Millimeter-wave Mobile Sensing and Environment Mapping: Models, Algorithms and Validation

Integrating efficient connectivity, positioning and sensing functionalities into 5G New Radio (NR) and beyond mobile cellular systems is one timely research paradigm, especially at mm-wave and sub-THz bands. In this article, we address the radio-based sensing and environment mapping prospect with specific emphasis on the user equipment (UE) side. We first describe an efficient l1-regularized least-squares (LS) approach to obtain sparse range--angle charts at individual measurement or sensing locations. For the subsequent environment mapping, we then introduce a novel state model for mapping diffuse and specular scattering, which allows efficient tracking of individual scatterers over time using interacting multiple model (IMM) extended Kalman filter and smoother. We provide extensive numerical indoor mapping results at the 28~GHz band deploying OFDM-based 5G NR uplink waveform with 400~MHz channel bandwidth, covering both accurate ray-tracing based as well as actual RF measurement results. The results illustrate the superiority of the dynamic tracking-based solutions, compared to static reference methods, while overall demonstrate the excellent prospects of radio-based mobile environment sensing and mapping in future mm-wave networks

IMM forward filtering and backward smoothing for maneuvering target tracking

The interacting multiple model (IMM) estimator has been proven to be effective in tracking agile targets. Smoothing or retrodiction, which uses measurements beyond the current estimation time, provides better estimates of target states. Various methods have been proposed for multiple model (MM) smoothing in the literature. A new smoothing method is presented here which involves forward filtering followed by backward smoothing while maintaining the fundamental spirit of the IMM. The forward filtering is performed using the standard IMM recursion, while the backward smoothing is performed using a novel interacting smoothing recursion. This backward recursion mimics the IMM estimator in the backward direction, where each mode-conditioned smoother uses standard Kalman smoothing recursion. The resulting algorithm provides improved but delayed estimates of target states. Simulation studies are performed to demonstrate the improved performance with a maneuvering target scenario. Results of the new method are compared with existing methods, namely, the augmented state IMM filter and the generalized pseudo-Bayesian estimator of order 2 smoothing. Specifically, the proposed IMM smoother operates just like the IMM estimator, which approximates N-2 state transitions using N filters, where N is the number of motion models. In contrast, previous approaches require N-2 smoothers or an augmented state

Détection de fautes pour les capteurs embarqués de véhicules intelligents basée sur la redondance analytique utilisant une transformation non linéaire

La sécurité des systèmes de transports intelligents est au centre de tous les débats. Afin de s’assurer un fonctionnement sécuritaire, il est nécessaire de pouvoir vérifier le bon fonctionnement des capteurs permettant d’avoir une parfaite connaissance de l’environnement et de l’état du véhicule. Cette thèse présente une nouvelle solution de détection et d’identification de faute pouvant apparaitre sur les capteurs embarqués d’un véhicule intelligent. Cette méthode est basée sur la redondance analytique des données, consistant à estimer une même mesure à l’aide de capteurs de différentes natures. Cette mesure subit alors une transformation non linéaire permettant à la fois d’accroitre la sensibilité aux fautes et d’être plus robuste aux bruits. Cette étude propose plusieurs solutions de transformation et d’estimation qui seront évaluées en simulation avant de proposer une méthode d’optimisation de la prise de décision en fonction de critères choisis par l’utilisateur. La description de l’architecture, des méthodes employées ainsi que des équations permettant l’établissement de celle-ci seront décrites dans le chapitre 3. L’évaluation en simulation des performances de l’architecture sera effectuée dans le chapitre 4 avant une analyse finale des résultats ainsi qu’une comparaison avec une solution existante dans le dernier chapitre, permettant la validation de notre approche

Développement d'une nouvelle algorithmie de localisation adaptée à l'ensemble des mobiles suivis par le système ARGOS

