Coherent Time Difference of Arrival Estimation Techniques for Frequency Hopping GSM Mobile Radio Signals

197 Pages·2013·22.15 MB·English

by  Alexander Gerald Götz

Coherent Time Difference
of Arrival Estimation
Techniques for Frequency
Hopping GSM Mobile
Radio Signals
von
Dr.-Ing. Alexander Götz
Friedrich-Alexander-University, Erlangen-Nuremberg
Oldenbourg Verlag München
Dr.-Ing. Alexander Gerald Götz studied Electrical Engineering, Electronics and
Information Technology at Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg,
Germany and graduated as Dipl.-Ing. Univ. in May 2008. Subsequently he was
engaged as research assistant and doctoral candidate at the Institute for Electronics
Engineering (Prof. R. Weigel) at Friedrich-Alexander-University Erlangen-Nuremberg,
Germany and graduated as Dr.-Ing. in September 2012. At the Institute for Electronics
Engineering he conducted research in the area of GSM mobile phone localization in
search and rescue scenarios. His main research interests are in the field of communi-
cation engineering, localization and radar technology, digital signal processing, radio
frequency engineering as well as analog and digital circuit design.
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.d-nb.de abrufbar.
© 2013 Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH
Rosenheimer Straße 143, D-81671 München
Telefon: [phone]
www.oldenbourg-verlag.de
Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung
außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig
und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen
und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen.
Lektorat: Johannes Breimeier
Herstellung: Constanze Müller
Einbandgestaltung: hauser lacour
Gesamtherstellung: Books on Demand GmbH, Norderstedt
Dieses Papier ist alterungsbeständig nach DIN/ISO 9706.
ISBN 978-3-486-73178-1
eISBN 978-3-486-74862-8
Coherent Time Difference of Arrival
Estimation Techniques for Frequency Hopping
GSM Mobile Radio Signals
Kohärente Verfahren zur Laufzeitdifferenzschätzung für
frequenzspringende GSM-Mobilfunksignale
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR-INGENIEUR
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Univ.
Alexander Gerald Götz
Erlangen - 2012
Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 8. Juni 2012
Tag der Promotion: 17. September 2012
Dekanin der Fakultät: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein
1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Martin Vossiek
Abstract
In this work, coherent techniques for time difference of arrival estimation for frequency
hopping GSM signals are introduced. The techniques provide significant improvements
in accuracy compared to state-of-the-art techniques and are ideally suited for highly
accurate localization of GSM mobile phones.
The key inventive concept is based on the interpretation of a frequency hopping GSM
signalasawidebandsignal. Thus,theapplicablebandwidthfortimedifferenceofarrival
estimation can be increased from 200kHz for the narrowband burst signal to the full
uplink bandwidth of the corresponding GSM standard. For E-GSM 900 systems, up to
35MHz of bandwidth can be employed. Consequently, a localization accuracy in the
scale of 5−10m is achievable.
An essential requirement of the presented techniques is the phase preserving, i.e. coher-
entacquisitionandprocessingofthesignals. Forcoherentsignalacquisition,twopossible
frontendimplementationsareproposedandthecorrespondingsignalsaremodeled. Fur-
thermore, two different coherent techniques for time difference of arrival estimation are
analytically derived and investigated.
The performance of the coherent techniques is compared to a representative incoherent
state-of-the-art technique by computer simulations. The main emphasis of the investi-
gations is on the noise performance and multipath resolvability of the techniques. The
performance of the presented coherent techniques is shown to be superior compared to
the incoherent state-of-the-art technique.
The applicability of the presented techniques in real scenarios is verified by a hardware
prototypesystem. Theprototypesystemarchitectureshowstomeetthefundamentales-
timationrequirements andthemeasurement results provide aproof-of-concept. Further
research on this topic is therefore encouraged.
The presented coherent techniques fortime difference of arrivalestimation permitnovel
applicationswithincreasedaccuracyrequirementssuchashighlyaccuratelocalizationin
search and rescue scenarios. Furthermore, the coherent estimation concept can also be
adaptedtoanyfrequencyhoppingsignalsourcesuchasTETRA,DECT,IEEE802.15.4
(ZigBee) and IEEE 802.15.1 (Bluetooth) devices.

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Verfahren zur Laufzeitdifferenzschätzung von
frequenzspringenden GSM-Mobilfunksignalen. Die vorgestellten Verfahren ermöglichen
wesentliche Verbesserungen der Schätzgenauigkeit im Vergleich zum Stand der Technik
und sind für die hochgenaue Ortung von GSM-Mobiltelefonen ausgelegt.
Die Kernidee besteht in der Interpretation des frequenzspringenden GSM-Mobilfunk-
signalsalsBreitbandsignal. Auf diese WeisekanndienutzbareBandbreitezurLaufzeit-
differenzschätzung von 200kHz für ein schmalbandiges Burstsignal bis auf die volle
Bandbreite der Aufwärtsstrecke des zugehörigen GSM-Standards erweitert werden. Für
E-GSM 900 stehen somit bis zu 35MHz an Bandbreite zur Verfügung. Somit wird eine
Ortungsgenauigkeit in der Größenordnung von 5−10m ermöglicht.
Einewesentliche VoraussetzungfürdievorgestelltenVerfahrenistdiephasenerhaltende,
d.h. kohärente Erfassung und Verarbeitung der Signale. Für die kohärente Signalerfas-
sung werden zwei mögliche Implementierungen der Empfängerkomponenten vorgeschla-
gen und die zugehörigen Empfangssignale modelliert. Des Weiteren werden zwei un-
terschiedliche kohärente Verfahren zur Laufzeitdifferenzschätzung analytisch hergeleitet
und untersucht.
Die Eigenschaften der kohärenten Verfahren werden mittels Rechnersimulationen mit
einem repräsentativen inkohärenten Verfahren verglichen, das den gegenwärtigen Stand
derTechnikdarstellt. DerSchwerpunkt derUntersuchungen liegthierbeiimRauschver-
halten sowie der Auflösbarkeit von Mehrwegepfaden. Es wird hierbei gezeigt, dass die
vorgestellten kohärenten Verfahren wesentlich bessere Ergebnisse erzielen als das inko-
härente Verfahren.
DieAnwendbarkeitdervorgestelltenVerfahreninrealenUmgebungenwirdmittelseines
Prototyps verifiziert. Es wird gezeigt, dass die Systemarchitektur des Prototyps die
wesentlichen VoraussetzungenfürdieLaufzeitdifferenzschätzung erfüllt. Zudembestäti-
gen die Messergebnisse die Anwendbarkeit des vorgestellten Konzepts. Eine weiter-
führende Forschung in diesem Gebiet erscheint hierdurch vielversprechend.
Die vorgestellten Verfahren zur Laufzeitdifferenzschätzung ermöglichen neuartige An-
wendungenmiterhöhtenGenauigkeitsanforderungenwiebeispielsweise einehochgenaue
Ortung von Verschütteten in Rettungs- und Bergungsszenarien. Des Weiteren kanndas
vorgestellte Konzept auf beliebige andere Signalquellen mit Frequenzsprungverfahren
wie beispielsweise TETRA, DECT, IEEE 802.15.4(ZigBee)sowie IEEE 802.15.1(Blue-
tooth) erweitert werden.