Cooperative localization algorithms in ultra-wideband systems for indoor positioning

Abstract

[ANGLÈS] Indoor positioning has become an important research field in recent years. This is due to the potential services or products that can be offered, which would be very useful for users in several applications, and the interesting commercialization possibilities. But nowadays the most developed positioning systems are used outdoors, and for example GNSSs do not provide indoor coverage, so the efforts are focused on other local radio technologies. In particular, ultra-wideband is the object of this thesis. In this thesis a set of cooperative algorithms are presented and intended for use in the localization phase of an ultra-wideband positioning system. Different approaches and points of view are shown in the literature related to the localization problem. Here there is a revision of the main concepts as well as some software implementations and their results in MATLAB, always trying to evaluate which is the best option in each situation. The Ultra-Wideband system considered in this thesis consists of a set of nodes, some of which have unknown positions that have to be estimated by the algorithms. These nodes have the ability of calculating distances between each other by measuring the round-triptime of ultra-wideband pulse signals. The distances are used as inputs to the algorithms to calculate the estimated positions of the nodes as outputs. The most remarkable detail is the cooperation, which means that the distances between any pair of nodes is used even when both have unknown positions, taking advantage of that information. The results show that using the cooperation, the algorithms can be very precise even in very demanding conditions when nodes can not communicate with the whole network due to a range limitation of the technology or physical obstacles. Therefore, cooperative algorithms represent a way to further investigate and improve the solutions for indoor positioning.

[CASTELLÀ] El posicionamiento en interiores se ha convertido en un campo importante de investigación en los últimos años. Esto es debido a los posibles servicios o productos que se pueden ofrecer, lo cual sería muy útil para los usuarios en varias aplicaciones, y las posibilidades de comercialización interesantes. Pero hoy en día los sistemas de posicionamiento más desarrollados se utilizan al aire libre, y por ejemplo los GNSS no proporciona cobertura en interiores, por lo que los esfuerzos se centran en otras tecnologías de radio locales. En particular, la tecnología de banda ultra ancha es el objeto de esta tesis. En esta tesis un conjunto de algoritmos cooperativos se presentan para su uso en la fase de localización de un sistema de posicionamiento de banda ultra ancha. Diferentes enfoques y puntos de vista se muestran en la literatura relacionada con el problema de localización. Aquí hay una revisión de los principales conceptos, así como algunas implementaciones en software y sus resultados en MATLAB, siempre tratando de evaluar cuál es la mejor opción en cada situación. El sistema banda ultra ancha considerado en este trabajo consiste en un conjunto de nodos, algunos de los cuales tienen posiciones desconocidas que tienen que ser estimadas por los algoritmos. Estos nodos tienen la capacidad de calcular distancias entre sí mediante la medición del tiempo de ida y vuelta de pulsos de banda ancha. Las distancias se utilizan como entradas a los algoritmos para calcular las posiciones estimadas de los nodos como salidas. El detalle más notable es la cooperación, lo que significa que las distancias entre cualquier par de nodos se utiliza incluso cuando ambos tienen posiciones desconocidas, aprovechando esa información. Los resultados muestran que usando la cooperación, los algoritmos pueden ser muy precisos incluso en condiciones muy exigentes cuando los nodos no pueden comunicarse con toda la red debido a una limitación de alcance de la tecnología u obstáculos físicos. Por lo tanto, los algoritmos cooperativos representan una vía para investigar y mejorar aún más las soluciones para posicionamiento interno.

[CATALÀ] El posicionament en interiors s'ha convertit en un camp de recerca important en els últims anys. Això és degut als possibles serveis o productes que es poden oferir, els quals serien molt útils per als usuaris en diverses aplicacions, i les possibilitats de comercialització interessants. Però avui en dia els sistemes de posicionament més desenvolupats s'utilitzen a l'aire lliure, i per exemple els GNSSs no proporcionen cobertura en interiors, de manera que els esforços es concentren en altres tecnologies locals de ràdio. En particular, la tecnologia de banda ultra ampla és l'objecte d'aquesta tesi. En aquesta tesi un conjunt d'algorismes cooperatius són presentats per l'ús en la fase de localització d'un sistema de posicionament de banda ultra ampla. Diferents enfocaments i punts de vista es mostren a la literatura relacionats amb el problema de la localització. Aquí es fa una revisió dels principals conceptes, així com d'algunes implementacions i els seus resultats en MATLAB, sempre tractant d'avaluar quina és la millor opció en cada situació. El sistema de banda ultra ampla considerat en aquest treball consisteix en un conjunt de nodes, alguns dels quals tenen posicions desconegudes que han de ser estimades pels algoritmes. Aquests nodes tenen la capacitat de calcular les distàncies entre si mitjançant el mesurament del temps d'anada i tornada de polsos de banda ampla. Les distàncies s'utilitzen com a entrades als algorismes per calcular les posicions estimades dels nodes com a sortides. El detall més notable és la cooperació, el que significa que les distàncies entre qualsevol parell de nodes s'utilitza fins i tot quan tots dos tenen posicions desconegudes, aprofitant aquesta informació. Els resultats mostren que utilitzant la cooperació, els algorismes poden ser molt precisos fins i tot en condicions molt exigents, quan els nodes no poden comunicar-se amb tota la xarxa a causa d'una limitació d'abast de la tecnologia o obstacles físics. Per tant, els algoritmes cooperatius representen un camí per investigar i millorar encara més les solucions per a posicionament intern.