Depuis 1978, le système ARGOS assure à l échelle mondiale la collecte de données et la localisation de plateformes pour des applications liées au suivi d animaux, à l océanographie et à la sécurité maritime. La localisation exploite le décalage Doppler affectant la fréquence de porteuse des messages émis par les plateformes et réceptionnés par des satellites dédiés. Au cours des vingt dernières années, les puissances d émission des plateformes se sont réduites pour des conditions d utilisation toujours plus extrêmes, augmentant le nombre de localisations de moindre qualité. Paradoxalement, les utilisateurs ont cherché à identifier des comportements à des échelles de plus en plus petites. L objectif de ce projet est de développer un algorithme de localisation plus performant dans le contexte actuel afin de remplacer le traitement temps réel historique basé sur un ajustement par moindres carrés. Un service hors ligne, permettant de déterminer des localisations encore plus précises, est proposé dans un second temps.Le problème est reformulé comme l estimation de l état d un système dynamique stochastique, tenant compte d un ensemble de modèles de déplacement admissibles pour les plateformes. La détermination exacte de la loi a posteriori de l état présente alors une complexité exponentiellement croissante avec le temps. Le filtre Interacting Multiple Model (IMM) est devenu l outil standard pour approximer en temps réel la loi a posteriori avec un coût de calcul constant. Pour des applications hors ligne, de nombreuses solutions sous-optimales de lissage multi-modèle ont aussi été proposées. La première contribution méthodologique de ce travail présente l extension du cadre initial de l IMM à un ensemble de modèles hétérogènes, c.-à-d. dont les vecteurs d état sont de tailles et de sémantiques différentes. En outre, nous proposons une nouvelle méthode pour le lissage multi-modèle qui offre une complexité réduite et de meilleures performances que les solutions existantes. L algorithme de localisation ARGOS a été réécrit en y incorporant le filtre IMM en tant que traitement temps réel et le lisseur multi-modèle comme service hors ligne. Une étude, menée sur un panel de 200 plateformes munies d un récepteur GPS utilisé comme vérité terrain, montre que ces stratégies améliorent significativement la précision de localisation quand peu de messages sont reçus. En outre, elles délivrent en moyenne 30% de localisations supplémentaires et permettent de caractériser systématiquement l erreur de positionnementThe ARGOS service was launched in 1978 to serve environmental applications including oceanography, wildlife tracking and maritime safety. The system allows for worldwide positioning and data collection of Platform Terminal Transmitters (PTTs). The positioning is achieved by exploiting the Doppler shift in the carrier frequency of the messages transmitted by the PTTs and recorded by dedicated satellite-borne receivers. Over the last twenty years, the transmission power has decreased significantly and platforms have been used in increasingly harsh environments. This led to deliver a greater number of low quality locations while users sought to identify finer platform behavior. This work first focuses on the implementation of a more efficient location processing to replace the historical real time processing relying on a Least Squares adjustment. Secondly, an offline service to infer locations with even higher accuracy is proposed.The location problem is formulated as the estimation of the state vector of a dynamical system, accounting for a set of admissible movement models of the platform. The exact determination of the state posterior pdf displays a complexity growing exponentially with time. The Interacting Multiple Model (IMM) algorithm has become a standard online approach to derive an approximated solution with a constant computational complexity. For offline applications, many sub-optimal multiple model schemes have also been proposed. Our methodological contributions first focused on extending the framework of the IMM filter so as to handle a bank of models with state vectors of heterogeneous size and meaning. Second, we investigated a new sub-optimal solution for multiple model smoothing which proves to be less computationally expensive and displays markedly better performance than equivalent algorithms. The ARGOS location processing was rewritten to include the IMM filter as real time processing and the IMM smoother as offline service. We eventually analyzed their performances using a large dataset obtained from over 200 mobiles carrying both an ARGOS transmitter and a GPS receiver used as ground truth. The results show that the new approaches significantly improve the positioning accuracy, especially when few messages are received. Moreover, the algorithms deliver 30% more positions and give a systematic estimation of the location errorTOULOUSE-INSA-Bib. electronique (315559905) / SudocSudocFranceF