RF-Based User Localization for Intelligent Surfaces Communication Systems

Abstract

A localização de utilizadores é um problema com interesse crescente em telecomunicações. Muitas aplicações requerem algoritmos de posicionamento com uma precisão superior àquela fornecida por métodos de localização tradicionais, especialmente em ambientes interiores. O uso de grandes agregados de antenas, designados por Large Intelligent Surfaces (LIS), é uma das tecnologias recentemente propostas para o desenvolvimento de sistemas de comunicação Multiple-Input and Multiple-Output (MIMO) massivos que tem despertado grande interesse. O seu potencial para efetuar localização de utilizadores é enorme e foi recentemente investigado, mas essencialmente numa abordagem teórica. Este trabalho teve por objetivo o desenvolvimento de uma plataforma de simulação que permite avaliar o potencial das LISs na localização de utilizadores. Para além disso, são comparados diferentes métodos de localização e é apresentado uma análise das configurações (sistema LIS e algoritmos) que possa maximizar a precisão dos métodos de posicionamento. Tudo isto foi elaborado utilizando o software de simulação MATLAB, especificamente por meio do módulo de Raytracing da Communications Toolbox. Neste trabalho é mostrado que o algoritmo de triangulação, que explora as propriedades de agregado de antenas da LIS, consegue com sucesso efetuar localização de utilizadores em cenários de ambientes interiores; sendo ainda resiliente a distorções resultantes da reflexão de sinais e do ruído ambiente. O mesmo não acontece com o algoritmo de trilateração, que sofre o efeito desses dois fenômenos, verificando-se uma degradação severa do seu desempenho. É ainda feita uma proposta de configuração dos parâmetros do algoritmo de estimação do ângulo incidente que permitem aliviar o peso computacional dos métodos de localização num sistema prático.

User localization is a problem with an ever growing interest in telecommunications. Many applications require user positioning algorithms with a precision which cannot be provided by traditional localization algorithms, specially in indoor scenarios. Concurrently, Large Intelligent Surfaces (LISs), which are very large aggregates of antennas, have arisen in recent years as a massive Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO) solution for communications. The potential for LISs to perform user localization has been recently investigated, but still mostly in a purely theoretical manner. This work developed a simulation testbed which can prove the potential of LISs for user localization in an indoor scenario. Additionally, it also compares different localization methods and their configurations in order to maximize the accuracy of the positioning algorithms. This was done through the use of the MATLAB software, specifically through the use of Raytracing via the Communications Toolbox. It was shown that the triangulation algorithm, which explores the LIS’ array properties, can successfully perform user localization in an indoor scenario; while also being resilient to signal reflections and environmental noise. Meanwhile, the trilateration algorithm suffers from these two latter problems and has its performance degraded heavily. Additionally, some parameter configurations were suggested for the angle estimation algorithms which can help alleviate the total computational cost of a practical system.