Sensor resource management with evolutionary algorithms applied to indoor positioning

Premio Extraordinario de Doctorado de la UAH en el año académico 2016-2017Esta tesis pretende contribuir a la mejora de la gestión de recursos en sistemas de sensores aplicados a localización en interiores. Mediante esta gestión pueden abordarse dos temas, la colocación de estos sensores y su uso óptimo una vez colocados, centrándose la tesis en el primero de ellos. Durante la tesis se considera el uso de un sistema de posicionamiento en interiores basado en señales infrarrojas con medida de diferencia de fase. Estas medidas de fase son posteriormente transformadas en distancias, con lo cual nuestro problema es el de trilateración hiperbólica utilizando medidas de diferencia de distancia. Aunque se describe un modelo para el error en diferencia de distancias del enlace infrarrojo, podemos abstraernos de este y simplemente considerar que utilizamos medidas de diferencia de distancia que están normalmente distribuidas con una varianza dada por el modelo usado. De hecho, el trabajo expuesto en esta tesis podría ser usado con cualquier otro sistema del cual obtengamos un modelo de los errores de medida, ya sea empleando además trilateración esférica o angulación. La gran mayoría de trabajos que mejoran la precisión de un sistema de posicionamiento colocando sensores optimizan funciones de coste basadas en el límite inferior de Cramér-Rao, enfoque que adoptamos también en este trabajo. En el capítulo de la tesis dedicado al estado del arte hacemos un repaso de las diferentes propuestas existentes, que concluye explicando qué pretendemos aportar sobre las contribuciones existentes en la literatura científica. En resumen, podemos clasificar las propuestas actuales en tres clases. La primera de ellas trata de determinar una configuración óptima para localizar un objetivo, normalmente utilizando el determinante de la matriz de información de Fisher o la dilución de la precisión. Estos métodos pueden obtener expresiones analíticas que proporcionan una explicación sobre como intervienen las características de los sensores y su colocación en la precisión obtenida. Sin embargo, carecen de aplicabilidad en situaciones reales. El segundo tipo de propuestas emplea métodos numéricos para optimizar la colocación de sensores considerando varios objetivos o un área entera. Los métodos propuestos en esta tesis encajan dentro de esta categoría. Por último, existen métodos que utilizan técnicas de selección de sensores para obtener configuraciones óptimas. Entre las distintas propuestas encontramos varias deficiencias, como la simplificación del modelo de error de la medida para obtener expresiones fácilmente tratables, la consideración de un solo criterio de precisión de la localización, colocación de un número determinado y fijo de sensores, o su despliegue en áreas simples que no presenten problemas de oclusiones. Nuestra primera aportación trata de solucionar la consideración de un único criterio de precisión, que normalmente es el determinante o la traza de la matriz de covarianza o información de la estimación. Cada métrica obtenida de estas matrices tiene un significado práctico distinto, y la consideración de solo una de ellas puede dar lugar a soluciones que presenten deficiencias en las otras, como la obtención de elipses de error muy alargadas. Nuestra propuesta implica el uso de algoritmos evolutivos multifunción que optimicen varias de estas métricas, como el error cuadrático medio en todo el área, la isotropía de la solución, y la máxima desviación que puede aparecer. Esto nos permite tener un conjunto de soluciones dadas en un frente de Pareto, que permitirán al gestor de la red de sensores visualizar las posibles soluciones y elegir entre ellas según las necesidades. También permite obtener colocaciones que mejoren la convergencia de algunos estimadores. La segunda contribución de la tesis se ocupa de la colocación de sensores en zonas más complejas, donde existan obstáculos que provoquen oclusiones a algunos sensores. De esta manera, podemos introducir el problema de intentar cubrir la mayor cantidad de puntos del espacio con el número mínimo de sensores necesario para calcular la posición de un objetivo. Dicho número influirá en el porcentaje de área cubierto y en la precisión obtenida, además de aumentar el coste del sistema. Debido a esto, también será un objetivo a optimizar junto a la cobertura y la incertidumbre de la posición estimada. Para llevar a cabo esta optimización se propone una mejora sobre el algoritmo utilizado en la aportación anterior basada en el uso de subpoblaciones y añadiendo operadores genéticos que modifiquen el número de sensores según la cobertura y condensación en los distintos puntos de la zona a cubrir. Cada uno de los capítulos dedicado a las aportaciones descritas contiene resultados y conclusiones que confirman el buen funcionamiento de los métodos propuestos. Finalmente, la tesis concluye con una lista de propuestas que serán estudiadas en un futuro

Robust Localization for Mixed LOS/NLOS Environments With Anchor Uncertainties

Localization is particularly challenging when the environment has mixed line-of-sight (LOS) and non-LOS paths and even more challenging if the anchors’ positions are also uncertain. In the situations in which the parameters of the LOS-NLOS propagation error model and the channel states are unknown and uncertainties for the anchors exist, the likelihood function of a localizing node is computationally intractable. In this paper, assuming the knowledge of the prior distributions of the error model parameters and that of the channel states, we formulate the localization problem as the maximization problem of the posterior distribution of the localizing node. Then we apply variational distributions and importance sampling to approximate the true posterior distributions and estimate the target’s location using an asymptotic minimum mean-square-error (MMSE) estimator. Furthermore, we analyze the convergence and complexity of the proposed variational Bayesian localization (VBL) algorithm. Computer simulation results demonstrate that the proposed algorithm can approach the performance of the Bayesian Cramer-Rao bound (BCRB) and outperforms conventional algorithm

Target localization in MIMO radar systems

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) radar systems employ multiple antennas to transmit multiple waveforms and engage in joint processing of the received echoes from the target. MIMO radar has been receiving increasing attention in recent years from researchers, practitioners, and funding agencies. Elements of MIMO radar have the ability to transmit diverse waveforms ranging from independent to fully correlated. MIMO radar offers a new paradigm for signal processing research. In this dissertation, target localization accuracy performance, attainable by the use of MIMO radar systems, configured with multiple transmit and receive sensors, widely distributed over an area, are studied. The Cramer-Rao lower bound (CRLB) for target localization accuracy is developed for both coherent and noncoherent processing. The CRLB is shown to be inversely proportional to the signal effective bandwidth in the noncoherent case, but is approximately inversely proportional to the carrier frequency in the coherent case. It is shown that optimization over the sensors\u27 positions lowers the CRLB by a factor equal to the product of the number of transmitting and receiving sensors. The best linear unbiased estimator (BLUE) is derived for the MIMO target localization problem. The BLUE\u27s utility is in providing a closed-form localization estimate that facilitates the analysis of the relations between sensors locations, target location, and localization accuracy. Geometric dilution of precision (GDOP) contours are used to map the relative performance accuracy for a given layout of radars over a given geographic area. Coherent processing advantage for target localization relies on time and phase synchronization between transmitting and receiving radars. An analysis of the sensitivity of the localization performance with respect to the variance of phase synchronization error is provided by deriving the hybrid CRLB. The single target case is extended to the evaluation of multiple target localization performance. Thus far, the analysis assumes a stationary target. Study of moving target tracking capabilities is offered through the use of the Bayesian CRLB for the estimation of both target location and velocity. Centralized and decentralized tracking algorithms, inherit to distributed MIMO radar architecture, are proposed and evaluated. It is shown that communication requirements and processing load may be reduced at a relatively low performance cost