Table Of ContentMobile Positioning and Tracking
Mobile Positioning and Tracking: From Conventional to Cooperative Techniques João Figueiras and Simone Frattasi
© 2010 John Wiley & Sons Ltd. ISBN: 978-0-470-69451-0
Mobile Positioning and
Tracking
From Conventional to Cooperative
Techniques
JoãoFigueiras
AalborgUniversity,Denmark
SimoneFrattasi
AalborgUniversity,Denmark
A John Wiley and Sons, Ltd, Publication
Thiseditionfirstpublished2010
©2010JohnWiley&SonsLtd
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JohnWiley&SonsLtd,TheAtrium,SouthernGate,Chichester,WestSussex,PO198SQ,
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LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Figueiras,João.
Mobilepositioningandtracking:fromconventionaltocooperativetechniques/João
Figueiras,SimoneFrattasi.
p.cm.
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ISBN978-0-470-69451-0(cloth:alk.paper)
1.Location-basedservices.2.Mobilegeographicinformationsystems.3.Wireless
communicationsystems.4.Electronicsinnavigation.I.Frattasi,Simone.II.Title.
TK5105.65.F542010
621.384–dc22
2010008337
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ISBN978-0-470-69451-0(H/B)
Setin11/13ptTimesbySunriseSettingLtd,Torquay,UK.
PrintedandBoundinSingaporebyMarkonoPrintMediaPteLtd.
... tomyfamily
João Figueiras
...to mylove, Sara
SimoneFrattasi
Contents
AbouttheAuthors xv
Preface xvii
Acknowledgements xix
ListofAbbreviations xxi
Notations xxix
1 Introduction 1
1.1 Application AreasofPositioning (Chapter2) . . . . . . . . . . . . 5
1.2 BasicsofWireless Communications forPositioning (Chapter3) . . 6
1.3 Fundamentals ofPositioning (Chapter4) . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 DataFusionandFilteringTechniques (Chapter5) . . . . . . . . . . 7
1.5 Fundamentals ofTracking(Chapter6) . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6 ErrorMitigation Techniques(Chapter7) . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.7 Positioning SystemsandTechnologies (Chapter8) . . . . . . . . . 8
1.8 CooperativeMobilePositioning (Chapter9) . . . . . . . . . . . . . 9
2 ApplicationAreasofPositioning 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Localization Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Location-based Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 LBSecosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 Taxonomies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2.1 Application categories . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Location-based NetworkOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 Radionetworkplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2 Radioresourcemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2.1 Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2.2 Powercontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2.3 Packetscheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2.4 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
viii CONTENTS
2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 BasicsofWireless CommunicationsforPositioning 33
NicolaMarchetti
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 RadioPropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 Pathloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.2 Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.3 Small-scalefading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2.3.1 Multipathfading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.4 Radiopropagation andmobilepositioning . . . . . . . . . . 37
3.2.4.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.4.2 Positionestimation . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.4.3 NLOSpositioning errormitigation . . . . . . . . 39
3.2.5 RSS-basedpositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Multiple-antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3.1 Spatialdiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2 Spatialmultiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.3 Gainsobtainedbyexploiting thespatialdomain . . . . . . . 42
3.3.3.1 Arraygain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.3.2 Diversitygain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3.3 Multiplexing gain . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3.4 Interference reduction . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.4 MIMOandmobilepositioning . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Modulation andMultiple-access Techniques . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1 Modulation techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1.1 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.1.2 Spreadspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 Multiple-access techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2.1 TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2.2 FDMA/OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.2.3 CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2.4 SDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2.5 CSMA/CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.3 OFDMAandmobilepositioning . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5 RadioResourceManagementandMobilePositioning . . . . . . . . 51
3.5.1 Handoff,channelreuseandinterference adaptation . . . . . 51
3.5.1.1 Handoffprioritization . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.5.1.2 Channelreuseandinterference adaptation . . . . 53
3.5.1.3 Predictivechannel reservation . . . . . . . . . . . 53
