clustering- phänomene aufweisen. Die Qualität der Clusterbildung variiert erheblich unter verschiedenen Umweltbedingungen. Basierend auf den Visualisierungskarten analysieren und diskutieren wir die möglichen Gründe für dieses Phänomen.
Millimeter wave radio channels: properties, multipath modeling and simulations. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 1 Online-Ressource (xxi, 145 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022
In dieser Arbeit werden drei grundlegende Probleme der Modellierung von Drahtloskanälen für die Anwendung bei der Funkkanalmodellierung im Millimeterwellenbereich (mmWave) untersucht, nämlich (i) die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung, (ii) der Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells und (iii) der Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Die detaillierte Beschreibung dieser Probleme lautet wie folgt: (i) Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung. Mehrband-Messkampagnen werden mit Richtantennen durchgeführt, die eine omnidirektionale Abtastung der Ausbreitungsumgebung vornehmen. Während der Messungen werden die Tx-Rx-Systeme an festen Positionen platziert und die Ausbreitungsumgebung bleibt so statisch wie möglich. Mit Hilfe von synthetisierten omnidirektionalen Verzögerungs-Leistungsprofilen soll untersucht werden, ob es eine Frequenzabhängigkeit in der Mehrwegeausbreitungsstatistik gibt, z.B. in der Verzögerung und der Winkelspreizung. (ii) Einfluss der Antennenrichtwirkung auf die Definition des Kanalmodells. Es werden Messungen des schnellen Schwunds durchgeführt, die ein Szenario emulieren, bei dem eine Funkverbindung über ein einzelnes Mehrwege-Cluster aufgebaut wird, das mit Antennen mit unterschiedlichen Strahlbreiten ausgeleuchtet wird. Das Hauptziel ist hier die Untersuchung des Einflusses der räumlichen Filterung auf den schnellen Schwund aufgrund der hohen Antennenrichtwirkung. Insbesondere wird die Auswirkung auf Variationen der Empfangssignalstärke und die Gültigkeit der Annahme der schmalbandigen Stationarität im weiteren Sinne (sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich) untersucht. (iii) Einfluss der Systembandbreite auf die Funkkanalmodellierung. Messungen des schnellen Schwunds werden verwendet, um Mehrwege-Cluster in einem Hörsaal-Szenario auszuleuchten. Das primäre Ziel ist es, den Einfluss einer hohen Systembandbreite auf die Variationen der Empfangssignalstärke, die Zufälligkeit des Kreuzpolarisationsverhältnisses und die Reichhaltigkeit der Mehrwegstreuung zu untersuchen. Basierend auf der Charakterisierung realistischer Funkkanäle führen die in dieser Dissertation vorgestellten Ergebnisse zu dem Verständnis, dass beim Übergang zu höheren Frequenzen die Frequenz x selbst keine signifikante Rolle bei der Definition der Kanalmodellierungsmethodik spielt. Vielmehr ist es von grundlegender Bedeutung, wie ein Ausbreitungskanal ausgeleuchtet wird. Daher zeigt sich, dass mmWave-Systemeigenschaften wie eine hohe Antennenrichtcharakteristik und Systembandbreite einen hohen Einfluss auf die Definition des Kanalmodells haben. Im Allgemeinen ist die Skalierung der Schwundtiefe als Funktion der Systembandbreite ziemlich gut verstanden. Wir zeigen, dass die hohe Antennenrichtwirkung von mmWave-Systemen zu einer weiteren Reduzierung der Schwundtiefe führt. Zusätzlich erforschen wir einige neue Richtungen in diesem Forschungsbereich, die auf der Analyse der Statistik zweiter Ordnung des Kanalimpulsantwort-Vektors basieren. Unsere Ergebnisse unterstreichen, dass die Schwund-Statistiken der auflösbaren Kanalabgriffe in einem mmWave-Funkkanal nicht als Rayleigh-Rice-verteilte Zufallsvariablen modelliert werden können. Dies liegt vor allem daran, dass durch die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen Kanäle mit spärlichen Streubedingungen ausgeleuchtet werden. Folglich ist die Annahme komplexer Gaus’scher Zufallsvariablen, die mit Rayleigh-Rice Schwundverteilungen verbunden ist, nicht mehr gültig. Des Weiteren wird gezeigt, dass die hohe Antennenrichtwirkung und Bandbreite von mmWave-Systemen auch die Gültigkeit der Annahme von Stationarität im weiteren Sinne im Slow-Time-Bereich von mmWave-Funkkanälen in Frage stellt. Die in diesem Beitrag vorgestellten Ergebnisse sind neuartig und bieten theoretisch konsistente Einblicke in den gemessenen Funkkanal.
