Modelling Aspects of Planar Multi-Mode Antennas for Direction-of-Arrival Estimation

Multi-mode antennas are an alternative to classical antenna arrays, and hence a promising emerging sensor technology for a vast variety of applications in the areas of array signal processing and digital communications. An unsolved problem is to describe the radiation pattern of multi-mode antennas in closed analytic form based on calibration measurements or on electromagnetic field (EMF) simulation data. As a solution, we investigate two modeling methods: One is based on the array interpolation technique (AIT), the other one on wavefield modeling (WM). Both methods are able to accurately interpolate quantized EMF data of a given multi-mode antenna, in our case a planar four-port antenna developed for the 6-8.5 GHz range. Since the modeling methods inherently depend on parameter sets, we investigate the influence of the parameter choice on the accuracy of both models. Furthermore, we evaluate the impact of modeling errors for coherent maximum-likelihood direction-of-arrival (DoA) estimation given different model parameters. Numerical results are presented for a single polarization component. Simulations reveal that the estimation bias introduced by model errors is subject to the chosen model parameters. Finally, we provide optimized sets of AIT and WM parameters for the multi-mode antenna under investigation. With these parameter sets, EMF data samples can be reproduced in interpolated form with high angular resolution

Array interpolation methods with applications in wireless sensor networks and global positioning systems

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, 2013.Nas últimas três décadas o estudo de técnicas de processamento de sinais em arranjos de sensores tem recebido grande atenção. Uma grande quantidade de técnicas foi desenvolvida com diversas finalidades como a estimação da direção de chegada, a filtragem ou separação espacial dos sinais recebidos, a estimação do atraso de propagação, a estimação da frequência Doppler e a pré-codificação de sinais na transmissão para maximização da potência recebida por outro arranjo. Técnicas para estimação da direção de chegada são de particular interesse para sistemas de posicionamento baseado em ondas de rádio, como os sistemas de posicionamento global e para o mapeamento de sensores em redes de sensores. Uma particularidade dessas aplicações é a necessidade de uma estimação em tempo real ou computacionalmente eficiente. Técnicas de estimação da direção de chegada que atendem esses requisitos requerem uma estrutura muito específica do arranjo de antenas que, em geral, não pode ser obtida em implementações reais. Nesse trabalho é apresentado um conjunto de técnicas que permitem a interpolação de sinais recebidos em arranjos de geometria arbitrária para arranjos de geometria específica, de forma eficiente e robusta, para possibilitar a aplicação de técnicas eficientes para estimação da direção de chegada em arranjos de geometria arbitrária. Como aplicações das técnicas propostas são apresentados o mapeamento preciso em redes de sensores e posicionamento preciso em receptores de sistemas de posicionamento global. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACTIn the last three decades the study of antenna array signal processing techniques has received significant attention. A large number of techniques have been developed with different purposes such as the estimation of the direction of arrival (DOA), filtering or spatial separation of received signals, estimation of time delay of arrival (TDOA), Doppler frequency estimation and precoding of transmitted signals to maximize the power received by a different array. DOA estimation techniques are of particular interest for positioning systems based on radio waves such as the global positioning system (GPS) and for sensor mapping in wireless sensor networks (WSNs). These applications have the particular requirement of demanding the estimations to be made in real time or with reduced computational complexity. DOA estimation techniques that fulfill these requirements demand very specific antenna array structures that cannot, in general, be obtained in real implementations. In this work a set of techniques is presented that allows the interpolation of signals received in arrays of arbitrary geometry into arrays of specific geometry efficiently and robustly to allow the application of efficient DOA estimation techniques in arrays of arbitrary geometry. As an application of the proposed techniques precise mapping for WSNs and precise positioning for GPS receivers is presented

Array processing techniques for direction of arrival estimation, communications, and localization in vehicular and wireless sensor networks

