Binnenhuis plaatsbepaling door middel van multipath assisted angle of arrival metingen

Systemen voor indoor lokalisatie maken plaatsafhankelijke toepassingen mogelijk, zoals het volgen en begeleiden van personen of toestellen. Ondanks het uitgebreide gamma van bestaande lokalisatietechnieken gaat de voorkeur meestal uit naar radiofrequente (RF) systemen, omwille van de alomtegenwoordige infrastructuur voor draadloze netwerken. Nochtans zijn deze systemen onderhevig aan multipadeffecten en Non-Line-Of-Sight (NLOS) verbindingen. Courante communicatiesystemen worden meer en meer uitgerust met beamforming technologie op basis van meerdere antennes. Deze evolutie biedt opportuniteiten voor lokalisatietechnieken op basis van Angle of Arrival (AoA) metingen.

In dit onderzoek wordt een AoA lokalisatiesysteem ontworpen dat multipadpropagatie benut voor extra nauwkeurigheid. De voorgestelde techniek met multipadassistentie leunt aan bij de courante fingerprinting methode, aangezien de overeenkomst bepaald wordt tussen een opgemeten vector en een set van referentievectoren. De nieuwe techniek onderscheidt zich echter van standaard fingerprinting technieken, omdat de referentievectoren niet worden opgebouwd uit meetwaarden. In plaats daarvan worden de referentiewaarden berekend door een multipadsimulator. Hiertoe wordt een ray tracer ontworpen die de Line-Of-Sight (LOS) verbinding en de speculaire reflecties berekent op basis van een grondplan. Voor de berekening van de opgemeten vector worden bestaande AoA algoritmes gebruikt, zoals MVDR, MUSIC en ESPRIT. Het resultaat is een algoritme dat de positie van een mobiele zender kan bepalen met behulp van een enkele antenne array op een vaste locatie.

De voorgestelde lokalisatiemethode wordt geïmplementeerd in Matlab, waardoor de ontwikkelde algoritmes uitgebreid geoptimaliseerd en getest kunnen worden. Alle tests worden uitgevoerd met zowel LOS als NLOS connecties, wat de robuustheid van het systeem in wisselende omstandigheden demonstreert. Voor het verzamelen van realistische meetdata in de 2,4 GHz en 5 GHz frequentiebanden wordt een synthetische antenne array ontworpen. De metingen worden uitgevoerd in verscheidene omgevingen, waardoor de werking van het plaatsbepalingsalgoritme geanalyseerd kan worden in functie van de bouwmaterialen en de kamergrootte. Bovendien illustreren deze metingen de nauwkeurigheid van de ontworpen ray tracer. Aan de infrastructuurzijde worden verscheidene hardware parameters onderzocht, zoals de grootte van de antenne array, het aantal arrays en hun geometrische opstelling, de werkingsfrequentie, het aantal metingen, etc. Tenslotte volgt een demonstratie van de voorgestelde AoA techniek, gecombineerd met lokalisatiemethoden gebaseerd op signaalsterkte of -vertraging.

Om de waarde van de multipadassistentie te beoordelen, worden alle metingen verwerkt met zowel het voorgestelde algoritme als een standaard (LOS) AoA methode.  Deze tests wijzen op een verhoogde nauwkeurigheid wanneer multipad propagatie in rekening wordt gebracht, in het bijzonder bij NLOS connecties. Verder wordt de nieuwe plaatsbepalingstechniek getoetst aan gerapporteerde resultaten uit de vakliteratuur. Hieruit blijkt een aanzienlijke verbetering van de nauwkeurigheid in vergelijking met gelijkaardige smalbandige RF systemen.