HIGH RESOLUTION TIME-OF-ARRIVAL RANGING OF WIRELESS SENSOR NODES IN NON-HOMOGENOUS ENVIRONMENTS

Wireless Sensor Networks (WSN) have emerging applications in homogeneous environments such as free space. In addition, WSNs are finding new applications in non-homogeneous (NH) media. All referred applications entail location information of measured data or observed event. Localization in WSNs is considered as the leading remedy, which refers to the procedure of obtaining the sensor nodes relative location utilizing range measurements. Localization via Time-of-Arrival (ToA) estimation has received considerable attention because of high precision and low complexity implementation, however, the traditional techniques are not feasible in NH media due to frequency dispersion of transmitted ranging waveform. In this work, a novel and effective ToA-based ranging technique for localization in NH media consisting of frequency dispersive sub-media is proposed. First challenges of ToA estimation in NH media regarding frequency dispersion is investigated. Here, a novel technique which improves ToA estimation resolution at fixed bandwidth via maximum rising level detector (MRLD) technique is discussed. The MRLD receiver utilizes oversampling and multiple correlation paths to evaluate with high resolution the path corresponding to the maximum rising level of matched filters output. In order to achieve higher resolution, a novel and effective ToA estimation is introduced that incorporates orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) subcarriers. In the proposed technique, pre-allocated orthogonal subcarriers are utilized to construct a ranging waveform which enables high performance ToA estimation in dispersive NH media in frequency domain. Here, we show that each frequency component of propagated waveform is received with different time delay and phase which dramatically increases the number of unknowns in the received signal system model. Then, we propose a novel idea based on frequency domain analysis of the transmitted OFDMA subcarriers to reduce the number of unknowns exploiting feasible approximations. Finally, the proposed ToA technique is applied multiple times at different carrier frequencies to create a system of linear equations which can be solved to compute the available sub-mediums thickness and range. Simulation results prove that the proposed technique offers high resolution range measurements given simulated ToA estimation error at different signal to noise ratio regimes in NH media

Cramer-Rao bounds in the estimation of time of arrival in fading channels

This paper computes the Cramer-Rao bounds for the time of arrival estimation in a multipath Rice and Rayleigh fading scenario, conditioned to the previous estimation of a set of propagation channels, since these channel estimates (correlation between received signal and the pilot sequence) are sufficient statistics in the estimation of delays. Furthermore, channel estimation is a constitutive block in receivers, so we can take advantage of this information to improve timing estimation by using time and space diversity. The received signal is modeled as coming from a scattering environment that disperses the signal both in space and time. Spatial scattering is modeled with a Gaussian distribution and temporal dispersion as an exponential random variable. The impact of the sampling rate, the roll-off factor, the spatial and temporal correlation among channel estimates, the number of channel estimates, and the use of multiple sensors in the antenna at the receiver is studied and related to the mobile subscriber positioning issue. To our knowledge, this model is the only one of its kind as a result of the relationship between the space-time diversity and the accuracy of the timing estimation.Peer ReviewedPostprint (published version

Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described.[ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC).[CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es presePiqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264TESI

Techniques for RF localization of wireless capsule endoscopy

© 2016 IEEE. Location estimation of a wireless capsule endoscope at 400 MHz MICS band is implemented here using both RSSI and TOA-based techniques and their performance investigated. To improve the RSSI-based location estimation, a maximum likelihood (ML) estimation method is employed. For the TOA-based localization, FDTD coupled with continuous wavelet transform (CWT) is used to estimate the time of arrival and localization is performed using multilateration. The performances of the proposed localization algorithms are evaluated using a computational heterogeneous biological tissue phantom in the 402MHz-405MHz MICS band. Our investigations reveal that the accuracy obtained by TOA based method is superior to RSSI based estimates. It has been observed that the ML method substantially improves the accuracy of the RSSI-based location estimation

Spatial channel characterization for smart antenna solutions in FDD wireless networks

This paper introduces a novel metric for determining the spatial decorrelation between the up- and down-link wireless bearers in frequency division duplex (FDD) networks. This metric has direct relevance to smart or adaptive antenna array base-station deployments in cellular networks, which are known to offer capacity enhancement when compared to fixed coverage solutions. In particular, the results presented were obtained from field trial measurement campaigns for both urban and rural scenarios, with the observations having a direct impact on the choice of down-link beamforming architecture in FDD applications. Further, it is shown that significant spatial decorrelation can occur in urban deployments for bearer separations as small as 5 MHz. Results are presented in terms of both instantaneous characteristics as well as time averaged estimates, thus facilitating the appraisal of smart antenna solutions in both packet and circuit switched network

