Multi-node TOA-DOA cooperative LOS-NLOS localization : enabling high accuracy and reliability

This dissertation investigates high performance cooperative localization in wireless environments based on multi-node time-of-arrival (TOA) and direction-of-arrival (DOA) estimations in line-of-sight (LOS) and non-LOS (NLOS) scenarios. Here, two categories of nodes are assumed: base nodes (BNs) and target nodes (TNs). BNs are equipped with antenna arrays and capable of estimating TOA (range) and DOA (angle). TNs are equipped with Omni-directional antennas and communicate with BNs to allow BNs to localize TNs; thus, the proposed localization is maintained by BNs and TNs cooperation. First, a LOS localization method is proposed, which is based on semi-distributed multi-node TOA-DOA fusion. The proposed technique is applicable to mobile ad-hoc networks (MANETs). We assume LOS is available between BNs and TNs. One BN is selected as the reference BN, and other nodes are localized in the coordinates of the reference BN. Each BN can localize TNs located in its coverage area independently. In addition, a TN might be localized by multiple BNs. High performance localization is attainable via multi-node TOA-DOA fusion. The complexity of the semi-distributed multi-node TOA-DOA fusion is low because the total computational load is distributed across all BNs. To evaluate the localization accuracy of the proposed method, we compare the proposed method with global positioning system (GPS) aided TOA (DOA) fusion, which are applicable to MANETs. The comparison criterion is the localization circular error probability (CEP). The results confirm that the proposed method is suitable for moderate scale MANETs, while GPS-aided TOA fusion is suitable for large scale MANETs. Usually, TOA and DOA of TNs are periodically estimated by BNs. Thus, Kalman filter (KF) is integrated with multi-node TOA-DOA fusion to further improve its performance. The integration of KF and multi-node TOA-DOA fusion is compared with extended-KF (EKF) when it is applied to multiple TOA-DOA estimations made by multiple BNs. The comparison depicts that it is stable (no divergence takes place) and its accuracy is slightly lower than that of the EKF, if the EKF converges. However, the EKF may diverge while the integration of KF and multi-node TOA-DOA fusion does not; thus, the reliability of the proposed method is higher. In addition, the computational complexity of the integration of KF and multi-node TOA-DOA fusion is much lower than that of EKF. In wireless environments, LOS might be obstructed. This degrades the localization reliability. Antenna arrays installed at each BN is incorporated to allow each BN to identify NLOS scenarios independently. Here, a single BN measures the phase difference across two antenna elements using a synchronized bi-receiver system, and maps it into wireless channel’s K-factor. The larger K is, the more likely the channel would be a LOS one. Next, the K-factor is incorporated to identify NLOS scenarios. The performance of this system is characterized in terms of probability of LOS and NLOS identification. The latency of the method is small. Finally, a multi-node NLOS identification and localization method is proposed to improve localization reliability. In this case, multiple BNs engage in the process of NLOS identification, shared reflectors determination and localization, and NLOS TN localization. In NLOS scenarios, when there are three or more shared reflectors, those reflectors are localized via DOA fusion, and then a TN is localized via TOA fusion based on the localization of shared reflectors

