EXPERIMENTAL EVALUATION OF MACHINE LEARNING ALGORITHMS FOR FINGERPRINTING INDOOR LOCALIZATION

One of the most preferred range-free indoor localization methods is the location fingerprinting. In the fingerprinting localization phase machine learning algorithms have widespread usage in estimating positions of the target node. The real challenge in indoor localization systems is to find out the proper machine learning algorithm. In this paper, three different machine learning algorithms for training the fingerprint database were used. We analysed the localization accuracy depending on a fingerprint density and number of line-of-sight (LOS) anchors. Experiments confirmed that Gaussian processes algorithm is superior to all other machine learning algorithms. The results prove that the localization accuracy can be achieved with a sub-decimetre resolution under typical real-world conditions

Infrared ranging in multipath environments for indoor localization of mobile targets

Esta tesis aborda el problema de la medida de diferencias de distancia mediante señales ópticas afectadas por multicamino, aplicada a la localización de agentes móviles en espacios interiores. Los avances en robótica, entornos inteligentes y vehículos autónomos han creado un campo de aplicación específico para la localización en interiores, cuyos requerimientos de precisión (en el rango de los cm) son muy superiores a los demandados por las aplicaciones de localización orientadas a personas, en cuyo contexto se han desarrollado la mayor parte de las alternativas tecnológicas. La investigación con métodos de geometría proyectiva basados en cámaras y de multilateración basados en medida de distancia con señales de radiofrecuencia de banda ancha, de ultrasonido y ópticas han demostrado un rendimiento potencial adecuado para cubrir estos requerimientos. Sin embargo, todas estas alternativas, aún en fase de investigación, presentan dificultades que limitan su aplicación práctica. En el caso de los sistemas ópticos, escasamente estudiados en este contexto, los trabajos previos se han basado en medidas de diferencia de fase de llegada de señales infrarrojas moduladas sinusoidalmente en intensidad. Una infraestructura centralizada computa medidas diferenciales, entre receptores fijos, de la señal emitida desde el móvil a posicionar, y calcula la posición del móvil mediante trilateración hiperbólica a partir de éstas. Estas investigaciones demostraron que se pueden alcanzar precisiones de pocos centímetros; sin embargo, las interferencias por multicamino debidas a la reflexión de la señal óptica en superficies del entorno pueden degradar esta precisión hasta las decenas de centímetros dependiendo de las características del espacio. Así pues, el efecto del multicamino es actualmente la principal fuente de error en esta tecnología, y por tanto, la principal barrera a superar para su implementación en situaciones reales. En esta tesis se propone y analiza un sistema de medida con señales ópticas que permite obtener estimaciones de diferencias de distancia precisas reduciendo el efecto crítico del multicamino. El sistema propuesto introduce una modulación con secuencias de ruido pseudoaleatorio sobre la modulación sinusoidal típicamente usada para medida de fase por onda continua, y aprovecha las propiedades de ensanchamiento en frecuencia de estas secuencias para reducir el efecto del multicamino. El sistema, que realiza una doble estimación de tiempo y fase de llegada, está compuesto por una etapa de sincronización que posibilita la demodulación parcialmente coherente de la señal recibida, seguida de un medidor diferencial de fase sobre las componentes desensanchadas tras la demodulación. Las condiciones de multicamino óptico típicas en espacios interiores, con una componente de camino directo claramente dominante, permiten que el proceso de demodulación recupere más potencia del camino directo que del resto de contribuciones, reduciendo el efecto del multicamino en la estimación final. Los resultados obtenidos demuestran que la aplicación del método propuesto permitiría realizar posicionamiento a partir de señales ópticas con el rendimiento adecuando para aplicaciones de robótica y guiado de vehículos en espacios interiores; además, el progresivo aumento de la potencia y el ancho de banda de los dispositivos optoelectrónicos disponibles permite esperar un incremento considerable de las prestaciones de la propuesta en los próximos años

Communication Subsystems for Emerging Wireless Technologies

The paper describes a multi-disciplinary design of modern communication systems. The design starts with the analysis of a system in order to define requirements on its individual components. The design exploits proper models of communication channels to adapt the systems to expected transmission conditions. Input filtering of signals both in the frequency domain and in the spatial domain is ensured by a properly designed antenna. Further signal processing (amplification and further filtering) is done by electronics circuits. Finally, signal processing techniques are applied to yield information about current properties of frequency spectrum and to distribute the transmission over free subcarrier channels

Accuracy evaluation of probabilistic location methods in UWB-RFID systems

The present project is focused on investigating the achievable accuracy of classical location methods commonly used in wireless and proposing an alternative location method based on combining two of them. The first part of the project studies the advantages and disadvantages of extending Ultra Wideband and Radiofrequency Identification technologies on some classical location methods. As a result of the study and with the goal of improving accuracy in indoor radio propagation channels, the Received Strength Signal-based location method and the Time Difference Of Arrival-based location method are selected to be combined in the alternative location method, including the proper channel models. This combined location method takes advantage of the virtues of each location method and combines information in order to improve the estimation of one target's position when locating in indoor channel. The second part of the project is devoted to analyse and simulate the modified RSS, TDOA and Combined location methods, considering the randomness of a real multipath fading channel. Results show that the Combined location method performs always the best accuracy. Specifically in analytical study, the combined location method provides a deterministic error of 24 cm which represents an improvement of 54% and 15% of the RSS and TDOA accuracies respectively. In the simulated study, results show that it is able to improve the accuracy up to 46% and 85% of the RSS and TDOA respectively in specific evaluated points

