Estimation of Radio Channel Parameters

Kurzfassung Diese Dissertation behandelt die Schätzung der Modellparameter einer Momentanaufnahme des Mobilfunkkanals. Das besondere Augenmerk liegt zum einen auf der Entwicklung eines generischen Datenmodells für den gemessenen Funkkanal, welches für die hochauflösende Parameterschätzung geeignet ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines robusten Parameterschätzers für die Bestimmung der Parameter des entworfenen Modells aus Funkkanalmessdaten. Entsprechend dieser logischen Abfolge ist auch der Aufbau dieser Arbeit. Im ersten Teil wird ausgehend von einem aus der Literatur bekannten strahlenoptischen Modell eine algebraisch handhabbare Darstellung von beobachteten Wellenausbreitungspfaden entwickelt. Das mathematische Modell erlaubt die Beschreibung von SISO (single-input-single-output)- Übertragungssystemen, also von Systemen mit einer Sendeantenne und einer Empfangsantenne, als auch die Beschreibung von solchen Systemen mit mehreren Sende- und/oder Empfangsantennen. Diese Systeme werden im Allgemeinen auch als SIMO- (single-input-multiple-output), MISO- (multiple-input-single-output) oder MIMO-Systeme (multiple-input-multiple-output) bezeichnet. Im Gegensatz zu bekannten Konzepten enthält das entwickelte Modell keine Restriktionen bezüglich der modellierbaren Antennenarrayarchitekturen. Dies ist besonders wichtig in Hinblick auf die möglichst vollständige Erfassung der räumlichen Struktur des Funkkanals. Die Flexibilität des Modells ist eine Grundvoraussetzung für die optimale Anpassung der Antennenstruktur an die Messaufgabe. Eine solche angepasste Antennenarraystruktur ist zum Beispiel eine zylindrische Anordnung von Antennenelementen. Sie ist gut geeignet für die Erfassung der räumlichen Struktur des Funkkanals (Azimut und Elevation) in so genannten Outdoor- Funkszenarien. Weiterhin wird im ersten Teil eine neue Komponente des Funkkanaldatenmodells eingeführt, welche den Beitrag verteilter (diffuser) Streuungen zur Funkübertragung beschreibt. Die neue Modellkomponente spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung eines robusten Parameterschätzers im Hauptteil dieser Arbeit. Die fehlende Modellierung der verteilten Streuungen ist eine der Hauptursachen für die begrenzte Anwendbarkeit und die oft kritisierte fehlende Robustheit von hochauflösenden Funkkanalparameterschätzern, die in der Literatur etabliert sind. Das neue Datenmodell beschreibt die so genannten dominanten Ausbreitungspfade durch eine deterministische Abbildung der Pfadparameter auf den gemessenen Funkkanal. Der Beitrag der verteilten Streuungen wird mit Hilfe eines zirkularen mittelwertfreien Gaußschen Prozesses beschrieben. Die Modellparameter der verteilten Streuungen beschreiben dabei die Kovarianzmatrix dieses Prozesses. Basierend auf dem entwickelten Datenmodell wird im Anschluss kurz über aktuelle Konzepte für Funkkanalmessgeräte, so genannte Channel-Sounder, diskutiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden in erster Linie Ausdrücke zur Bestimmung der erzielbaren Messgenauigkeit eines Channel-Sounders abgeleitet. Zu diesem Zweck wird die untere Schranke für die Varianz der geschätzten Modellparameter, das heißt der Messwerte, bestimmt. Als Grundlage für die Varianzabschätzung wird das aus der Parameterschätztheorie bekannte Konzept der Cramér-Rao-Schranke angewandt. Im Rahmen der Ableitung der Cramér-Rao-Schranke werden außerdem wichtige Gesichtspunkte für die Entwicklung eines effizienten Parameterschätzers diskutiert. Im dritten Teil der Arbeit wird ein Schätzer für die Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter nach dem Maximum-Likelihood-Prinzip entworfen. Nach einer kurzen Übersicht über existierende Konzepte zur hochauflösenden Funkkanalparameterschätzung wird die vorliegende Schätzaufgabe analysiert und in Hinsicht ihres Typs klassifiziert. Unter der Voraussetzung, dass die Parameter der verteilten Streuungen bekannt sind, lässt sich zeigen, daß sich die Schätzung der Parameter der Ausbreitungspfade als ein nichtlineares gewichtetes kleinstes Fehlerquadratproblem auffassen lässt. Basierend auf dieser Erkenntnis wird ein generischer Algorithmus zur Bestimmung einer globalen Startlösung für die Parameter eines Ausbreitungspfades vorgeschlagen. Hierbei wird von dem Konzept der Structure-Least-Squares (SLS)-Probleme Gebrauch gemacht, um die Komplexität des Schätzproblems zu reduzieren. Im folgenden Teil dieses Abschnitts wird basierend auf aus der Literatur bekannten robusten numerischen Algorithmen ein Schätzer zur genauen Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter abgeleitet. Im letzten Teil dieses Abschnitts wird die Anwendung unterraumbasierter Schätzer zur Bestimmung der Ausbreitungspfadparameter diskutiert. Es wird ein speichereffizienter Algorithmus zur Signalraumschätzung entwickelt. Dieser Algorithmus ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung von mehrdimensionalen Parameterschätzern wie zum Beispiel des R-D unitary ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) zur Bestimmung von Funkkanalparametern aus MIMO-Funkkanalmessungen. Traditionelle Verfahren zur Signalraumschätzung sind hier im Allgemeinen nicht anwendbar, da sie einen zu großen Speicheraufwand erfordern. Außerdem wird in diesem Teil gezeigt, dass ESPRIT-Algorithmen auch zur Parameterschätzung von Daten mit so genannter versteckter Rotations-Invarianzstruktur eingesetzt werden können. Als Beispiel wird ein ESPRIT-basierter Algorithmus zur Richtungsschätzung in Verbindung mit multibeam-Antennenarrays (CUBA) abgeleitet. Im letzten Teil dieser Arbeit wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer für die neue Komponente des Funkkanals, welche die verteilten Streuungen beschreibt, entworfen. Ausgehend vom Konzept des iterativen Maximum-Likelihood-Schätzers wird ein Algorithmus entwickelt, der hinreichend geringe numerische Komplexität besitzt, so dass er praktisch anwendbar ist. In erster Linie wird dabei von der Toeplitzstruktur der zu schätzenden Kovarianzmatrix Gebrauch gemacht. Aufbauend auf dem Schätzer für die Parameter der Ausbreitungspfade und dem Schätzer für die Parameter der verteilten Streuungen wird ein Maximum-Likelihood-Schätzer entwickelt (RIMAX), der alle Parameter des in Teil I entwickelten Modells der Funkanalmessung im Verbund schätzt. Neben den geschätzten Parametern des Datenmodells liefert der Schätzer zusätzlich Zuverlässigkeitsinformationen. Diese werden unter anderem zur Bestimmung der Modellordnung, das heißt zur Bestimmung der Anzahl der dominanten Ausbreitungspfade, herangezogen. Außerdem stellen die Zuverlässigkeitsinformationen