3.5.2 Powercontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.6 CooperativeCommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.6.1 RSS-basedcooperative positioning . . . . . . . . . . . . . 54
CONTENTS ix
3.7 CognitiveRadioandMobilePositioning . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 FundamentalsofPositioning 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Classification ofPositioning Infrastructures . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.1 Positioning-system topology . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 Physicalcoveragerange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.3 Integration ofpositioning solutions . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 TypesofMeasurements andMethodsfortheirEstimation . . . . . . 65
4.3.1 CellID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 Signalstrength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.3 Timeofarrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.4 Timedifference ofarrival. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.5 Angleofarrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.6 Personal-information identification . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Positioning Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1 Proximitysensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1.1 Physicalcontact . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1.2 Identitymethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4.1.3 Macropositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.2 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2.1 Lateration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2.2 Hyperboliclocalization . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.2.3 Angulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.3 Fingerprinting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3.1 Calibrationphasefordatabase creation . . . . . . 78
4.4.3.2 Image/video approaches . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.3.3 Collaborative approachfordatabase maintenance 79
4.4.4 Deadreckoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.5 Hybridapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.5.1 Hybridangulation andlateration . . . . . . . . . 80
4.4.5.2 Hybridangulation andhyperbolic localization . . 81
4.5 ErrorSourcesinPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1.1 Non-line-of-sight . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1.2 Multipathfading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.5.1.3 Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.1.4 Bodyshadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.1.5 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.1.6 Theionosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.2 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.3 Equipmentandtechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
x CONTENTS
4.6 MetricsofLocationAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.1 Circularerrorprobability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.2 Dilutionofprecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.3 Cramér–Raolowerbound(CRLB) . . . . . . . . . . . . . . 89
4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5 DataFusionandFilteringTechniques 91
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2 Least-squares Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.1 Linearleastsquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.2.2 Recursiveleastsquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.3 Weightednonlinear leastsquares . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.3.1 Exampleofapplication . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2.4 Theabsolute/local-minimum problem . . . . . . . . . . . . 100
5.3 BayesianFiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3.1 TheKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3.1.1 ExtendedKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.1.2 UnscentedKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.1.3 Convergence issues . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.3.2 Theparticlefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3.3 Grid-basedmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4 EstimatingModelParametersandBiasesinObservations . . . . . . 110
5.4.1 Precalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4.2 Jointparameter andstateestimation . . . . . . . . . . . . . 112
5.5 AlternativeApproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5.1 Fingerprinting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5.2 Timeseriesdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.5.2.1 Singleexponential smoothing . . . . . . . . . . . 116
5.5.2.2 Thedoubleexponential smoother . . . . . . . . . 116
5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 FundamentalsofTracking 119
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.2 ImpactofUserMobilityonPositioning . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.1 Localizingstaticdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.2 Addedcomplexityintracking . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.2.3 Additionalknowledge incooperative environments . . . . . 121
6.3 MobilityModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.1 Conventional models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.2 Modelsbasedonstochastic processes . . . . . . . . . . . . 122
6.3.2.1 Brownian-motionmodel . . . . . . . . . . . . . . 122
