Interest in joint communication and positioning is steadily increasing because the combination
of both techniques offers a wide range of advantages. On the one hand, synergy effects
between communication and positioning like enhanced resource allocation can be exploited.
On the other hand, new applications are enabled. Examples comprise a wide area of interest
and include the automated localisation of emergency calls, tracking and guiding fire fighters or
policemen on a mission, monitoring people with special needs in a hospital or a nursing home,
asset tracking, location-based services and so forth. However, it is a challenging task to combine
communication and positioning because their prerequisites are quite different. On the one
hand, high data rates with little training overhead and low bit error rate are desirable for communication.
On the other hand, localisation aims at precise position estimates. Much training
is typically spent for that purpose. Given a single transmit signal supporting communication as
well as positioning, it is very difficult to fulfil all requirements at the same time. Hence, a flexible
configuration is desirable for a joint communication and positioning system with a unified signal
structure in order to adjust the tradeoff between both parts to the instantaneous needs.
In this thesis, a new system concept for joint communication and positioning with a unified signal
structure is proposed and investigated. The system concept is based on interleave-division
multiplexing (IDM) in combination with pilot layer aided channel estimation (PLACE) and multilateration
via the time of arrival (TOA). On the one hand, IDM seems to be a suitable candidate
for a joint communication and positioning system because of its flexible but simple transmitter
structure. On the other hand, multilateration via the TOA enables precise localisation. The
connection between the communication and the positioning part is accomplished via an enhanced
PLACE unit. Through the incorporation of a channel parameter estimator, not only the
channel coefficients of the equivalent discrete-time channel model, that are needed for data
detection, but also parameters of the physical channel, that are required for positioning, can
be estimated. A priori information about pulse shaping and receive filtering is exploited for that
purpose.
The main aim of this thesis is to show the feasibility of the proposed joint communication and
positioning system. Hence, a fundamental system setup is analysed systematically. Since many
applications of joint communication and positioning are located in urban or indoor environments,
a very high positioning accuracy in the centimetre region is desirable. Unfortunately,
positioning is most challenging in these environments due to severe multipath propagation. In
order to achieve the required accuracies, the positioning part of the proposed system concept
can be complemented by other localisation sources like GPS/Galileo and/or motion sensors via
sensor fusion. However, the stand-alone performance of the proposed joint communication and
positioning system is evaluated by means of Monte Carlo simulations in this thesis. The achieved
results are compared to performance limits in terms of Cramer-Rao lower bounds. In order
to improve the overall system performance and to enable sensor fusion, soft information with
respect to the parameter as well as the position estimates is taken into account. The accuracy
of the soft information is analysed with the help of curvature measures. Altogether, promising
results are obtained.Das Interesse an gemeinsamer Kommunikation und Positionierung nimmt aufgrund vieler Vorteile
stetig zu: Durch die Kombination beider Techniken können Synergieeffekte wie beispielsweise
eine verbesserte Ressourcenverteilung ausgenutzt werden. Des Weiteren werden neue
Anwendungen in den unterschiedlichsten Bereichen ermöglicht: Notrufe können automatisch
lokalisiert werden, Feuerwehrmänner und Polizisten im Einsatz können durch eine Verfolgung
ihrer Position und gegebenenfalls eine Überwachung ihrer Vitalwerte besser angeleitet und
koordiniert werden, Patienten mit speziellen Bedürfnissen in Krankenhäusern können durch
ein effizientes Monitoring besser versorgt werden, Ein- und Auslagerungsprozesse in Warenhäusern können erleichtert werden, positionsbezogene Dienste können realisiert werden
und vieles anderes mehr. Aufgrund der verschiedenen Anforderungen von Kommunikations- und
Positionierungsdiensten ist es schwierig, diese beiden Bereiche zu vereinen. Einerseits
sollen große Datenraten mit geringem Trainingsaufwand als auch geringen Bitfehlerraten erreicht
werden. Andererseits ist eine hohe Positionierungsgenauigkeit erwünscht, die einen
großen Trainingsaufwand erfordert. In einem Systementwurf mit einer einheitlichen Signalstruktur
ist es schwer, alle Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Daher ist ein flexibler Systementwurf
von Vorteil, um den Abtausch zwischen Kommunikation und Positionierung an die
aktuellen Bedürfnisse anpassen zu können.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem
mit einer einheitlichen Signalstruktur vorgeschlagen und untersucht. Der Systementwurf
basiert auf Interleave-Division Multiplexing (IDM) in Kombination mit einer Pilotlayer basierten
Kanalschätzung und Multilateration mit Hilfe der Signalankunftszeit, im Folgenden Time
of Arrival (TOA) genannt. Einerseits ist IDM aufgrund seiner flexiblen, jedoch einfachen Senderstruktur
gut für ein gemeinsames Kommunikations- und Positionierungssystem geeignet. Andererseits
ermöglicht eine Multilateration mit Hilfe der TOA hohe Positionierungsgenauigkeiten.
Die Verbindung zwischen beiden Komponenten wird durch eine erweiterte Pilotlayer basierte
Kanalschätzung erreicht: Durch die Verwendung eines Kanalparameterschätzers können sowohl
die Kanalkoeffizienten des äquivalenten zeitdiskreten Ersatzkanalmodells, die für die Datendetektion
benötigt werden, als auch Parameter des physikalischen Kanals, die für die Lokalisierung
erforderlich sind, geschätzt werden. A priori Information bezüglich des Pulsformungs- und
Empfangsfilters werden hierfür ausgenutzt.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Realisierbarkeit des vorgeschlagenen gemeinsamen
Kommunikations- und Positionierungssystems zu zeigen. Daher wird ein grundlegender Systementwurf
systematisch analysiert. Da viele Anwendungen von gemeinsamer Kommunikation
und Positionierung innerhalb von Städten oder Gebäuden angesiedelt sind, ist eine sehr hohe
Positionierungsgenauigkeit im Zentimeter-Bereich wünschenswert. Unglücklicherweise ist es in
diesen Gebieten aufgrund von starker Mehrwegeausbreitung besonders schwer, die Position
eines Objektes zu bestimmen. Allerdings kann die Positionierungskomponente durch andere
Lokalisierungsquellen wie beispielsweise GPS/Galileo und/oder Bewegungssensoren mittels
Sensorfusion ergänzt werden, um die erforderlichen Genauigkeiten zu erreichen. In Rahmen
dieser Arbeit wird jedoch nur die eigenständige Leistungsfähigkeit des vorgeschlagenen Systementwurfs
mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht. Die Simulationsergebnisse
werden mit Leistungsgrenzen in Form von Cramer-Rao Untergrenzen verglichen. Dabei wird
Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der geschätzten Parameter und der geschätzten Position
berücksichtigt, um die gesamte Systemleistung zu verbessern und Sensorfusion zu ermöglichen.
Die Genauigkeit der Zuverlässigkeitsinformation wird mit Hilfe von Krümmungsmaßen
analysiert. Insgesamt werden vielversprechende Ergebnisse erzielt