aber auch ein wichtiges Schätzergebnis dar. Die Zuverlässigkeitsinformationen machen die weitere Verarbeitung und Wertung der Messergebnisse möglich.The theme of this thesis is the estimation of model parameters of a radio channel snapshot. The main focus was the development of a general data model for the measured radio channel, suitable for both high resolution channel parameter estimation on the one hand, and the development of a robust parameter estimator for the parameters of the designed parametric radio channel model, in line with this logical work flow is this thesis. In the first part of this work an algebraic representation of observed propagation paths is developed using a ray-optical model known from literature. The algebraic framework is suitable for the description of SISO (single-input-single-output) radio transmission systems. A SISO system uses one antenna as the transmitter (Tx) and one antenna as the receiver (Rx). The derived expression for the propagation paths is also suitable to describe SIMO (single-input-multiple-output), MISO (multiple-input-single-output), and MIMO (multiple-input-multiple-output) radio channel measurements. In contrast to other models used for high resolution channel parameter estimation the derived model makes no restriction regarding the structure of the antenna array used throughout the measurement. This is important since the ultimate goal in radio channel sounding is the complete description of the spatial (angular) structure of the radio channel at Tx and Rx. The flexibility of the data model is a prerequisite for the optimisation of the antenna array structure with respect to the measurement task. Such an optimised antenna structure is a stacked uniform circular beam array, i.e., a cylindrical arrangement of antenna elements. This antenna array configuration is well suited for the measurement of the spatial structure of the radio channel at Tx and/or Rx in outdoor-scenarios. Furthermore, a new component of the radio channel model is introduced in the first part of this work. It describes the contribution of distributed (diffuse) scattering to the radio transmission. The new component is key for the development of a robust radio channel parameter estimator, which is derived in the main part of this work. The ignorance of the contribution of distributed scattering to radio propagation is one of the main reasons why high-resolution radio channel parameter estimators fail in practice. Since the underlying data model is wrong the estimators produce erroneous results. The improved model describes the so called dominant propagation paths by a deterministic mapping of the propagation path parameters to the channel observation. The contribution of the distributed scattering is modelled as a zero-mean circular Gaussian process. The parameters of the distributed scattering process determine the structure of the covariance matrix of this process. Based on this data model current concepts for radio channel sounding devices are discussed. In the second part of this work expressions for the accuracy achievable by a radio channel sounder are derived. To this end the lower bound on the variance of the measurements i.e. the parameter estimates is derived. As a basis for this evaluation the concept of the Cramér-Rao lower bound is employed. On the way to the Cramér-Rao lower bound for all channel model parameters, important issues for the development of an appropriate parameter estimator are discussed. Among other things the coupling of model parameters is also discussed. In the third part of this thesis, an estimator, for the propagation path parameters is derived. For the estimator the 'maximum-likelihood' approach is employed. After a short overview of existing high-resolution channel parameter estimators the estimation problem is classified. It is shown, that the estimation of the parameters of the propagation paths can be understood as a nonlinear weighted least squares problem, provided the parameters of the distributed scattering process are known. Based on this observation a general algorithm for the estimation of raw parameters for the observed propagation paths is developed. The algorithm uses the concept of structured-least-squares (SLS) and compressed maximum likelihood to reduce the numerical complexity of the estimation problem. A robust estimator for the precise estimation of the propagation path parameters is derived. The estimator is based on concepts well known from nonlinear local optimisation theory. In the last part of this chapter the application of subspace based parameter estimation algorithms for path parameter estimation is discussed. A memory efficient estimator for the signal subspace needed by, e.g., R-D unitary ESPRIT is derived. This algorithm is a prerequisite for the application of signal subspace based algorithms to MIMO-channel sounding measurements. Standard algorithms for signal subspace estimation (economy size SVD, singular value decomposition) are not suitable since they require an amount of memory which is too large. Furthermore, it is shown that ESPRIT (Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) based algorithms can also be employed for parameter estimation from data having hidden rotation invariance structure. As an example an ESPRIT algorithm for angle estimation using circular uniform beam arrays (circular multi-beam antennas) is derived. In the final part of this work a maximum likelihood estimator for the new component of the channel model is developed. Starting with the concept of iterative maximum likelihood estimation, an algorithm is developed having a low computational complexity. The low complexity of the algorithm is achieved by exploiting the Toeplitz-structure of the covariance matrix to estimate. Using the estimator for the (concentrated, dominant, specular-alike) propagation paths and the parametric estimator for the covariance matrix of the process describing the distributed diffuse scattering a joint estimator for all channel parameter is derived (RIMAX). The estimator is a 'maximum likelihood' estimator and uses the genuine SAGE concept to reduce the computational complexity. The estimator provides additional information about the reliability of the estimated channel parameters. This reliability information is used to determine an appropriate model for the observation. Furthermore, the reliability information i.e. the estimate of the covariance matrix of all parameter estimates is also an important parameter estimation result. This information is a prerequisite for further processing and evaluation of the measured channel parameters

