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Título: Parameter estimation algorithms for impulse radio UWB localization systems
Autores: Shang, Fang
Fecha: 2014
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Electronics and Electrical
Descripción: Ultra Wideband (UWB) Impulse Radio (IR) technology has attracted considerable attention in the past few years due to its many desirable properties, such as the ability to penetrate through walls and ground, low power spectral density level, immunity to multipath fading and high temporal resolution. UWB radio is not restricted to radar and communications applications, but is also extensively used for indoor localization and tracking. Indeed, IR-UWB is especially well-suited for these applications since it offers centimeter accuracy, has low power requirements and allows for low cost hardware implementations.Precise radio localization and tracking require the prior estimation of one or more key physical parameters, including: Angle of Arrival (AOA), Signal Strength (SS), Time Of Arrival (TOA) and Time Difference Of Arrival (TDOA). In this thesis, we study and design new low-complexity, yet accurate algorithms for parameter estimation in IR-UWB localization systems, including TOA and AOA, under single and multiple users scenarios. The original contributions of the thesis are organized along three main axes as follows.The first problem we consider is the estimation of the TOA along with the Average Power Delay Profile (APDP), in a single-antenna single-user system operating at a sub-Nyquist rate. Indeed, while a priori knowledge of the APDP is assumed in many existing TOA estimators, its estimation has been overlooked in the literature. We assume a multi-cluster parametric model for the APDP and estimate its parameters via log-domain Least-Squares (LS) fitting; the estimated APDP is then used in conjunction with a maximum likelihood criterion to obtain the TOA estimate. Secondly, still in the context of single-user systems, we consider the case where an antenna array is employed at the receiver, and we develop a joint estimator of the TOA and AOA. The proposed method consists of two steps: (1) preliminary estimation of the TOA and APDP using energy-based threshold crossing and log-domain LS fitting, respectively; (2) joint TOA refinement and AOA estimation by local search of a Log-Likelihood Function (LLF) which employs the preliminary estimates from the first step. The derivation of the LLF relies on an original formulation in which the superposition of images from secondary paths is modeled as a Gaussian random process, whose second order statistical properties are characterized by a wideband space-time correlation function. In addition to the APDP, this function incorporates a special gating mechanism to represent the onset of the secondary paths, thereby leading to a novel form of the LLF. Our third and final contribution deals with the extension of these newly proposed estimators to the multi-user case. More specifically, we consider the joint estimation of the TOA and AOA in the presence of Multi-User Interference (MUI), which is known to seriously degrade the estimation accuracy of these parameters. To solve this problem, we propose a new low-complexity approach which now includes three steps: (1) time alignment and averaging of the antenna signals using Time-Hopping (TH) codes to mitigate the effects of MUI; (2) preliminary TOA estimation based on energy detection followed by quadratic averaging; (3) joint TOA and AOA estimation using the previously developed LLF, but extended to account for MUI.The performance of all these newly proposed methods and algorithms is thoroughly investigated by means of numerical simulation experiments over realistic UWB radio channels. Comparisons are made with the current state of the art as well as to closed-form expressions for the Cramer-Rao bound, which are also derived in this thesis. In all cases, significant improvements in estimation accuracy are demonstrated, as compared to existing benchmark approaches.
Les technologies d'impulsions radio (IR) à ultra large bande (UWB) n'est pas limitée aux applications radar et de communications et s'avère très utile pour la localisation et le suivi des sources à l'intérieur des édifices. En effet, l'IR-UWB est particulièrement bien adaptée à ce genre d'applications puisqu'elle offre une grande précision (de l'ordre du centimètre), demande une faible consommation de puissance et permet une mise en œuvre électronique à faible coût. Dans cette thèse, nous concevons et portons à l'étude de nouveaux algorithmes à complexité réduite, mais toujours très précis pour l'estimation de paramètres physiques tels que le temps d'arrivée (TOA) et l'angle d'arrivée (AOA),, dans les systèmes de localisation IR-UWB à la fois pour les scénarios à usager unique et multi-usagers. Nos contributions originales s'orientent selon trois axes principaux.Le premier problème que nous abordons est celui de l'estimation du TOA conjointement avec le profil de puissance du retard moyenné (APDP), dans un système à usager simple et antenne unique opérant en régime sub-Nyquist. En effet, bien que la connaissance a priori du APDP soit supposée connue dans de nombreux estimateurs du TOA de ce type, son estimation a été quelque peu négligée dans la littérature. Nous considérons un modèle paramétrique à agglomérats multiples pour l'APDP et estimons ses paramètres au moyen d'un ajustement par la méthode des moindres carrés (LS) dans le domaine logarithmique. L'APDP ainsi obtenu est alors utilisé dans un critère de maximum de vraisemblance (ML) afin d'obtenir l'estimé du TOA. Deuxièmement, toujours dans un contexte d'usager unique, nous considérons le cas où un réseau d'antennes est utilisé au récepteur et développons un estimateur conjoint du TOA et de l'AOA. La méthode proposée consiste en deux étapes : (1) estimation préliminaire du TOA et de l'APDP par dépassement de seuil basé sur l'énergie et par ajustement LS dans le domaine logarithmique, respectivement, (2) raffinement du TOA et estimation de l'AOA, conjointement au moyen d'une recherche locale du maximum de la fonction de vraisemblance (LLF), utilisant les estimés préliminaires de l'étape précédente. La détermination de la LLF repose sur une formulation originale du problème dans laquelle la superposition des images provenant de trajets secondaires est modélisée comme un processus aléatoire Gaussien, dont les propriétés statistiques du second ordre sont caractérisées par une fonction de corrélation spatio-temporelle à large bande. En plus de l'APDP, cette fonction incorpore un mécanisme de déclenchement servant à représenter l'arrivée des trajets secondaires, ce qui conduit à une forme nouvelle de la LLF. Notre troisième et dernière contribution porte sur l'extension des nouveaux estimateurs au cas multi-usagers. Plus précisément, nous considérons l'estimation jointe du TOA et de l'AOA en présence d'interférence multi-usagers (MUI), laquelle peut avoir des effets dévastateurs sur la précision de cette estimation si elle n'est pas tenue en compte. En guise de solution à ce problème, nous proposons une nouvelle approche à complexité réduite et reposant maintenant sur trois étapes: (1) alignement temporel des signaux reçus aux antennes au moyen du code de saut temporel (TH) de l'usager désiré, dans le but de réduire les effets de la MUI; (2) estimation préliminaire des TOA basée sur la détection d'énergie suivie d'un moyennage quadratique; (3) estimation jointe du TOA et de l'AOA par maximisation de la LLF développée précédemment, mais étendue afin de tenir compte de la MUI. Des comparaisons sont faites avec d'autres méthodes de pointe dans ce domaine ainsi qu'avec la borne de Cramer-Rao dont les diverses expressions sont développées dans la thèse. Dans tous les cas soumis à l'étude, des améliorations majeures sont démontrées au niveau de la précision des estimés, en comparaison avec les méthodes existantes.
Idioma: en