Statistical Nested Sensor Array Signal Processing

Source number detection and direction-of-arrival (DOA) estimation are two major applications of sensor arrays. Both applications are often confined to the use of uniform linear arrays (ULAs), which is expensive and difficult to yield wide aperture. Besides, a ULA with N scalar sensors can resolve at most N − 1 sources. On the other hand, a systematic approach was recently proposed to achieve O(N 2 ) degrees of freedom (DOFs) using O(N) sensors based on a nested array, which is obtained by combining two or more ULAs with successively increased spacing. This dissertation will focus on a fundamental study of statistical signal processing of nested arrays. Five important topics are discussed, extending the existing nested-array strategies to more practical scenarios. Novel signal models and algorithms are proposed. First, based on the linear nested array, we consider the problem for wideband Gaussian sources. To employ the nested array to the wideband case, we propose effective strategies to apply nested-array processing to each frequency component, and combine all the spectral information of various frequencies to conduct the detection and estimation. We then consider the practical scenario with distributed sources, which considers the spreading phenomenon of sources. Next, we investigate the self-calibration problem for perturbed nested arrays, for which existing works require certain modeling assumptions, for example, an exactly known array geometry, including the sensor gain and phase. We propose corresponding robust algorithms to estimate both the model errors and the DOAs. The partial Toeplitz structure of the covariance matrix is employed to estimate the gain errors, and the sparse total least squares is used to deal with the phase error issue. We further propose a new class of nested vector-sensor arrays which is capable of significantly increasing the DOFs. This is not a simple extension of the nested scalar-sensor array. Both the signal model and the signal processing strategies are developed in the multidimensional sense. Based on the analytical results, we consider two main applications: electromagnetic (EM) vector sensors and acoustic vector sensors. Last but not least, in order to make full use of the available limited valuable data, we propose a novel strategy, which is inspired by the jackknifing resampling method. Exploiting numerous iterations of subsets of the whole data set, this strategy greatly improves the results of the existing source number detection and DOA estimation methods

On geometry-base statistical channel models for MIMO wireles communications

El uso de sistemas de comunicación de banda ancha de múltiple entradamúltiple salida (Multiple Input Multiple Output MIMO) es actualmente objeto de un interés considerable. Una razón para esto es el reciente desarrollo de sistemas de comunicación móvil de tercera generación (3G) y superiores, tales como la tecnología de banda ancha Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA, por sus siglas en inglés), la cual proporciona canales de radio de 5 MHz de ancho de banda. Para el diseño y la simulación de estos sistemas de radio móviles que usan propagación inalámbrica MIMO (como Wideband-CDMA por ejemplo), necesitamos modelos de canal que provean la requerida información espacial y temporal necesaria para el estudio de tales sistemas, esto es, los parámetros básicos de modelado en los dominios del espacio y el tiempo. Como ejemplo podemos mencionar, el valor cuadrático medio de la dispersión del retardo (Delay spread DS) el cual está directamente relacionado a la capacidad de un sistema de comunicación específico y nos da una idea aproximada de la complejidad del receptor. En esta tesis, se propone un modelo basado en geometría con enfoque en grupos (clusters) y es utilizado para el análisis en los dominios del espacio y el tiempo para condiciones estacionarias, y para representar los perfiles de potencia-angulo-retardo (Power Delay Angle Profiles PDAPs) de los componentes multi-trayectoria en ambientes urbanos. Además, se han derivado soluciones en formas cerradas para las expresiones en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo. La investigación previa sobre el modelado de canales cubre una amplia variedad de aspectos en varios niveles de detalle, incluyendo análisis para condiciones no estacionarias. Sin embargo el trabajo presentado en la literatura no incluye las relaciones entre los grupos (cluster) físicos y los PDAPs. El modelo propuesto basado en grupos (clusters) puede ser usado para mejorar aún más el desempeño en condiciones estacionarias de los sistemas de comunicaciones móviles actuales y futuros tales como los sistemas de comunicación MIMO de banda ancha. En la tesis también se presenta un análisis en el dominio del ángulo (espacial) y del tiempo respectivamente, a través de las funciones densidad de probabilidad (PDF) de la dirección de llegada (Direction of Arrival DOA) y el tiempo de llegada (Time of Arrival TOA) para el modelo basado en grupos. A fin de evaluar las funciones de probabilidad teóricas derivadas, éstas han sido comparadas con resultados experimentales publicados en la literatura. La comparación con estos resultados experimentales muestran una buena concordancia, no obstante la técnica de modelado presentada en esta tesis se encuentra limitada a condiciones estacionarias del canal. La condición de no estacionariedad se ubica más allá del alcance de esta tesis, es decir, el modelo propuesto no incorpora el efecto Doppler en los análisis