Efficient Two-Dimensional Direction-of-Arrival Estimation for a Mixture of Circular and Noncircular Sources

In this paper, the two-dimensional (2-D) direction-of-arrival (DOA) estimation problem for a mixture of circular and noncircular sources is considered. In particular, we focus on a 2-D array structure consisting of two parallel uniform linear arrays and build a general array model with mixed circular and noncircular sources. The received array data and its conjugate counterparts are combined together to form a new data vector, based on which a series of 2-D DOA estimators is derived. Compared with existing methods, the proposed one has three main advantages. First, it can give a more accurate estimation in situations, where the number of sources is within the traditional limit of high-resolution methods. Second, it can still work effectively when the number of mixed signals is larger than that of the array elements. Finally, the paired 2-D DOAs of the proposed method can be obtained automatically without the complicated 2-D spectrum peak search and, therefore, has a much lower computational complexity

Study of four-dimensional DOA and polarisation estimation with crossed-dipole and tripole arrays

Electromagnetic (EM) vector sensor arrays can track both the polarisation and direction of arrival (DOA) of the impinging signals. For linear crossed-dipole arrays, as shown by our analysis, due to inherent limitation of the structure, it can only track one DOA parameter and two polarisation parameters. For full four-dimensional (4-D, 2 DOA and 2 polarization parameters) estimation, we could extend the linear crossed-dipole array to the planar case. In this paper, instead of extending the array geometry, we replace the crossed-dipoles by tripoles and construct a linear tripole array. It is proved that such a structure can estimate the 2-D DOA and 2-D polarisation information effectively in general and a dimension-reduction based MUSIC algorithm is developed so that the 4-D estimation problem can be simplified into two separate 2-D estimation problems, significantly reducing the computational complexity of the solution. The Cramr-Rao Bound (CRB) is also derived as a reference for algorithm performance. A brief comparison between the planar crossed-dipole array and the linear tripole array is performed at last, showing that although the planar structure has a better performance, it is achieved at the cost of increased physical size

Joint DOA and polarisation estimation with crossed-dipole and tripole sensor arrays

Electromagnetic vector sensor arrays can track both the polarisation and direction of arrival (DOA) of the impinging signals. For linear crossed-dipole arrays, as shown by our analysis, due to inherent limitation of the structure, it can only track one DOA parameter and two polarisation parameters. For full four-dimensional (4-D, 2 DOA and 2 polarization parameters) estimation, we could extend the linear crossed-dipole array to the planar case. In this paper, instead of extending the array geometry, we replace the crossed-dipoles by tripoles and construct a linear tripole array. Detailed proof shows that such a structure can estimate the 2-D DOA and 2-D polarisation information effectively in general. A brief comparison between the planar crossed-dipole array and the linear tripole array is performed at last, showing that although the planar structure has a better performance, it is achieved at the cost of increased physical size

