Indoor Multipath Assisted Angle of Arrival Localization

206 Pages·2017·5.1 MB·English

by  Stijn Wielandt

ARENBERG DOCTORAL SCHOOL
Faculty of Engineering Technology
Indoor
Multipath Assisted
Angle of Arrival
Localization
Stijn Wielandt
Supervisor: Dissertation presented in partial
Prof. dr. ir. L. De Strycker fulfillment of the requirements for the
Co-supervisor: degree of Doctor of Engineering
Prof. dr. ir. B. Nauwelaers Technology (PhD)
November 2017

Indoor
Multipath Assisted
Angle of Arrival
Localization
Stijn WIELANDT
Examination committee: Dissertation presented in partial
Prof. dr. ir. D. Moens, chair fulfillment of the requirements for
Prof. dr. ir. L. De Strycker, supervisor thedegreeofDoctorofEngineering
Prof. dr. ir. B. Nauwelaers, co-supervisor Technology (PhD)
Ing. J.-P. Goemaere
Dr. ir. N. Stevens
Prof. dr. ir. L. Van der Perre
Prof. dr. ir. J. Bauwelinck
(Ghent University - Belgium)
Prof. dr.-ing. M. Kuhn
(Darmstadt University of Applied Sciences -
Germany)
Dr. ir. P. Lambrecht
(Newtec Cy - Belgium)
November 2017
©2017KULeuven–FacultyofEngineeringTechnology
Uitgegevenineigenbeheer,StijnWielandt,GebroedersDeSmetstraat1,B-9000Gent(Belgium)
Allerechtenvoorbehouden. Nietsuitdezeuitgavemagwordenvermenigvuldigden/ofopenbaargemaaktworden
door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaande
schriftelijketoestemmingvandeuitgever.
Allrightsreserved. Nopartofthepublicationmaybereproducedinanyformbyprint,photoprint,microfilm,
electronicoranyothermeanswithoutwrittenpermissionfromthepublisher.
Preface
Inthisthesis,Iproudlypresentmyworkofthepastfouryears. Thelastmonths
mainlyconsistedoftechnicalreflections,however,inthisfinalstatementIwould
like to express my gratitude to the people that contributed to this end result in
any way.
My career in academics started in 2011, when I joined the DRAMCO research
group for investigating wireless power systems. Nobby Stevens, Jean-Pierre
Goemaere, Prof. Lieven De Strycker and Prof. Liesbet Van der Perre deserve
a great thank you for their support and belief, and all the opportunities they
created during the past six years. In October 2013, I was given the chance to
start a PhD in the field of indoor multipath assisted AoA localization. The
journey that followed was marked by ups and downs, but I could always fall
backuponmycolleaguesforinspiration,supportandfriendship. Gilles,Bogdan,
Dries, Joyrai, Qingli, Yanxiang, Geoffrey, Guus, Anneleen, Other Stijn, Ben,
Davy,Bart,Henk,Bert,Jeroen,Tom,Kenneth,Steven,Willem,Jan,Karel,The
Old Kevin and The New Kevin: thank you, you made our office a fascinating
workplace. I will always connect the smell of hot glue, burned flux and sawdust
to our lab. Occasionally, my research also brought me to the campus in Leuven.
In this context, I am particularly grateful to Cheng-Ming, Sen and Vladimir of
TELEMIC for offering their RF expertise and insights. In 2015 and 2016, I had
the opportunity to work at the Darmstadt University of Applied Sciences for
two months. Therefore, a special thanks goes out to Prof. Michael Kuhn for
hosting me twice, theseexperiences were not only fruitful from a technical point
of view, but also meant a cultural enrichment. Sharing an office with Tobias
and Matthias was great, and I genuinely appreciate all efforts and contributions
of the professors of the department of electrical engineering and information
technology. My work as a researcher also involved the supervision of bachelor
and master thesis students in Ghent and in Darmstadt. I wish to praise them
for their motivation and diligence, which often resulted in nice results and
demonstrations in my field of research.
i
ii PREFACE
TheoutcomeofthisPhDistheresultoftheguidancebymyadvisorycommittee.
IamthankfultoProf. LievenDeStryckerandProf. BartNauwelaersfortaking
ontherolesofsupervisors,guidingmetowardsthisendpoint. Alsomyassessors
contributed to this result with constructive remarks and advice. Therefore
I would like to thank Peter Lambrecht, Prof. Michael Kuhn, Jean-Pierre
Goemaere and Nobby Stevens. I am also grateful to the extra jury members,
Prof. Johan Bauwelinck and Prof. Liesbet Van der Perre, for their expert
judgement and contribution to the quality of this text. Furthermore, I wish to
thank Prof. David Moens for presiding the jury.
Last but not least, I want to express my gratitude towards my friends and
family, who supported me along the way and interestedly listened to my stories
