Wireless Positioning Applications in Multipath Environments

Funklokalisierung in der Umgebung mit der Mehrwegeausbreitung In den vergangenen Jahren wurde zunehmend Forschung im Bereich drahtlose Sensornetzwerk (engl. „Wireless Sensor Network“) betrieben. Lokalisierung im Innenraum ist ein vielversprechendes Forschungsthema, das in den Literaturen vielfältig diskutiert wird. Jedoch berücksichtigen die meisten Arbeiten einen wichtigen Faktor nicht, nämlich die Mehrwegeausbreitung, welche die Genauigkeit der Lokalisierung beeinflusst. Diese Arbeit bezieht sich auf Lokalisierungsanwendungen in UWB (Ultra-Breitband-Technologie)- und WLAN (drahtloses lokales Netzwerk)- Systemen im Fall von Mehrwegeausbreitung. Zur Steigerung der Robustheit der Lokalisierungsanwendungen bei Mehrwegeausbreitung wurden neuartige Lokalisierungsalgorithmen, die auf der Auswertung der Ankunftszeit (engl. „Time of Arrival“, ToA), der empfangenen Signalstärke (engl. „Received Signal Strength“, RSS) und dem Einfallswinkel (engl. „Angle of Arrival“, AoA) basieren, vorgestellt und untersucht. Bei Mehrwegeausbreitung ist die Fragen den direkten Pfad zu lösen, da der direkte Pfad (engl. „Direct Path“, DP) schwächer als anderer Pfad sein kann. In dieser Arbeit werden daher neuartige Algorithmen zur Flankendetektion der empfangenen Signale für UWB Systeme entwickelt, um die Positionsbestimmung zu verbessern: Es gibt die kooperative Flankendetektion (engl. „Joint Leading Edge Detection“, JLED), die erweiterte maximalwahrscheinlichkeitbasierte Kanalschätzung (engl. „Improved Maximum Likelihood Channel Estimation“, IMLCE) und die Flankendetektion mit untervektorraumbasiertem Verfahren (engl. „Subspace based Approaches“, SbA). Bei der kooperativen Flankendetektion werden zwei Kriterien herangezogen nämlich die minimale Fläche und das minimale mittlere Quadrat des Schätzfehlers (engl. „Minimum Mean Squared Error“, MMSE). Weiterhin wird ein monopulsbasierter Kanalschätzer (engl. „Monopulse based Channel Estimator“, MCE) entwickelt, um die möglicherweise falsche Kombinationen der Flanken (engl. „Leading Edge Combination“, LEC) auszuschließen. Zudem wird in der Arbeit der erweiterte MLCE vorgestellt, der aus einem groben und einem genauen Schätzungsschritt besteht. Bei dem neuartigen untervektorraumbasierten Verfahren werden ein statischer und ein Schwundkanal untersucht. Im ersten Fall wird die Kombination der Rückwärtssuchalgorithmus mit untervektorraumbasierten Verfahren untersucht. Zudem wird im zweiten Fall ein untervektorraumbasierte Verfahren im Frequenzbereich vorgestellt. Für die RSS-basierte Lokalisierung wird ein Fingerabdruckverfahren (engl. „Fingerprint Approach“) und ein neuartiger Entfernungsschätzer basierend auf der Kanalenergie entwickelt und implementiert. Schließlich wird in der Arbeit ein Lokalisierungssystem mit Winkelschätzern inklusive einer entsprechenden Kalibrierung auf einer 802.11a/g Hardwareplattform vorgestellt. Dazu wird ein neuartiger Trägerschätzer und Kanalschätzer entwickelt.In the past several years there has been more growing research on Wireless Sensor Network (WSN). The indoor localization is a promising research topic, which is discussed variously in some literatures. However, the most work does not consider an important factor, i.e. the multi-path propagation, which affects the accuracy of the indoor localization. This work dealt with the indoor localization applied in UWB (Ultra Wide Band) and WLAN (Wireless Local Area Network) systems in the case of multi-path propagation. To improve the robustness of the applications of localization in the case of multi-path propagation, novel localization algorithms based on the evaluation of the Time of Arrival (ToA), the Received Signal Strength (RSS) and the Angle of Arrival (AoA) were proposed and investigated. In the ToA based localization systems, the detection of shortest signal propagation time plays a critical role. In the case of multi-path propagation, the Direct Path (DP) needs to be resolved because the DP may be weaker than Multi Path Components (MPC). Thus the novel algorithms for leading edge detection were developed in this work in order to improve the accuracy of localization, namely Joint Leading Edge Detection (JLED), Improved Maximum Likelihood Channel Estimation (IMLCE) and the leading edge detection with Subspace based Approaches (SbA). Two criteria were proposed and referenced for the JLED, namely Minimum Area (MA) and Minimum Mean Squared Error (MMSE). Furthermore, a monocycle-based channel estimator was developed to mitigate the fake LECs (Leading Edge Combination). The estimation error of JLED was theoretically analyzed and simulated for evaluation of the estimator. IMLCE consists of a coarse and a fine estimation step. The coarse position of the first correlation peak shall be found with the Search Back Algorithms (SBA), which is followed by MLCE-algorithms. The novel SbA was investigated in a static and a fading channel. In the former case, the iterative algorithm, which combines SbA with SBA, was investigated. In the latter case, the FD-SbA (Frequency Domain - SbA) was proposed, which requires to calculate the covariance matrix in the FD. For the RSS based localization, fingerprint approach and the novel channel energy based distance estimator were investigated and developed in this dissertation. Finally, a localization system using AoA estimation and the initial calibration was presented on an 802.11a/g hardware platform. A novel Carrier Frequency Offset (CFO) estimator and channel estimator were investigated and developed. The measurement campaigns were made for one, two and four fixed stations, respectivel