Design, monitoring and performance evaluation of high capacity optical networks

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de les TICInternet traffic is expected to keep increasing exponentially due to the emergence of a vast number of innovative online services and applications. Optical networks, which are the cornerstone of the underlying Internet infrastructure, have been continuously evolving to carry the ever-increasing traffic in a more flexible, cost-effective, and intelligent way. Having these three targets in mind, this PhD thesis focuses on two general areas for the performance improvement and the evolution of optical networks: i) introducing further cognition to the optical layer, and ii) introducing new networking solutions revolutionizing the optical transport infrastructure. In the first part, we present novel failure detection and identification solutions in the optical layer utilizing the optical spectrum traces captured by cost-effective coarse-granular Optical Spectrum Analyzers (OSA). We demonstrate the effectiveness of the developed solutions for detecting and identifying filter-related failures in the context of Spectrum-Switched Optical Networks (SSON), as well as transmitter-related laser failures in Filter-less Optical Networks (FON). In addition, at the subsystem level we propose an Autonomic Transmission Agent (ATA), which triggers local or remote transceiver reconfiguration by predicting Bit-Error-Rate (BER) degradation by monitoring State-of-Polarization (SOP) data obtained by coherent receivers. I have developed solutions to push further the performance of the currently deployed optical networks through reducing the margins and introducing intelligence to better manage their resources. However, it is expected that the spectral efficiency of the current standard Single-Mode Fiber (SMF) based optical network approaches the Shannon capacity limits in the near future, and therefore, a new paradigm is required to keep with the pace of the current huge traffic increase. In this regard, Space Division Multiplexing (SDM) is proposed as the ultimate solution to address the looming capacity crunch with a reduced cost-per-bit delivered to the end-users. I devote the second part of this thesis to investigate different flavors of SDM based optical networks with the aim of finding the best compromise for the realization of a spectrally and spatially flexible optical network. SDM-based optical networks can be deployed over various types of transmission media. Additionally, due to the extra dimension (i.e., space) introduced in SDM networks, optical switching nodes can support wavelength granularity, space granularity, or a combination of both. In this thesis, we evaluate the impact of various spectral and spatial switching granularities on the performance of SDM-based optical networks serving different profiles of traffic with the aim of understanding the impact of switching constraints on the overall network performance. In this regard, we consider two different generations of wavelength selective switches (WSS) to reflect the technology limitations on the performance of SDM networks. In addition, we present different designs of colorless direction-less, and Colorless Directionless Contention-less (CDC) Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers (ROADM) realizing SDM switching schemes and compare their performance in terms of complexity and implementation cost. Furthermore, with the aim of revealing the benefits and drawbacks of SDM networks over different types of transmission media, we preset a QoT-aware network planning toolbox and perform comparative performance analysis among SDM network based on various types of transmission media. We also analyze the power consumption of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Digital Signal Processing (DSP) units of transceivers operating over three different types of transmission media. The results obtained in the second part of the thesis provide a comprehensive outlook to different realizations of SDM-based optical networks and showcases the benefits and drawbacks of different SDM realizations.Se espera que el tráfico de Internet siga aumentando exponencialmente debido a la continua aparición de gran cantidad de aplicaciones innovadoras. Las redes ópticas, que son la piedra angular de la infraestructura de Internet, han evolucionado continuamente para transportar el tráfico cada vez mayor de una manera más flexible, rentable e inteligente. Teniendo en cuenta estos tres objetivos, esta tesis doctoral se centra en dos áreas cruciales para la mejora del rendimiento y la evolución de las redes ópticas: i) introducción de funcionalidades cognitivas en la capa óptica, y ii) introducción de nuevas estructuras de red que revolucionarán el transporte óptico. En la primera parte, se presentan soluciones novedosas de detección e identificación de fallos en la capa óptica que utilizan trazas de espectro óptico obtenidas mediante analizadores de espectros ópticos (OSA) de baja resolución (y por tanto de coste reducido). Se demuestra la efectividad de las soluciones desarrolladas para detectar e identificar fallos derivados del filtrado imperfecto en las redes ópticas de conmutación de espectro (SSON), así como fallos relacionados con el láser transmisor en redes ópticas sin filtro (FON). Además, a nivel de subsistema, se propone un Agente de Transmisión Autónomo (ATA), que activa la reconfiguración del transceptor local o remoto al predecir la degradación de la Tasa de Error por Bits (BER), monitorizando el Estado de Polarización (SOP) de la señal recibida en un receptor coherente. Se han desarrollado soluciones para incrementar el rendimiento de las redes ópticas mediante la reducción de los márgenes y la introducción de inteligencia en la administración de los recursos de la red. Sin embargo, se espera que la eficiencia espectral de las redes ópticas basadas en fibras monomodo (SMF) se acerque al límite de capacidad de Shannon en un futuro próximo, y por tanto, se requiere un nuevo paradigma que permita mantener el crecimiento necesario para soportar el futuro aumento del tráfico. En este sentido, se propone el Multiplexado por División Espacial (SDM) como la solución que permita la continua reducción del coste por bit transmitido ante ése esperado crecimiento del tráfico. En la segunda parte de esta tesis se investigan diferentes tipos de redes ópticas basadas en SDM con el objetivo de encontrar soluciones para la realización de redes ópticas espectral y espacialmente flexibles. Las redes ópticas basadas en SDM se pueden implementar utilizando diversos tipos de medios de transmisión. Además, debido a la dimensión adicional (el espacio) introducida en las redes SDM, los nodos de conmutación óptica pueden conmutar longitudes de onda, fibras o una combinación de ambas. Se evalúa el impacto de la conmutación espectral y espacial en el rendimiento de las redes SDM bajo diferentes perfiles de tráfico ofrecido, con el objetivo de comprender el impacto de las restricciones de conmutación en el rendimiento de la red. En este sentido, se consideran dos generaciones diferentes de conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS) para reflejar las limitaciones de la tecnología en el rendimiento de las redes SDM. Además, se presentan diferentes diseños de ROADM, independientes de la longitud de onda, de la dirección, y sin contención (CDC) utilizados para la conmutación SDM, y se compara su rendimiento en términos de complejidad y coste. Además, con el objetivo de cuantificar los beneficios e inconvenientes de las redes SDM, se ha generado una herramienta de planificación de red que prevé la QoT usando diferentes tipos de fibras. También se analiza el consumo de energía de las unidades DSP de los transceptores MIMO operando en redes SDM con tres tipos diferentes de medios de transmisión. Los resultados obtenidos en esta segunda parte de la tesis proporcionan una perspectiva integral de las redes SDM y muestran los beneficios e inconvenientes de sus diferentes implementacionesAward-winningPostprint (published version

