Received Signal Strength Indicator-Based Adaptive Localization Algorithm for Indoor Wireless Sensor Networks

Solutions for indoor localization have become more critical with recent advancement in context and location-aware technologies. When wireless sensor network (WSN) used in complex indoor environment, great propagation loss will be caused and it is very difficult to estimate adaptively the location of target nodes when environment changed. In this paper, an indoor adaptive localization algorithm based on received signal strength indication (RSSI) for wireless sensor networks is proposed. The algorithm utilizes the RSSI of radio signals radiating from two other fixed nodes to generate the local parameters of signal propagation model for each fixed node, and the parameters are updated online according to environmental variation. According to the estimated parameters of the signal propagation model, iteration method is applied to estimate the position of target node. Through actual experimental tests, the validity of the proposed algorithm is demonstrated

Impacto del modelo de error en distancia en la simulación de sistemas de localización

Las redes inalámbricas han favorecido enormemente el interés de los usuarios, proveedores de servicio y operadores de red en el posicionamiento geográfico. Como consecuencia, se han propuesto mecanismos en la mayor parte de tecnologías de red inalámbrica con los que soportar la localización de usuarios. La evaluación de calidad ofrecida por dichas técnicas de localización, normalmente en términos de precisión, latencia y escalabilidad, recae en herramientas de simulación. Es esencial por tanto, que los modelos de error empleados en estas herramientas estén acordes a la realidad. Este hecho es si cabe más importante en el caso de emplear técnicas de localización basadas en medida de la distancia a partir de métricas temporales, como son el tiempo de llegada (TOA) o la diferencia entre tiempos de llegada (TDOA). Estas técnicas son especialmente sensibles a no disponer de visión directa entre los distintos elementos involucrados en la localización, por lo que la evaluación de sus capacidades suele hacerse bajo esas condiciones. El presente artículo compara bajo un mismo escenario, diversos modelos de error para las métricas empleadas en técnicas como TOA o TDOA. Los resultados concluyen que los modelos que no tienen en cuenta las distancias reales (que son los más habituales) tienden a proporcionar una estimación optimista el error de posicionamiento, cosa que no ocurre en el caso de modelos más complejos que sí tienen en cuenta esa información.Postprint (published version

60 GHz RSS localization with omni-directional and horn antennas

Master'sMASTER OF ENGINEERIN

Impacto del modelo de ranging en sistemas TOA/TDOA. Propuestas de mejora

Castellano: Debido a la creciente popularidad de las redes ad hoc, ha habido un incremento en el interés por sus problemas asociados, especialmente el de posicionamiento de sus nodos. Por eso surgen en los últimos tiempos numerosas técnicas de posicionamiento. Dado que la simulación es la forma más común de evaluar el funcionamiento de las técnicas de posicionamiento, es vital la utilización de un modelo apropiado del entorno, con el fin de obtener evaluaciones realistas. Una característica de los entornos wireless de interior es el efecto provocado por la falta de visibilidad directa entre terminales (Non- Line-of-Sight), el cual deteriora la estimación de la posición en esquemas basados en estimaciones de la distancia (ranging) a través de medidas del tiempo de llegada (Timeof- Arrival). En este estudio se comparan mediante simulaciones de Monte Carlo varios modelos del error de ranging para entornos de interior y se investiga su impacto en los resultados de dos técnicas de localización. Los resultados muestran que el valor eficaz del error de posicionamiento sufre un incremento de hasta el 18% del valor eficaz del error de ranging cuando se usan modelos dependientes de la distancia en vez de sus homólogos independientes. Esto indica que la utilización de modelos dependientes de la distancia puede ser útil para evitar evaluaciones demasiado optimistas. El passive-TDOA (passive Time Difference Of Arrival) es una técnica de posicionamiento recientemente publicada, la cual tiene la interesante propiedad de no inyectar tráfico en la red. En este estudio se ha propuesto una serie de modificaciones sobre la técnica original, al objeto de mejorar la precisión obtenida. Dichas modificaciones consisten en la ponderación de las ecuaciones del sistema resultante de aplicar la técnica passive-TDOA, con el objetivo de penalizar aquellas ecuaciones que se suponen menos fiables. Para ello se han tenido en cuenta dos aspectos. Por un lado, se ha considerado que aquellas ecuaciones provenientes de puntos de acceso lejanos incurren en una mayor imprecisión. Por otro lado, se ha asumido que puntos de acceso cercanos entre si se verán afectados por errores de magnitud similar, puesto que las trayectorias seguidas por la señal se vean salpicadas por las mismas fuentes de error. En contra de lo esperado, los resultados obtenidos muestran que no se ha producido una mejora significativa