On Improvement of Proportionate Adaptive Algorithms for Sparse Impulse Response

高知工科大学博士(工学) 平成21年9月30日授与 (甲第168号

Control of an indoor autonomous mobile communications relay via antenna diversity

Presented in this thesis is a motion planning scheme for enabling a quadrotor unmanned aerial vehicle (UAV) to serve as an autonomous communications relay in indoor or GPS-denied environments. The goal of the algorithm is to maximize the throughput of the end-to-end communications channel. An extremum-seeking controller steers the quadrotor while collision avoidance is provided by artificial potential fields. Extremum-seeking is model-free adaptive control method; it\u27s applicable in situations where there is a nonlinearity in the control problem and the nonlinearity has a local minimum or maximum. The extremum-seeking controller presented here is driven by antenna diversity and attempts to optimize the inputs to an unknown, time-varying cost function characterized by the RF environment. Each of the multiple antennas onboard the quadrotor receives the same incoming packets and provides associated signal strength measurements. The extremum-seeking controller then uses these measurements to autonomously fly the quadrotor communications relay to an optimal location so as to maximize throughput, all without positioning data. This work is motivated by the need to extend the operating ranges of robots in complex urban and indoor environments. The algorithm and necessary technical background are presented in detail. Simulations results verify the validity of the proposed extremum-seeking approach. Experiments demonstrate the feasability of implementing the extremum-seeking controller with tangible hardware

