E354 - Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering
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Date (published):
2022
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Number of Pages:
169
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Keywords:
indoor localization; positioning; internet of things; time difference of arrival; angle of arrival; received signal strength; energy efficiency; software-defined radio
en
Abstract:
Lokalisierung in geschlossenen Räumen hat über die letzten Jahre große Bedeutung gewonnen. Während GNSS Lösungen für Anwendungen im Freien gut geeignet sind, ist ihr Nutzen für präzise Lokalisierung in Innenräumen beschränkt, da in der Regel die Sichtverbindung zu den Satelliten fehlt. Trotz jahrelanger Forschungsarbeit hat sich bis heute für solche Szenarien keine vergleichbare einzelne dominante Methode etabliert. Es existieren vielmehr eine Vielzahl von unterschiedlichen Herangehensweisen, sowohl in Hinblick auf Hardware, als auch in Fragen der Algorithmik, alle mit individuellen Vor- und Nachteilen behaftet. Die Lösungen sind dabei oft für die konkreten Anwendungen maßgeschneidert. So unterscheidet sich zum Beispiel das Verfolgen der Position eines einzelnen beweglichen Zieles fundamental von Anwendungen in der Lagerhaltung, wo eine Vielzahl sporadisch bewegter Knoten im Ganzen beobachtet werden soll. Letzteres steht im Fokus dieser Arbeit. Die Motivation dafür erwächst sich aus der Tatsache, dass über die letzten Jahre Milliarden solcher Knoten im Kontext des wachsenden internet of things (IoT) installiert wurden, meist ohne Funktionalität zur Lokalisierung. Wenn sich nun neue Anwendungsfelder für die bereits existierender Knoten ergeben, die ursprünglich nicht vorgesehen waren, ist die Wiederverwendung der langlebigen Hardware aus ökonomischen Gründen wünschenswert. Konkrete Möglichkeiten dafür auszuloten, ist Ziel dieser Arbeit. Zentrale Herangehensweise ist die Verwendung von Radiowellen im industrial, scientific, and medical (ISM) Band bei 2,4 GHz, da viele existierende Systeme in diesem lizenzfreien Frequenzbereich kommunizieren. Schwund aufgrund von Mehrwegeausbreitung und Interferenz sind die charakteristischen Eigenschaften in Innenraumszenarien. Die beschränkte Signalbandbreite der typischerweise eingesetzten Sende- und Empfangshardware machen Messungen der Signallaufzeit (ToF) zu einer großen Herausforderung. Es wird daher eine neuartige Methode vorgestellt, die eine drastische Erhöhung der Sendebandbreite weitverbreiteter Funkchips erlaubt. Sie basiert auf der Generierung eines Chirp-Signals durch direkte Manipulation des eingesetzten Synthesizers. Die Signalmodulation und die sich ergebende benötigte digitale Signalverarbeitung werden näher ausgeführt. Im Gegensatz zur Sendebandbreite, kann die Empfangsbandbreite nicht im selben Maße erhöht werden. Daher ist eine geeignete Empfängerinfrastruktur mit ausreichender Signalabtastrate notwendig, um eine Lokalisierung der ausschließlich sendenden Knoten zu erlauben. Da die Zeitsynchronisierung von Sender und Empfängern zum Zwecke von Laufzeitmessungen unmöglich ist, müssen die Empfänger synchronisiert werden, um auf differentielle Laufzeitmessungen (TDoA) zurückgreifen zu können. Dafür wird ein geeignetes Systemmodel ausgearbeitet, das Synchronisierungsungenauigkeiten berücksichtigt. Mit diesem Model und den davon abgeleiteten unteren Schranken der möglichen Schätzgenauigkeit werden die Anforderungen an eine Empfängerinfrastruktur abgeschätzt. Im Zuge einer Messkampagne wurden die hier vorgeschlagenen Ansätze unter realen Bedingungen mithilfe von Software-Defined Radios (SDR) getestet. Mit einer Kombination von differentiellen Laufzeit-, Einfallswinkel- und Signalstärkemessungen kann ein mittlerer quadratischer Fehler von 2,19 m erreicht werden. Dies zeigt, dass sogar mit der Beschränkung auf Hardware mit stark limitierten Möglichkeiten zur Lokalisierung gute Resultate erzielt werden können.
de
Indoor localization has become an important topic in recent years. While for outdoor use, highly developed global navigation satellite systems (GNSS) are the omnipresent method for localization, their application in indoor scenarios is limited, due to obstructed line-of-sight (LoS) links to the satellites. Despite many years of vigorous research, no comparable single dominant method has been established for indoor use cases. Rather, there exist a multitude of different approaches, from both hardware and algorithmic perspective, all having individual advantages and disadvantages. Suitable solutions often strongly depend on the concrete application. For example, tracking of a single moving user is different from location awareness of large ensembles of internet of things (IoT) nodes. The latter is of particular research interest, as over the years vast numbers of such nodes were deployed for numerous applications, initially without capabilities for localization. Over time, new use cases might arise for such nodes which have not been foreseen upon deployment. The reuse of existing IoT hardware is desirable in such cases, as changes to large numbers of nodes are costly. Possibilities to enable localization under these circumstances are studied in this thesis. The focus lies on the use of radio waves in the industrial, scientific, and medical (ISM) radio band at 2.4 GHz, as many existing systems make use of this unlicensed frequency band. Multipath fading and interference is characteristic for the typical indoor channel. To overcome the drawbacks of the limited signal bandwidth of widely used hardware in scenarios prone to such multipath effects, a novel method is suggested which allows extending the available transmit signal bandwidth. With this method, meaningful time of flight (ToF) measurements become feasible. It relies on direct manipulation of the synthesizer of a transceiver chip, allowing for chirped signal modulation. This signal modulation and the required processing arising from the proposed non-standardized approach is elaborated. Unlike the transmission bandwidth, the receiver bandwidth of the transceiver chips cannot be increased similarly. Thus, a dedicated receiver infrastructure with a sufficient sampling rate is required to facilitate the localization of transmit-only nodes. As synchronization of nodes and infrastructure is assumed impossible, time difference of arrival (TDoA) calculations for synchronized receiving anchors at known locations are studied. For such an implementation with synchronized receivers, a suitable system model is introduced, taking into account a possibly non-ideal synchronization. Using the system model and thereof derived estimation bounds, the requirements on such an infrastructure are assessed. During a measurement campaign, the proposed method has been tested under real-world conditions, using a software-defined radio (SDR) platform. A combination of TDoA with angle of arrival (AoA) and received signal strength (RSS) measurements allows achieving a root-mean-square error (RMSE) of 2.19. This proves that good localization results are achievable even with limited hardware capabilities.