Accuracy evaluation of probabilistic location methods in UWB-RFID systems

The present project is focused on investigating the achievable accuracy of classical location methods commonly used in wireless and proposing an alternative location method based on combining two of them. The first part of the project studies the advantages and disadvantages of extending Ultra Wideband and Radiofrequency Identification technologies on some classical location methods. As a result of the study and with the goal of improving accuracy in indoor radio propagation channels, the Received Strength Signal-based location method and the Time Difference Of Arrival-based location method are selected to be combined in the alternative location method, including the proper channel models. This combined location method takes advantage of the virtues of each location method and combines information in order to improve the estimation of one target's position when locating in indoor channel. The second part of the project is devoted to analyse and simulate the modified RSS, TDOA and Combined location methods, considering the randomness of a real multipath fading channel. Results show that the Combined location method performs always the best accuracy. Specifically in analytical study, the combined location method provides a deterministic error of 24 cm which represents an improvement of 54% and 15% of the RSS and TDOA accuracies respectively. In the simulated study, results show that it is able to improve the accuracy up to 46% and 85% of the RSS and TDOA respectively in specific evaluated points

IR-UWB and OFDM-UWB Transceiver Nodes for Communication and Positioning Purposes

Résumé Ultra-wideband (UWB) a suscité l'intérêt de chercheurs et de l'industrie en raison de ses nombreux avantages tels que la faible probabilité d'interception et de la possibilité de combiner la communication des données de positionnement dans un seul système. Il existe plusieurs UWB couche physique (PHY) présentées initialement à la norme IEEE qui convergent en deux propositions principales: des porte-UWB ou Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM-UWB), et à court d'impulsion porteuse à-UWB ou Impulse Radio-(IR-UWB). Une des plus grandes tâches difficiles pour les chercheurs est de nos jours la conception d'émetteurs-récepteurs UWB optimisés qui satisfont à des conditions rigoureuses, dont la simplicité caractéristiques large bande, à faible coût et de conception. Des études antérieures ont montré que les récepteurs à conversion directe basée sur Wave-radio interféromètre (WRI) circuits représentent un bon candidat pour les applications UWB. Circuits IRG ont plusieurs avantages tels que l'exploitation à large bande, à faible coût et la simplicité. Des travaux antérieurs sur l'IRG circuit, cependant, a enquêté sur le circuit de l'IRG sur la base du concept de porteuse unique signaux (par exemple, les signaux sinusoïdaux). L'objectif de ce projet est de fournir les résultats de conception, de simulation, de mise en oeuvre et le test d'un émetteur-récepteur WRI basé sur ce que peut être utilisé comme un noeud ou un pico-réseau dans un détecteur sans fil / réseau de données. Nous allons passer par les étapes de conception et de mise en oeuvre de propositions UWB deux: IR-UWB et OFDM-UWB. Pour la proposition porteuse à nous concentrer sur la conception et la mise en oeuvre de l'émetteur-récepteur en intégrant les opérations de transmission / réception dans un prototype unique, alors que pour la proposition des porte-nous concevoir et mettre en oeuvre l'émetteur-récepteur avec le circuit de l'IRG dans le récepteur seulement utilisé en tant que convertisseur abaisseur directe. Résultats expérimentaux, de simulation et d'analyse ont été obtenus et sont présentés dans cette thèse.----------Abstract Ultra-wideband (UWB) technology has attracted interest from both researchers and the industry due to its numerous advantages such as low probability of interception and the possibility of combining data communication with positioning in a single system. There are several different UWB physical layer (PHY) proposals originally submitted to IEEE which converged into two main proposals: carrier‐based UWB or Orthogonal-Frequency Division Multiplexing (OFDM‐UWB), and short‐pulse carrierless‐UWB or Impulse-Radio (IR-UWB). One of the biggest challenging tasks for researchers nowadays is the design of optimized UWB transceivers that would satisfy rigorous conditions, among which wideband characteristics, low-cost and design simplicity. Previous studies have shown that direct-conversion receivers based on Wave-Radio Interferometer (WRI) circuits represent a suitable candidate for UWB applications. WRI circuits have several advantages such as wideband operation, low cost, and simplicity. Previous works on WRI circuit, however, investigated the WRI circuit based on the concept of single-carrier signals (i.e., sinusoidal signals). The objective of this project is to provide the design, simulation, implementation and testing results of a WRI-based transceiver that can be utilized as a node or a piconet in a wireless sensor/data network. We will go through the design and implementation steps for both UWB proposals: IR-UWB and OFDM-UWB. For the carrierless proposal we will focus on designing and implementing the transceiver by integrating the transmitter/receiver operations in a single prototype, while for the carrier‐based proposal we will design and implement the transceiver with the WRI circuit in the receiver only utilized as a direct downconverter