Fonctions conjointes de localisation et de communication dans les réseaux 5G en bandes millimétriques

Joint localization and communication in 5G millimeter wave networks

• Auteur / Autrice : Remun Koirala
• Direction : Bernard Uguen, Davide Dardari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 24/01/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1 en cotutelle avec Università degli studi (Bologne, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes millimétriques

Technologie 5G

Mots clés libres

5G

Bandes millimétriques

Localisation

Communication

Formation de faisceau

Partage de ressources

5G

Millimeter wave

Localization

Communication

Beamforming

Resource sharing

Résumé

Dans ce travail de thèse, on se proposait d’explorer les synergies inhérentes entre services de radiolocalisation et de communication au sein de systèmes sans fil en bandes millimétriques (mm-Wave). Ces derniers sont actuellement pressentis pour couvrir les besoins de la cinquième génération (5G) de réseaux en termes de débits et de charges utiles. Un objectif général consistait alors à montrer comment ces deux fonctions pouvaient s’avérer mutuellement bénéfiques. Tout d'abord, nous avons étudié comment la formation de faisceau (au sens du pré-codage) pouvait contribuer à améliorer les performances de localisation, pour des systèmes multi-porteuses mono- et multi-utilisateurs. En particulier, en s’appuyant sur les performances théoriques de localisation au sens de la limite inférieure de Cramér-Rao (CRLB), nous avons montré qu'il était possible, au moyen d’une formation de faisceau optimisée, d’améliorer l'estimation de variables radio intermédiaires, telles que le délai, l'angle de départ (AoD) et/ou l'angle d'arrivée (AoA) du signal transmis, et in fine, l’estimation de la position et/ou de l’orientation du mobile. Nous avons ensuite considéré le problème de la coexistence des deux services, en envisageant différentes stratégies de budgétisation et de partage de ressources, en temps et en fréquence. A cette occasion, nous avons illustré la présence de compromis non-triviaux entre les performances de localisation et de communication. Nous avons alors proposé des schémas d’allocation de ressources et d’optimisation des faisceaux (en termes de largeur et/ou d’alignement), permettant d’assurer conjointement le meilleur niveau de performances pour les deux services. Nous avons enfin étudié la possibilité d’exploiter explicitement l’information de localisation ainsi acquise, en particulier pour l'accès initial, l’estimation de canaux multi-trajets, ou encore la localisation et la cartographie simultanées (SLAM). En comparaison d’approches plus conventionnelles, nous avons montré comment les performances de telles applications pouvaient être améliorées en termes de précision, de latence et/ou de complexité calculatoire.

In this thesis, we investigate different facets of localization and communication services motivated by the symbiosis between them in the millimeter wave (mm-Wave) context for the fifth generation (5G) of wireless communications. Our aim is twofold: first, show that this duality is mutually beneficial to both services, and second, aim towards a co-existence to capture these benefits in order to bring forth mm-Wave as a strong contender for 5G. First, we look into how beamforming, an integral part of mm-Wave communications, can aid in improving the localization performance. After characterizing the localization performance in terms of Cramer-Rao lower bound (CRLB), we show that with optimized beamforming, the estimation of localization variables (delay, angle of departure (AoD) and angle of arrival (AoA)) improves. Then we consider the problem of co-existence of the two services together in the same system while sharing time and frequency resources. We study the non-trivial trade-off between the performances of the two services during this resource budgeting. Then, relying on this trade-off, we design an optimal resource allocation scheme while also optimizing the beamwidth in order to ascertain high performance in terms of both localization and communication. In the same context, we also look into different applications of this improved location information namely initial access, channel estimation and simultaneous localization and communication (SLAM). We show that the related performances improve in terms of quality, latency and/or complexity in comparison to the conventional methods.