Pavement Performance Evaluation Using Connected Vehicles

Roads deteriorate at different rates from weathering and use. Hence, transportation agencies must assess the ride quality of a facility regularly to determine its maintenance needs. Existing models to characterize ride quality produce the International Roughness Index (IRI), the prevailing summary of roughness. Nearly all state agencies use Inertial Profilers to produce the IRI. Such heavily instrumented vehicles require trained personnel for their operation and data interpretation. Resource constraints prevent the scaling of these existing methods beyond 4% of the network. This dissertation developed an alternative method to characterize ride quality that uses regular passenger vehicles. Smartphones or connected vehicles provide the onboard sensor data needed to enable the new technique. The new method provides a single index summary of ride quality for all paved and unpaved roads. The new index is directly proportional to the IRI. A new transform integrates sensor data streams from connected vehicles to produce a linear energy density representation of roughness. The ensemble average of indices from different speed ranges converges to a repeatable characterization of roughness. The currently used IRI is undefined at speeds other than 80 km/h. This constraint mischaracterizes roughness experienced at other speeds. The newly proposed transform integrates the average roughness indices from all speed ranges to produce a speed-independent characterization of ride quality. This property avoids spatial wavelength bias, which is a critical deficiency of the IRI. The new method leverages the emergence of connected vehicles to provide continuous characterizations of ride quality for the entire roadway network. This dissertation derived precision bounds of deterioration forecasting for models that could utilize the new index. The results demonstrated continuous performance improvements with additional vehicle participation. With practical traversal volumes, the achievable precision of forecast is within a few days. This work also quantified capabilities of the new transform to localize roadway anomalies that could pose travel hazards. The methods included derivations of the best sensor settings to achieve the desired performances. Several case studies validated the findings. These new techniques have the potential to save agencies millions of dollars annually by enabling predictive maintenance practices for all roadways, worldwide.Mountain Plains Consortium (MPC

The Future of the Operating Room: Surgical Preplanning and Navigation using High Accuracy Ultra-Wideband Positioning and Advanced Bone Measurement