Étude d'un réseau de capteur UWB pour la localisation et la communication dans un environnement minier

Le jour n'est peut-être pas très loin où une mine pourra compter sur un système de communication sans fil pour échanger des données, transmettre des informations ou localiser des travailleurs dans le cas d'une activité normale ou en cas d'urgence. Au point de vue de la sécurité, un système de communications sans fil aurait l'avantage de localiser en temps réel un travailleur ou un engin. Les travailleurs se déplacent sans cesse dans une mine. Avec une technologie sans fil permanente, on pourrait localiser les personnes de manière relativement précise. Même en cas d'éboulement, avec une technologie adaptée, il serait possible de savoir où se trouve la personne en détresse. Notre travail de recherche s'inscrit dans la perspective du développement d'un réseau de capteurs ultra large bande (UWB) pour deux applications : l'aide à la radiolocalisation et l'extension du réseau de capteurs sans fil dans la mine. Cette étude est focalisée sur trois aspects. La première partie de notre étude consiste à étudier tous les problèmes reliés à la radiolocalisation dans la mine. Vue l'importance de cette application, nous avons mis en oeuvre un réseau de capteurs en tenant compte d'un futur déploiement dans la mine. La technologie utilisée repose sur la technologie ultra large bande. Comme il n'existe pas de travaux qui traitent ce genre de problèmes, nous avons commencé notre étude par une caractérisation du canal UWB dans les mines souterraines. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs campagnes de mesure sur site (mine expérimentale) ont été menées. Nous sommes parvenus à une modélisation du canal de propagation et à avancer des recommandations pour aider au dimensionnement d'un réseau de capteurs dans ce type d'environnement. Dans la première partie, le but est d'étudier le problème de radiolocalisation avec les réseaux de capteurs. Notre scénario proposé serait de placer des capteurs sur chaque agent (mineur, engin). On suppose que chaque noeud (agent) qui circule à travers un réseau d'ancre maillé (déjà déployé), va extraire des informations de distance (en utilisant le critère de temps d'arrivée), ensuite il va utiliser un algorithme de positionnement distribué afin de déterminer sa propre position. Lors de cette partie nous avons aussi étudié quelques estimateurs cohérents et non-cohérents du temps d'arrivée. La caractérisation de l'erreur de mesure utilisant le temps d'arrivée dans un environnement minier a été aussi évaluée. Enfin, dans la dernière partie, nous avons analysé par simulations un déploiement d'un réseau de capteurs UWB ad hoc dans la mine. Nous avons choisi d'adopter une approche théorique afin d'évaluer les performances de cette configuration. Une conception intercouche pour un routage optimal a été étudiée. Nous avons utilisé la couche physique/réseau afin de minimiser l'énergie consommée lors de l'acheminement du données