about beamforming, or at least pretended to. I especially want to thank my
parents for their endless support and encouragement. The opportunities they
gave me brought me where I am today.
Stijn Wielandt
August 5, 2017
Sint-Niklaas
Abstract
Indoor positioning systems enable a broad range of location aware applications,
ranging from guidance and tracking to position based entertainment. A
multitude of localizationsystems exists, but Radio Frequency (RF) technologies
are mostly preferred, due to the omnipresence of wireless communication
infrastructure and handsets. However, the localization accuracy is often
impaired by Non-Line-Of-Sight (NLOS) connections and indoor multipath
effects, driving further research in this domain. An interesting evolution in
widely deployed communication systems is the transition to multi-antenna
devices with beamforming capabilities. These properties form an opportunity
for localization methods based on Angle of Arrival (AoA) estimation.
This work investigates how multipath propagation can be exploited to enhance
the accuracy of AoA localization systems. The presented multipath assisted
method resembles a fingerprinting approach, matching an AoA measurement
vectortoasetofreferencevectors. Incontrasttocommonfingerprintingsystems,
reference data is not generated by labor intensive site surveying. Instead, a ray
tracer is developed, simulating Line-Of-Sight (LOS) and specularly reflected
multipath components based on a-priori known floor plan information. For the
calculation of AoA measurement vectors, the established MVDR, MUSIC and
ESPRIT algorithms are employed. The resulting algorithm requires only one
fixed receiving antenna array to determine the position of a mobile transmitter
in a room.
The proposed method is implemented in a Matlab® framework for indoor
positioning, allowing an extensive optimization and evaluation of the developed
localization algorithms. All tests are performed in LOS and NLOS conditions,
providing insights in the robustness of the system. For the acquisition of
real-world measurement data, a flexible hardware setup is designed, consisting
of a linear synthetic antenna array for the 2.4 GHz and 5 GHz bands. The
measurementsareperformedinvariousenvironments, allowinganassessmentof
localization accuracy as a function of building materials and room sizes. Also,
iii
iv ABSTRACT
the performance of the implemented multipath simulator is examined. At the
infrastructure side, multiple hardware parameters are investigated, for example
the size of the antenna array, the number of arrays and their geometrical
organization, the operating frequency, the number of array snapshots, etc.
Finally, the combination of AoA with received signal strength and time of flight
techniques is demonstrated within the same localization framework.
In order to assess the added value of simulating multipath components, all
measurements are processed by the multipath assisted AoA method, as well as
a standard AoA approach. These tests indicate the superior accuracy of the
multipath assisted method, especially in NLOS conditions. Furthermore, the
performance of the presented system is compared to results in literature. This
leads to the conclusion that the proposed system yields a considerable accuracy
improvement over similar RF positioning systems.
Beknopte samenvatting
Systemenvoorindoorlokalisatiemakenplaatsafhankelijketoepassingenmogelijk,
zoals het volgen en begeleiden van personen of toestellen. Ondanks het
uitgebreidegammavanbestaandelokalisatietechniekengaatdevoorkeurmeestal
uit naar radiofrequente (RF) systemen, omwille van de alomtegenwoordige in-
frastructuurvoordraadlozenetwerken. Nochtanszijndezesystemenonderhevig
aan multipadeffecten en Non-Line-Of-Sight (NLOS) verbindingen. Courante
communicatiesystemen worden meer en meer uitgerust met beamforming
technologieopbasisvanmeerdereantennes. Dezeevolutiebiedtopportuniteiten
voor lokalisatietechnieken op basis van Angle of Arrival (AoA) metingen.
In dit onderzoek wordt een AoA lokalisatiesysteem ontworpen dat multipad-
propagatie 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)verbindingendespeculairereflectiesberekentopbasisvan
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
v
vi BEKNOPTESAMENVATTING
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. Dezetestswijzenopeenverhoogdenauwkeurigheidwanneermultipad
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.