Impacto del modelo de ranging en sistemas TOA/TDOA. Propuestas de mejora

Castellano: Debido a la creciente popularidad de las redes ad hoc, ha habido un incremento en el interés por sus problemas asociados, especialmente el de posicionamiento de sus nodos. Por eso surgen en los últimos tiempos numerosas técnicas de posicionamiento. Dado que la simulación es la forma más común de evaluar el funcionamiento de las técnicas de posicionamiento, es vital la utilización de un modelo apropiado del entorno, con el fin de obtener evaluaciones realistas. Una característica de los entornos wireless de\ud interior es el efecto provocado por la falta de visibilidad directa entre terminales (Non- Line-of-Sight), el cual deteriora la estimación de la posición en esquemas basados en estimaciones de la distancia (ranging) a través de medidas del tiempo de llegada (Timeof- Arrival). En este estudio se comparan mediante simulaciones de Monte Carlo varios modelos del error de ranging para entornos de interior y se investiga su impacto en los resultados de dos técnicas de localización. Los resultados muestran que el valor eficaz del error de posicionamiento sufre un incremento de hasta el 18% del valor eficaz del error de ranging cuando se usan modelos dependientes de la distancia en vez de sus homólogos independientes. Esto indica que la utilización de modelos dependientes de la distancia puede ser útil para evitar evaluaciones demasiado optimistas. El passive-TDOA (passive Time Difference Of Arrival) es una técnica de posicionamiento recientemente publicada, la cual tiene la interesante propiedad de no inyectar tráfico en la red. En este estudio se ha propuesto una serie de modificaciones sobre la técnica original, al objeto de mejorar la precisión obtenida. Dichas modificaciones consisten en la ponderación de las ecuaciones del sistema resultante de aplicar la técnica passive-TDOA, con el objetivo de penalizar aquellas ecuaciones que se suponen menos fiables. Para ello se han tenido en cuenta dos aspectos. Por un lado, se ha considerado que aquellas ecuaciones provenientes de puntos de acceso lejanos incurren en una mayor imprecisión. Por otro lado, se ha asumido que puntos de acceso cercanos entre si se verán afectados por errores de magnitud similar, puesto que las trayectorias seguidas por la señal se vean salpicadas por las mismas fuentes de error. En contra de lo esperado, los resultados obtenidos muestran que no se ha producido una mejora significativa

Super Resolution Algorithms for Indoor Positioning Systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

ALO: Sistemas de localización y orientación por ángulos basados en recepción diferencial

Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Escuela Politécnica Superior. Fecha de lectura : 20-07-2016La presente tesis doctoral presenta un algoritmo diseñado para proporcionar la localización y orientación a un nodo, necesitando para ello la existencia de una serie de balizas cuyas posiciones deben ser conocidas. El algoritmo propuesto se ha implementado utilizando señales de ultrasonidos como medio de comunicación entre balizas y nodos, obteniendo un sistema en el que los nodos son capaces de localizarse y orientarse en el interior de viviendas o naves de forma precisa (el sistema alcanza precisiones de unos pocos centímetros en la localización y de unos pocos grados en la orientación) acarreando un reducido coste adicional para cada nodo. El algoritmo se basa en que cada uno de los nodos mide el retardo con el que se recibe la señal generada por cada baliza mediante el uso de varios receptores desplegados en el propio nodo. Posteriormente, el nodo utiliza esta información para determina el ángulo con el que se recibe la señal y, combinando los ángulos percibidos por el nodo respecto a varias balizas, determinar su posición y orientación en todo momento. El algoritmo demanda un reducido coste computacional, lo que permite implementarlo en los microcontroladores o FPGAs de que ya disponen los nodos para realizar las tareas de navegación y sensado, por lo que no se incurre en un coste adicional en este sentido. Además, como el algoritmo se ejecuta en cada uno de los nodos de forma autónoma, el sistema resultante es altamente escalable, permitiendo desplegar cualquier número de nodos en un determinado espacio. En esta tesis se presentan cuatro variantes del algoritmo, las cuales se analizan en detalle tanto analítica como experimentalmente. Cada una de estas variantes permite elegir entre diferentes prestaciones, permitiendo el desarrollo de sistemas en donde cada nodo sólo necesita de un receptor, pero demanda recibir la señal de al menos 4 balizas para poder conocer su posición, hasta dispositivos con cuatro receptores que sólo necesitan de 2 balizas para conocer su posición y orientación y, además, pueden funcionar incluso con la pérdida de uno de sus receptores (a costa de una menor precisión). La decisión entre una u otra variante del algoritmo depende de las necesidades del sistema, siendo posible combinarlas. Adicionalmente, en la presente tesis se recogen los resultados obtenidos al cambiar la tecnología de ultrasonidos por una basada en sonido en el rango audible por el ser humano. Se demuestra que dicha tecnología no es adecuada al obtener mucha menor precisión debido, principalmente, al uso de una menor frecuencia en la señal de referencia y a la interferencia generada por los rebotes en las paredes, techo y objetos situados en el entorno de aplicación.This doctoral thesis presents an algorithm designed to provide the localization and orientation information to a node, requesting the deployment of multiple beacons whose positions shall be known. The performance of the algorithm has been tested using ultrasounds as the reference signals between the beacons and the nodes, obtaining a system where the nodes can locate and orientate themselves precisely in an indoor environment (with an error of a few centimeters in their position and an error of a few degrees in their orientation), demanding a low cost increase to each node. This algorithm is based on measuring the propagation delay of the signal generated at the beacons in multiple receivers deployed in each node. With this information, the node is able to know the reception angle of the signal and, combining the angles received with respect to different beacons, determines its position and orientation. The computational cost of the algorithm is so low that it can be implemented in the microcontrollers or FPGAs already used in the node for the navigation and sensing tasks, so it does not incur in any additional cost for computational purposes. Additionally, as the algorithm is executed autonomously in each node, the system supports any number of nodes deployed in a defined region, resulting in a high scalable system. Four versions of the algorithm are presented, analyzed and experimentally tested. These alternatives allow choosing a different algorithm in function on the performance demanded by the system: from systems where the node only needs one receiver, but demands staying in an area covered by four beacons to know the position of the node, up to systems where the node demands four receivers, but only needs two beacon signals to know its position and orientation. These alternatives can be combined, increasing the performance of the system. Additionally, this document shows the results obtained when the algorithm is implemented with sound signals, concluding that this technology is not a good choice as it obtains lower performance than the same algorithm implemented with ultrasonic technology. This lower performance is caused due to the lower frequency of sound signals and due to the interferences of the rebounds on the ceiling, walls and objects deployed in the environment