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018.Técnicas de processamentos de sinais para comunicações sem fio tem sido um tópico de interesse para pesquisas há mais de três décadas. De acordo com o padrão Release 9 desenvolvido pelo consorcio 3rd Generation Partnership Project (3GPP) sistemas utilizando múltiplas antenas foram adotados na quarta geração (4G) dos sistemas de comunicação sem fio, também conhecida em inglês como Long Term Evolution (LTE). Para a quinta geração (5G) dos sistemas de comunicação sem fio centenas de antenas devem ser incorporadas aos equipamentos, na arquitetura conhecida em inglês como massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO). A presença de múltiplas antenas provê benefícios como o ganho do arranjo, ganho de diversidade, ganho espacial e redução de interferência. Além disso, arranjos de antenas possibilitam a filtragem espacial e a estimação de parâmetros, ambos podem ser usados para se resolver problemas que antes não eram vistos pelo prisma de processamento de sinais. O objetivo dessa tese é superar a lacuna entre a teoria de processamento de sinais e as aplicações da mesma em problemas reais. Tradicionalmente, técnicas de processamento de sinais assumem a existência de um arranjo de antenas ideal. Portanto, para que tais técnicas sejam exploradas em aplicações reais, um conjunto robusto de métodos para interpolação do arranjo é fundamental. Estes métodos são desenvolvidos nesta tese. Além disso problemas no campo de redes de sensores e redes veiculares são tratados nesta tese utilizando-se uma perspectiva de processamento de sinais. Nessa tesa métodos inovadores de interpolação de arranjos são apresentados e sua performance é testada utilizando-se cenários reais. Conceitos de processamento de sinais são implementados no contexto de redes de sensores. Esses conceitos possibilitam um nível de sincronização suficiente para a aplicação de sistemas de múltiplas antenas distribuídos, o que resulta em uma rede com maior vida útil e melhor performance. Métodos de processamento de sinais em arranjos são propostos para resolver o problema de localização baseada em sinais de rádio em redes veiculares, com aplicações em segurança de estradas e proteção de pedestres. Esta tese foi escrita em língua inglesa, um sumário em língua portuguesa é apresentado ao final da mesma.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).Array signal processing in wireless communication has been a topic of interest in research for over three decades. In the fourth generation (4G) of the wireless communication systems, also known as Long Term Evolution (LTE), multi antenna systems have been adopted according to the Release 9 of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). For the fifth generation (5G) of the wireless communication systems, hundreds of antennas should be incorporated to the devices in a massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO) architecture. The presence of multiple antennas provides array gain, diversity gain, spatial gain, and interference reduction. Furthermore, arrays enable spatial filtering and parameter estimation, which can be used to help solve problems that could not previously be addressed from a signal processing perspective. The aim of this thesis is to bridge some gaps between signal processing theory and real world applications. Array processing techniques traditionally assume an ideal array. Therefore, in order to exploit such techniques, a robust set of methods for array interpolation are fundamental and are developed in this work. Problems in the field of wireless sensor networks and vehicular networks are also addressed from an array signal processing perspective. In this dissertation, novel methods for array interpolation are presented and their performance in real world scenarios is evaluated. Signal processing concepts are implemented in the context of a wireless sensor network. These concepts provide a level of synchronization sufficient for distributed multi antenna communication to be applied, resulting in improved lifetime and improved overall network behaviour. Array signal processing methods are proposed to solve the problem of radio based localization in vehicular network scenarios with applications in road safety and pedestrian protection

A pre-filtering maximum likelihood approach to multiple source direction estimation.

Imperial Users onl

Sensor array signal processing : two decades later

Caption title.Includes bibliographical references (p. 55-65).Supported by Army Research Office. DAAL03-92-G-115 Supported by the Air Force Office of Scientific Research. F49620-92-J-2002 Supported by the National Science Foundation. MIP-9015281 Supported by the ONR. N00014-91-J-1967 Supported by the AFOSR. F49620-93-1-0102Hamid Krim, Mats Viberg

Transformations for non-ideal uniform circular arrays operating in correlated signal environments