Resource management techniques for sustainable networks with energy harvesting nodes

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit Enginyeria de les TICThis dissertation proposes novel techniques for assigning resources of wireless networks by considering that the coverage radii are small, implying that some power consumption sinks not considered so far shouldnow be introduced, and by considering that the devices are battery-powered terminals provided with energy harvesting capabilities. In this framework, two different configurations in terms of harvesting capabilities are considered. First, we assume that the energy source is external and not controllable, e.g. solar energy. In this context, the proposed design should adapt to the energy that is currently being harvested. We also study the effect of having a finite backhaul connection that links the wireless access network with the core network. On the other hand, we propose a design in which the transmitter feeds actively the receivers with energy by transmitting signals that receivers use for recharging their batteries. In this case, the power transfer design should be carried out jointly with the power control strategy for users that receive information as both procedures, transfer of information and transfer of power, are implemented at the transmitter and make use of a common resource, i.e., power. Apart from techniques for assigning the radio resources, this dissertation develops a procedure for switching on and off base stations. Concerning this, it is important to notice that the traffic profile is not constant throughout the day. This is precisely the feature that can be exploited to define a strategy based on a dynamic selection of the base stations to be switched off when the traffic load is low, without affecting the quality experienced by the users. Thanks to this procedure, we are able to deploy smaller energy harvesting sources and smaller batteries and, thus, to reduce the cost of the network deployment. Finally, we derive some procedures to optimize high level decisions of the network operation in which variables from several layers of the protocol stack are involved. In this context, admission control procedures for deciding which user should be connected to which base station are studied, taking into account information of the average channel information, the current battery levels, etc. A multi-tier multi-cell scenario is assumed in which base stations belonging to different tiers have different capabilities, e.g., transmission power, battery size, end energy harvesting source size. A set of strategies that require different computational complexity are derived for scenarios with different user mobility requirements.Aquesta tesis doctoral proposa tècniques per assignar els recursos disponibles a les xarxes wireless considerant que els radis de cobertura són petits, el que implica que altres fonts de consum d’energia no considerades fins al moment s’hagin d’introduir dins els dissenys, i considerant que els dispositius estan alimentats amb bateries finites i que tenen a la seva disposició fonts de energy harvesting. En aquest context, es consideren dues configuracions diferents en funció de les capacitats de l’energia harvesting. En primer lloc, s’assumirà que la font d’energia és externa i incontrolable com, per exemple, l’energia solar. Els dissenys proposats han d’adaptar-se a l’energia que s’està recol·lectant en un precís moment. En segon lloc, es proposa un disseny en el qual el transmissor és capaç d’enviar energia als receptors mitjançant senyals de radiofreqüència dissenyats per aquest fi, energia que és utilitzada per recarregar les bateries. A part de tècniques d’assignació de recursos radio, en aquesta tesis doctoral es desenvolupa un procediment dinàmic per apagar i encendre estacions base. És important notar que el perfil de tràfic no és constant al llarg del dia. Aquest és precisament el patró que es pot explotar per definir una estratègia dinàmica per poder decidir quines estaciones base han de ser apagades, tot això sense afectar la qualitat experimentada pels usuaris. Gràcies a aquest procediment, es possible desplegar fonts d'energy harvesting més petites i bateries més petites. Finalment, aquesta tesis doctoral presenta procediments per optimitzar decisions de nivell més alt que afecten directament al funcionament global de la xarxa d’accés. Per prendre aquestes decisions, es fa ús de diverses variables que pertanyen a diferents capes de la pila de protocols. En aquest context, aquesta tesis aborda el disseny de tècniques de control d’admissió d’usuaris a estacions base en entorns amb múltiples estacions base, basant-se amb la informació estadística dels canals, i el nivell actual de les bateries, entre altres. L'escenari considerat està format per múltiples estacions base, on cada estació base pertany a una família amb diferents capacitats, per exemple, potència de transmissió o mida de la bateria. Es deriven un conjunt de tècniques amb diferents costos computacionals que són d'utilitat per a poder aplicar a escenaris amb diferents mobilitats d’usuaris.Award-winningPostprint (published version