Limitations of experimental channel characterisation

KURZFASSUNG In dieser Dissertation wird die Experimentelle Kanalcharakterisierung und deren Grenzen in realenAusbreitungsumgebungen untersucht. Dies beinhaltet die Aufzeichnung der mehrdimensionalenbreitbandigen Kanalmatrix mit einem Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Channel-Sounderunter Verwendung von Antennenarrays auf der Sende- und Empfangsseite. Um den Funkkanalmit Hilfe der Parameter Sendewinkel (DoD), Empfangswinkel (DoA), Laufzeit (TDoA) und denkomplexen polarimetrischen Pfadgewichten zu charakterisieren, werden hochauflösende Parameterschätzverfahrenverwendet. Die Genauigkeit dieser Parameterschätzergebnisse in ”realen“ Messumgebungenwird durch eine Vielzahl von Fehlerquellen begrenzt. Diese Genauigkeitsgrenzen derParameterschätzung werden anhand zahlreicher Simulationen und Messungen analysiert. Fehlerquellenim gesamten Verarbeitungsablauf werden untersucht. Dazu gehören die Einschränkungendurch das Messsystem, systematische Fehler bei der Kalibrierung praktischer Antennenarrays sowieUnzulänglichkeiten des Funkkanalmodells des hochauflösenden Parameterschätzers. Darüber hinauswerden die Auswirkungen der Parametrierung bzw. Ableitung geometrisch basierter Kanalmodelleauf der Grundlage von Parameterschätzergebnissen mit begrenzter Genauigkeit aufgezeigt.Mit Messungen in typischen Ausbreitungsumgebungen kann der Funkkanal immer nur in Abhängigkeitder Messantennen beschrieben werden. Als Ziel wird jedoch eine antennenunabhängige Beschreibungdes Funkkanals angestrebt. Daher ist es notwendig, die Sende- und Empfangswinkel derspekularen Ausbreitungspfade mittels hochauflösender Parameterschätzverfahren zu bestimmen.Der gradientenbasierte Maximum Likelihood (ML) Parameterschätzer RIMAX, auf dem diese Arbeitaufbaut, verwendet ein Datenmodell, das den Funkkanal und das Messsystem inklusive derAntennenarrays beschreibt. Im Gegensatz zu anderen ML-Parameterschätzern wird ein Funkanalmodellangewendet, welches spekulare Reflektionen und verteilte diffuse Streuungen berücksichtigt.Für die Modellierung des Messsystems wird ein effizientes und exaktes Modell der gemessenenpolarimetrischen Richtcharakteristika benötigt. Das hier vorgeschlagene Modell, die so genannteEffective Aperture Distribution Function (EADF), beschreibt die Antennenrichtcharakteristikaanalytisch und basiert im Wesentlichen auf der zweidimensionalen (2D) Fouriertransformation derperiodischen Richtcharakteristika. Im Gegensatz zu anderen Verfahren können auf der Grundlageder EADF die Antennencharakteristika und ihre Ableitungen mit geringem Aufwand und hoherGenauigkeit berechnet werden. Für eine exakte Messung der Richtcharakteristika eines Antennenarrayswird ein vollpolarimetrisches 2D-Kalibrierverfahren vorgeschlagen. Mit diesem Verfahrenwird der komplette Messaufbau kalibriert. Dazu gehören der MIMO Channel-Sounder, die dualpolarisierte Referenzhornantenne und alle Hochfrequenzkomponenten außer dem zu untersuchendenAntennenarray. Im Zusammenhang mit der Arraykalibrierung wird ein gradientenbasierterML-Parameterschätzer entwickelt, mit dem eine bei der Kalibriermessung auftretende Phasenabweichungkorrigiert wird. DesWeiteren wird ein leistungsstarkes Verfahren zur Bewertung praktischer Antennenarrays auf derBasis der EADFs gemessener Richtcharakteristika vorgeschlagen. Die Cram´er-Rao-Schranken derWinkelparameter in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnisses werden mit dem EADF-Modellanalytisch berechnet. Der Vorteil des EADF-Modells besteht darin, dass die Richtcharakteristikaeines realen Antennenarrays unter Einbeziehung aller störenden Einflussgrößen beschrieben werden.Das vorgeschlagene Bewertungsverfahren wird anhand von Messungen im Antennenmessraum verifiziert.Das Modell des Messsystems inklusive der Antennenarrays, welches für die Parameterschätzungverwendet wird, kann das reale System nur begrenzt beschreiben. Es wurden Schätzergebnisse vonzahlreichen Messungen analysiert. Hierbei musste festgestellt werden, dass Fehler bei der Modellierungzu teilweise unglaubwürdigen Schätzergebnissen führen. Genauer untersucht werden Fehlerin Bezug auf die Antennenarrays und das Messsystem. Erstere werden hervorgerufen durchsystematische Fehler bei der Arraykalibrierung und durch die Verwendung unvollständiger Datenmodelle(z.B. Nichtberücksichtigung der polarimetrischen Eigenschaften der Antennen). Letztereentstehen einerseits durch Phasenrauschen und andererseits durch ungeeignete Kalibrierung. Eswird nachgewiesen, dass die Verwendung ungenauer Modelle zur Schätzung von Artefakten führt.Diese Schätzfehler äußern sich in Abweichungen und/oder in einer künstlichen Aufspreizung derWinkelschätzungen der spekularen Anteile. Es werden geeignete Methoden vorgeschlagen, um dieAuswirkungen von Modellfehlern weitestgehend zu vermeiden bzw. zu korrigieren. Betont werdenmuss jedoch, dass einige Fehler unvermeidbar sind. Die Auswirkungen aller unvermeidbaren Fehler auf die Experimentelle Kanalcharakterisierung inkomplexen Ausbreitungsumgebungen werden im letzten Teil dieser Arbeit dargestellt. Es wird gezeigt,unter welchen Bedingungen die geschätzten spekularen Anteile sowie die geschätzten verteiltendiffusen Streuanteile glaubwürdig und physikalisch relevant sind. Die Untersuchungen basierenauf ”realistischen“ Simulationen des Funkkanals (Ray-Tracing) und auf Messungen. Diese Synthesegarantiert Glaubwürdigkeit und Aussagefähigkeit der in der Arbeit gewonnenen Ergebnisse.Die Resultate dieser Dissertation sind speziell für Wissenschaftler auf dem Gebiet der Parameterschätzungsowie Funkkanalmodellierung von Interesse und können wie folgt zusammengefasstwerden: • die Entwicklung eines Modells zur exakten und effizienten Beschreibung der Richtcharakteristikavon Antennenarrays,• ein Verfahren zur Bewertung praktischer Antennenarrays,• die Sensibilisierung für Modellfehler und deren Auswirkungen auf die Parameterschätzergebnisseund• die Bestimmung der Grenzen Experimenteller Kanalcharakterisierung unter Berücksichtigungaller unvermeidbarer Fehlerquellen