The Davies transformation is a method to transform the steering vector of a uniform circular array (UCA) to one with Vandermonde form. As such, it allows techniques such as spatial smoothing for direction-of-arrival (DOA) estimation in a correlated signal environment, developed originally for uniform linear arrays, to be applied to UCAs. However, the Davies transformation can be highly sensitive to perturbations of the underlying array model. This paper presents a method for deriving a more robust transformation using optimization techniques. The effectiveness of the method is illustrated through a number of DOA estimation examples

High-resolution Direction-of-Arrival estimation

Direction of Arrival (DOA) estimation is considered one of the most crucial problems in array signal processing, with considerable research efforts for developing efficient and effective direction-finding algorithms, especially in the transportation industry, where the demand for an effective, real-time, and accurate DOA algorithm is increasing. However, challenges must be addressed before real-world deployment can be realised. Firstly, there is the requirement for fast computational time for real-time detection. Secondly, there is a demand for high-resolution and accurate DOA estimation. In this thesis, two state-of-the-art DOA estimation algorithms are proposed and evaluated to address the challenges. Firstly, a novel covariance matrix reconstruction approach for single snapshot DOA estimation (CbSS) was proposed. CbSS was developed by exploiting the relationship between the theoretical and sample covariance matrices to reduce estimation error for a single snapshot scenario. CbSS can resolve accurate DOAs without requiring lengthy peak searching computational time by computationally changing the received sample covariance matrix. Simulation results have verified that the CbSS technique yields the highest DOA estimation accuracy by up to 25.5% compared to existing methods such as root-MUSIC and the Partial Relaxation approach. Furthermore, CbSS presents negligible bias when compared to the existing techniques in a wide range of scenarios, such as in multiple uncorrelated and coherent signal source environments. Secondly, an adaptive diagonal-loading technique was proposed to improve DOA estimation accuracy without requiring a high computational load by integrating a modified novel and adaptive diagonal-loading method (DLT-DOA) to further improve estimation accuracy. An in-depth simulation performance analysis was conducted to address the challenges, with a comparison against existing state-of-the-art DOA estimation techniques such as EPUMA and MODEX. Simulation results verify that the DLT-DOA technique performs up to 8.5% higher DOA estimation performance in terms of estimation accuracy compared to existing methods with significantly lower computational time. On this basis, the two novel DOA estimation techniques are recommended for usage in real-world scenarios where fast computational time and high estimation accuracy are expected. Further research is needed to identify other factors that could further optimize the algorithms to meet different demands

DOA estimation of two targets using beamformer based methods with application to automotive radar