This dissertation embodies the diversity and creativity of my research, of which much has been peer-reviewed, published in archival quality journals, and presented nationally and internationally. Portions of the work described herein have been published in the fields of image processing, forensic anthropology, physical anthropology, biomedical engineering, clinical orthopedics, and microwave engineering. The problem studied is primarily that of developing the tools and technologies for a next-generation surgical navigation system. The discussion focuses on the underlying technologies of a novel microwave positioning subsystem and a bone analysis subsystem. The methodologies behind each of these technologies are presented in the context of the overall system with the salient results helping to elucidate the difficult facets of the problem. The microwave positioning system is currently the highest accuracy wireless ultra-wideband positioning system that can be found in the literature. The challenges in producing a system with these capabilities are many, and the research and development in solving these problems should further the art of high accuracy pulse-based positioning

Proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC 1990)

Presented here are the proceedings of the Second International Mobile Satellite Conference (IMSC), held June 17-20, 1990 in Ottawa, Canada. Topics covered include future mobile satellite communications concepts, aeronautical applications, modulation and coding, propagation and experimental systems, mobile terminal equipment, network architecture and control, regulatory and policy considerations, vehicle antennas, and speech compression

Passive optical network (PON) monitoring using optical coding technology

Les réseaux optiques passifs (PON) semblent être la technologie gagnante et ultime du futur pour les "fibres jusqu'au domicile" ayant une haute capacité. L'écoute de contrôle de ce genre de système est nécessaire pour s'assurer un niveau de qualité de service prédéterminé pour chaque client. En outre, l'écoute de contrôle réduit considérablement les dépenses en capital et de fonctionnement (CAPEX et OPEX), tant pour le fournisseur du réseau que les clients. Alors que la capacité des PON est croissante, les gestionnaires de réseau ne disposent pas encore d'une technologie efficace et appropriée pour l'écoute de contrôle des réseaux de capacité aussi élevée. Une variété de solutions a été proposée. Toutes ces dernières solutions ne sont pas pratiques à cause de leur faible capacité (nombre de clients), d'une faible évolutivité, d'une grande complexité et des défis technologiques. Plus important encore, la technologie souhaitable pour l'écoute de contrôle devrait être rentable car le marché des PON est très sensible aux coûts. Dans cette thèse, nous considérons l'application de la technologie du codage optique passif (OC) comme une solution prometteuse pour l'écoute de contrôle centralisée d'un réseau optique ramifié tels que les réseaux PON. Dans la première étape, nous développons une expression pour le signal détecté par l'écoute de contrôle et étudions ses statistiques. Nous trouvons une nouvelle expression explicite pour le rapport signal utile/signal brouillé (SIR) comme outil de mesure métrique de performance. Nous considérons cinq distributions PON géographiques différentes et étudions leurs effets sur l'SIR pour l'écoute de contrôle d'OC. Dans la prochaine étape, nous généralisons notre modèle mathématique et ses expressions pour le contrôle des signaux détectés par un détecteur quadratique et des paramètres réalistes. Nous évaluons ensuite les performances théoriques de la technologie basée sur l'écoute de contrôle selon le rapport signal/bruit (SNR), le rapport signal/bruit plus coefficient d'interférence (SNIR), et la probabilité de fausse alarme. Nous élaborons l'effet de la puissance d'impulsion transmise, la taille du réseau et la cohérence de la source lumineuse sur le rendement des codes unidimensionnels (ID) et bidimensionnels (2D) de l'écoute de contrôle d'OC. Une conception optimale est également abordée. Enfin, nous appliquons les tests de Neyman-Pearson pour le récepteur de notre système d'écoute de contrôle et enquêtons sur la façon dont le codage et la taille du réseau affectent les dépenses de fonctionnement (OPEX) de notre système d'écoute de contrôle. Malgré le fait que les codes ID et 2D fournissent des performances acceptables, elles exigent des encodeurs avec un nombre élevé de composants optiques : ils sont encombrants, causent des pertes, et ils sont coûteux. Par conséquent, nous proposons un nouveau schéma de codage simple et plus approprié pour notre application de l'écoute de contrôle que nous appelons le codage périodique. Par simulation, nous évaluons l'efficacité de l'écoute de contrôle en terme de SNR pour un PON employant cette technologie. Ce système de codage est utilisé dans notre vérification expérimentale de l'écoute de contrôle d'OC. Nous étudions expérimentalement et par simulation, l'écoute de contrôle d'un PON utilisant la technologie de codage périodique. Nous discutons des problèmes de conception pour le codage périodique et les critères de détection optimale. Nous développons également un algorithme séquentiel pour le maximum de vraisemblance avec une complexité réduite. Nous menons des expériences pour valider notre algorithme de détection à l'aide de quatre encodeurs périodiques que nous avons conçus et fabriqués. Nous menons également des simulations de Monte-Carlo pour des distributions géographiques de PON réalistes, avec des clients situés au hasard. Nous étudions l'effet de la zone de couverture et la taille du réseau (nombre d'abonnés) sur l'efficacité de calcul de notre algorithme. Nous offrons une borne sur la probabilité pour un réseau donné d'entraîner l'algorithme vers un temps exorbitant de surveillance du réseau, c'est à dire le délai d'attente de probabilité. Enfin, nous soulignons l'importance du moyennage pour remédier aux restrictions budgétaires en puissance/perte dans notre système de surveillance afin de supporter de plus grandes tailles de réseaux et plus grandes portées de fibres. Ensuite, nous mettrons à niveau notre dispositif expérimental pour démontrer un m PON avec 16 clients. Nous utilisons un laser à modulation d'exploitation directement à 1 GHz pour générer les impulsions sonde. Les données mesurées par le dispositif expérimental est exploité par l'algorithme de MLSE à détecter et à localiser les clients. Trois déploiements PON différents sont réalisés. Nous démontrons une surveillance plus rigoureuse pour les réseaux ayant une répartition géographique à plusieurs niveaux. Nous étudions aussi le budget de la perte de notre dispositif de soutien plus élevés de capacités du réseau. Enfin, nous étudions le budget total admissible de la perte d'exploitation du système de surveillance dans la bande de fréquences à 1650 nm en fonction des spécifications de l'émetteur/récepteur. En particulier, la limite totale de la perte de budget est représentée en fonction du gain de l'amplicateure de transimpédance (TIA) et le résolution de la conversion analogique-numérique (ADC). Par ailleurs, nous enquêtons sur le compromis entre la distance portée et la capacité (taille de fractionnement au niveau du noeud distant) dans notre système de suivi