6.3.2.2 Randomwalkmodel . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.3.2.3 Waypointrandomwalk . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.2.4 Gauss–Markovmodel . . . . . . . . . . . . . . . 125
CONTENTS xi
6.3.2.5 ModelsbasedonMarkovchains . . . . . . . . . 126
6.3.3 Geographical-restriction models . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.3.1 Pathwaymobilitymodel . . . . . . . . . . . . . . 128
6.3.4 Groupmobilitymodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.3.4.1 Referencepointgroupmobilitymodel . . . . . . 131
6.3.4.2 Correlationgroupmobilitymodel . . . . . . . . . 131
6.3.5 Social-based models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3.5.1 Modelbasedonasociability factor . . . . . . . . 133
6.4 TrackingMovingDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4.1 Mitigatingobstructions inthepropagation conditions . . . . 136
6.4.2 Trackingnonmaneuvering targets . . . . . . . . . . . . . . 136
6.4.3 Trackingmaneuvering targets . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.4.3.1 Processadaptation usingmaneuverdetection . . . 138
6.4.3.2 Multiple-model approaches . . . . . . . . . . . . 139
6.4.4 Learningpositionandtrajectory patterns . . . . . . . . . . 141
6.4.4.1 Theexpectation maximization algorithm . . . . . 142
6.4.4.2 Thek-meansalgorithm . . . . . . . . . . . . . . 144
6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7 ErrorMitigation Techniques 149
IsmailGuvenc
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2 SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2.1 Maximum-likelihood algorithm forLOSscenarios . . . . . 153
7.2.2 Cramér–RaolowerboundsforLOSscenarios . . . . . . . . 154
7.3 NLOSScenarios:Fundamental LimitsandMLSolutions . . . . . . 155
7.3.1 ML-basedalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
7.3.2 Cramér–Raolowerbound . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.4 Least-squares Techniques forNLOSLocalization . . . . . . . . . . 162
7.4.1 Weightedleastsquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.4.2 Residual-weighting algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.5 Constraint-based TechniquesforNLOSLocalization . . . . . . . . 165
7.5.1 Constrained LSalgorithm andquadratic programming . . . 165
7.5.2 Linearprogramming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
7.5.3 Geometry-constrained location estimation . . . . . . . . . . 166
7.5.4 Interior-point optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
7.6 RobustEstimatorsforNLOSLocalization . . . . . . . . . . . . . . 170
7.6.1 HuberM-estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.6.2 Leastmediansquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
7.6.3 Otherrobustestimationoptions . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.7 IdentifyandDiscardTechniquesforNLOSLocalization . . . . . . 172
7.7.1 Residualtestalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
xii CONTENTS
8 PositioningSystemsandTechnologies 177
AndreasWaadt,GuidoH.BruckandPeterJung
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
8.2 SatellitePositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
8.2.2 Basicprinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.2.2.1 Mathematicalbackground . . . . . . . . . . . . . 180
8.2.3 Satellitepositioning systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2.3.1 Introductory remarks . . . . . . . . . . . . . . . 183
8.2.3.2 TheGlobalPositioning System . . . . . . . . . . 183
8.2.3.3 Augmentationsystems . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2.3.4 GPSIIIandGALILEO . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2.4 Accuracyandreliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.2.5 Drawbackswhenappliedtomobilepositioning . . . . . . . 184
8.3 CellularPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
8.3.2 GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.3.2.1 CellID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.3.2.2 RSSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
8.3.2.3 Mobile-assisted TOA . . . . . . . . . . . . . . . 191
8.3.2.4 Accuracyandreliability . . . . . . . . . . . . . . 193
8.3.3 UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.3.3.1 3GPPstandardization . . . . . . . . . . . . . . . 195
8.3.3.2 OTDOA-IPDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.3.3.3 U-TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
8.3.3.4 A-GNSS-basedpositioning . . . . . . . . . . . . 198
8.3.4 Emergencyapplications incellularnetworks . . . . . . . . 199
8.3.5 Drawbackswhenappliedtomobilepositioning . . . . . . . 200
8.4 WirelessLocal/Personal AreaNetworkPositioning . . . . . . . . . 200
8.4.1 Solutionsontopofwirelesslocalnetworks . . . . . . . . . 200
8.4.1.1 UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
8.4.1.2 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.4.1.3 WLAN(Wi-Fi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4.2 Dedicatedsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4.2.1 RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
8.4.2.2 Infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
8.4.2.3 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
8.5 AdhocPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
8.6 HybridPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.6.1 Heterogeneous positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.6.2 CellularandWLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
8.6.3 AssistedGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
8.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