https://doi.org/10.22032/dbt.56740
Enhanced solutions for the block-term decomposition in rank-(Lr, Lr, 1) terms. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 71 (2023), S. 2608-2621
The block-term decompositions (BTD) represent tensors as a linear combination of low multilinear rank terms and can be explicitly related to the Canonical Polyadic decomposition (CPD). In this paper, we introduce the SECSI-BTD framework, which exploits the connection between two decompositions to estimate the block-terms of the rank-(Lr, Lr, 1) BTD. The proposed SECSI-BTD algorithm includes the initial calculation of the factor estimates using the SEmi-algebraic framework for approximate Canonical polyadic decompositions via SImultaneous Matrix Diagonalizations (SECSI), followed by clustering and refinement procedures that return the appropriate rank-(Lr, Lr, 1) BTD terms. Moreover, we introduce a new approach to estimate the multilinear rank structure of the tensor based on the HOSVD and $k$-means clustering. Since the proposed SECSI-BTD algorithm does not require a known rank structure but can still take advantage of the known ranks when available, it is more flexible than the existing techniques in the literature. Additionally, our algorithm does not require multiple initializations, and the simulation results show that it provides more accurate results and a better convergence behavior for an extensive range of SNRs.
https://doi.org/10.1109/TSP.2023.3289730
Optimum access-point constellation for indoor time difference of arrival positioning. - In: 2023 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), (2023), S. 1234-1240
The availability of ubiquitous location services is a highly desirable feature for many upcoming applications in the realm of the Internet of Things (IoT), including asset tracking, navigation services especially in indoor environments such as shopping centers, or emergency people tracking in schools, hospitals, and prisons. While outdoor positioning is perfectly covered by Global Navigation Satellite Systems (GNSS), indoor positioning services, except for a few pioneer projects, did not hit the mainstream yet. At first, this is surprising, as the underlying technology has been known for years and solutions already exist based on WiFi or Bluetooth beacons. A major problem is, that the locations of those beacons need to be highly tailored to the specific indoor floorplan for high positioning accuracies, which directly contradicts the need for a cheap installment. Picking up this challenge, we present a methodology for fast optimization of access point locations in indoor environments, maximizing coverage and positioning accuracy that will facilitate a broad deployment of indoor positioning systems.
https://doi.org/10.1109/PLANS53410.2023.10140137
Structured Nyquist correlation reconstruction for DOA estimation with sparse arrays. - In: IEEE transactions on signal processing, ISSN 1941-0476, Bd. 71 (2023), S. 1849-1862
Sparse arrays are known to achieve an increased number of degrees-of-freedom (DOFs) for direction-of-arrival (DOA) estimation, where an augmented virtual uniform array calculated from the correlations of sub-Nyquist spatial samples is processed to retrieve the angles unambiguously. Nevertheless, the geometry of the derived virtual array is dominated by the specific physical array configurations, as well as the deviation caused by the practical unforeseen circumstances such as detection malfunction and missing data, resulting in a quite sensitive model for virtual array signal processing. In this paper, we propose a novel sparse array DOA estimation algorithm via structured correlation reconstruction, where the Nyquist spatial filling is implemented on the physical array with a compressed transformation related to its equivalent filled array to guarantee the general applicability. While the unknown correlations located in the whole rows and columns of the augmented covariance matrix lead to the fact that strong incoherence property is no longer satisfied for matrix completion, the structural information is introduced as a priori to formulate the structured correlation reconstruction problem for matrix reconstruction. As such, the reconstructed covariance matrix can be effectively processed with full utilization of the achievable DOFs from the virtual array, but with a more flexible constraint on the array configuration. The described estimation problem is theoretically analyzed by deriving the corresponding Cramér-Rao bound (CRB). Moreover, we compare the derived CRB with the performance of the virtual array interpolation-based algorithm. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm in terms of DOFs, resolution, and estimation accuracy.