Barankin-Type Lower Bound on Multiple Change-Point Estimation

We compute lower bounds on the mean-square error of multiple change-point estimation. In this context, the parameters are discrete and the Cramer-Rao bound is not applicable. Consequently, we focus on computing the Barankin bound (BB), the greatest lower bound on the covariance of any unbiased estimator, which is still valid for discrete parameters. In particular, we compute the multi-parameter version of the Hammersley- Chapman-Robbins, which is a Barankin-type lower bound. We first give the structure of the so-called Barankin information matrix (BIM) and derive a simplified form of the BB. We show that the particular case of two change points is fundamental to finding the inverse of this matrix. Several closed-form expressions of the elements of BIM are given for changes in the parameters of Gaussian and Poisson distributions. The computation of the BB requires finding the supremum of a finite set of positive definite matrices with respect to the Loewner partial ordering. Although each matrix in this set of candidates is a lower bound on the covariance matrix of the estimator, the existence of a unique supremum w.r.t. to this set, i.e., the tightest bound, might not be guaranteed. To overcome this problem, we compute a suitable minimal-upper bound to this set given by the matrix associated with the Loewner-John Ellipsoid of the set of hyper-ellipsoids associated to the set of candidate lower-bound matrices. Finally, we present some numerical examples to compare the proposed approximated BB with the performance achieved by the maximum likelihood estimator.Departamento de Electrotecni