Projecte final de carrera fet en col.laboració amb Technische Universität DarmstadtEnglish: Direction-of-arrival (DOA) estimation of two targets plays an important role in automotive radar. Two cases are distinguished: when the targets are closely spaced and the conventional beamformer is not able to resolve them, and when the targets are widely spaced and the beamformer is able to resolve them. In the first case, accurate estimates can be obtained using high-resolution techniques. In the second case, estimates are typically biased. Automotive radar applications demand real-time processing and therefore the computational cost has to be addressed. For the resolved scenario, we propose a procedure to reduce the bias of the beamformer estimates, thus avoiding the use of iterative algorithms. The final estimates are obtained after applying a correction term, which is calculated off-line and stored in a look-up table. For the non-resolved scenario, we consider a practicable implementation of the maximum likelihood estimator. A simplified version of the cost function is used to reduce the complexity. The peak location from the beamformer can also be used to delimit the search range. The results of the mentioned methods are compared with other iterative algorithms, in terms of performance and computational cost. Applying the correction factors, the bias of the beamformer estimates are successfully reduced, making them accurate enough for the automotive radar application. The simplified implementation of the ML cost function reduces significantly the computational cost, allowing its use in real-time applications. Moreover, the performance obtained is also within the acceptable range for the automotive radar application, even for narrow angular separations. A block diagram containing the proposed methods is finally given, which is proposed as a suitable DOA estimation system for the automotive radar application.Castellano: La estimación del ángulo de llegada (DOA estimation) para dos objetivos juega un papel importante dentro de las aplicaciones radar para la automoción. Para este caso, distinguimos entre dos escenarios: cuando los objetivos se encuentran muy cerca el uno del otro y el beamformer convencional no es capaz de resolverlos, y cuando los objetivos se encuentran bastante separados y éste sí es capaz de resolverlos. En el primer escenario, podemos conseguir estimaciones más precisas mediante el uso de técnicas de alta resolución. En el segundo escenario, las estimaciones obtenidas son típicamente sesgadas. Las aplicaciones radar para la automoción requieren del procesado de datos en tiempo real y, por lo tanto, la carga computacional debe ser reducida. Para el escenario resuelto, proponemos un procedimiento que permite reducir el sesgo de las estimaciones del beamformer, evitando así el uso de algoritmos iterativos. Las estimaciones finales se obtienen tras aplicar un término de corrección, que es calculado previamente off-line y almacenado en una tabla (look-up table). Para el caso no resuelto, consideramos una implementación factible del estimador de máxima verosimilutud (MLE). Por tal de reducir la complejidad de los cálculos, usamos una versión simplificada de la función de coste del estimador. Además, el máximo obtenido del beamformer es usado también para delimitar el rango de búsqueda, reduciendo aún más la carga computacional. Los resultados obtenidos tras aplicar los métodos mencionados son contrastados con otros algoritmos iterativos, en términos de rendimiento y carga computacional. Aplicando los factores de corrección, el sesgo de las estimaciones obtenidas mediante el beamformer se ve reducido considerablemente, permitiendo tasas de error aptas para su uso en aplicaciones radar para la automoción. La versión simplificada del MLE reduce significantemente la carga computacional, haciendo posible también su uso para aplicaciones en tiempo real. Además, el comportamiento obtenido se encuentra de igual manera dentro del rango aceptado en aplicaciones radar para la automoción, incluso para ángulos de llegada muy próximos entre si. Finalmente, proporcionamos un diagrama de bloques que combina las técnicas descritas, el cual es propuesto como un sistema apropiado para la estimación del ángulo de llegada en aplicaciones radar para la automoción.Català: L'estimació de l'angle d'arribada (DOA estimation) per dos objectius juga un paper important dintre de les aplicacions radar per a l'automoció. En aquest cas, podem distingir entre dos escenaris diferents: quan els objectius es troben molt a prop l'un de l'altre i el beamformer convencional no és capaç de resoldre'ls, i quan els objectius es troben bastant separats i aquest si és capaç de resoldre'ls. En el primer escenari, podem aconseguir estimacions més precises mitjançant l'ús de tècniques d'alta resolució. En el segon escenari, les estimacions obtingudes son típicament esbiaixades. Les aplicacions radar per a l'automoció requereixen de processament de dades en temps real i, per tant, la carga computacional ha de ser reduïda. Per a l'escenari resolt, proposem un procediment que fa possible reduir el biaix de les estimacions del beamformer, evitant així l'ús d'algoritmes iteratius. Les estimacions finals s'obtenen després d'aplicar un terme de correcció, que és calculat prèviament off-line i emmagatzemat en una taula (look-up table). Per al cas no resolt, considerem una implementació factible de l'estimador de màxima versemblança (MLE). Per tal de reduir la complexitat dels càlculs, utilitzem una versió simplificada de la funció de cost de l'estimador. A més, utilitzem el màxim obtingut del beamformer per delimitar el rang de cerca, reduint encara més la carga computacional. Els resultats obtinguts després d'aplicar els mètodes mencionats són contrastats am altres algoritmes iteratius, en termes de rendiment i carga computacional. Aplicant els factors de correcció, el biaix de les estimacions del beamformer es veu reduït considerablement, produint tasses d'error aptes per el seu ús en aplicacions radar per a l'automoció. La versió simplificada del MLE redueix significativament la carga computacional, fent possible també el seu ús per aplicacions en temps real. A més, el comportament obtingut es troba d'igual manera dins del marge acceptable en aplicacions radar per a l'automoció, fins i tot per angles d'arribada molt pròxims entre si. Finalment, proporcionem un diagrama de blocs que combina les tècniques descrites, el qual es proposat com a sistema apropiat per a l'estimació de l'angle d'arribada en aplicacions radar per a l'automoció