https://doi.org/10.1109/TSP.2023.3251110
Twenty-five years of sensor array and multichannel signal processing: a review of progress to date and potential research directions. - In: IEEE signal processing magazine, ISSN 1558-0792, Bd. 40 (2023), 4, S. 80-91
In this article, a general introduction to the area of sensor array and multichannel signal processing is provided, including associated activities of the IEEE Signal Processing Society (SPS) Sensor Array and Multichannel (SAM) Technical Committee (TC). The main technological advances in five SAM subareas made in the past 25 years are then presented in detail, including beamforming, direction-of-arrival (DOA) estimation, sensor location optimization, target/source localization based on sensor arrays, and multiple-input multiple-output (MIMO) arrays. Six recent developments are also provided at the end to indicate possible promising directions for future SAM research, which are graph signal processing (GSP) for sensor networks; tensor-based array signal processing, quaternion-valued array signal processing, 1-bit and noncoherent sensor array signal processing, machine learning and artificial intelligence (AI) for sensor arrays; and array signal processing for next-generation communication systems.
https://doi.org/10.1109/MSP.2023.3258060
Space-time adaptive processing as a solution for mitigating interference using spatially-distributed antenna arrays. - In: Navigation, ISSN 2161-4296, Bd. 70 (2023), 3, navi.592, insges. 23 S.
Antenna arrays and spatial processing techniques are among the most effective countermeasures against interference. Here, we demonstrate a new array concept consisting of spatially-distributed subarrays that are small enough to fit inside the non-metallic parts of an automobile. This will facilitate concealed installation of these devices in bumpers or side mirrors, which is a strict requirement of the industry and preferred by the customers. Using beamforming algorithms, this array was proven to be robust against jammers in the L1 band. The large distances between the individual antenna elements resulted in a non-negligible baseband delay that violated the narrowband assumption and increased with bandwidth. Hence, this paper demonstrates the influence of a jammer in the L5 band. Space-time adaptive processing that allows for compensation of the delays was introduced and analyzed. Improvements in interference mitigation capabilities were assessed and compared to those of pure spatial state-of-the-art implementation. Real-life measurement data was used to ensure realistic results.
https://doi.org/10.33012/navi.592
Emulation of realistic satellite constellations for GNSS receiver testing in virtual environment. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.
Automotive navigation is key for modern traffic, which necessitates robust satellite navigation receivers. Distributed antenna arrays can be advantageous with their beam-and null-steering capabilities, however, testing them in the field is resource-intensive and non-repeatable. Therefore, evaluating them in virtual electromagnetic environments is reasonable prior to scheduling field-operational tests. Thereby the challenge arises that the angles-of-arrival of satellite signals deviate from those of their corresponding antennas due to the fixed orbital rotation of satellites and mechanical limitations of physical antenna placements. This discrepancy creates an unrealistic satellite constellation, eventually affecting directions-of-arrival estimation of incident signals which is crucial for interferer suppression. A Matlab tool was implemented to locate satellites near desired transmitter positions and numerically alter their orbital parameters to minimize their angular deviation from respective transmitters. Employing the tool, a realistic virtual satellite constellation with less than 1 degree deviation was emulated and experimentally verified for the test facility.
https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133419
Exposure change at two mobile radio base stations due to upgrading with 5G. - In: 17th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2023), (2023), insges. 5 S.
Radio frequency exposure measurements in the surroundings of two mobile radio base stations were performed before and after their upgrade to 5G to investigate exposure changes. The measurements were carried out in an urban environment in Berlin, and a 5G Dynamic Spectrum Sharing (DSS) base station and a 5G massive MIMO base station were investigated. At the first base station, a previous UMTS system was replaced by a DSS system (LTE and 5G share common resources) with unchanged total transmission power. The maximum possible exposure at five out of six measurement points remains unchanged within the measurement uncertainty. At the second base station under investigation, a 5G massive MIMO antenna technology was additionally installed to an existing mobile radio system. Here, maximum possible exposure increases of 6 to 11 dB occur at the investigated measurement points. A parallel recording of the 5G instantaneous exposure at the massive MIMO station shows that the exposure without provoking traffic load (signalization only) and at low traffic load exploits only 5-10% of the maximum exposure in terms of field strength.
https://doi.org/10.23919/EuCAP57121.2023.10133212