Infrastructure-Aided Localisation with UWB Antenna Arrays
Final Report Abstract
Das Projekt „Infrastructure aided Localization using Antenna Arrays – RoboLoc” beschäftigte sich mit dem Thema der Lokalisierung in geschlossenen Umgebungen mittels pulsbasierter Ultrabreitbandtechnik. Im speziellen wurde hierbei ein neuartiger Ortungsalgorithmus untersucht, welcher zur Winkelschätzung (Angle of Arrival Estimation) auf phasengesteuerte Gruppenantennen (Phased Arrays) zurückgreift. Wesentlich konnten im gesamten Projekt folgende nachhaltige Ergebnisse erzielt werden: • Im Bereich Antennen wurden neue Konzepte zur Realisierung von dualorthogonal polarisierten Strahlern für einen ultra-breitbandigen Frequenzbereich entwickelt. Ein tiefgreifendes Verständnis des Strahlungsprinzips wurde ausgearbeitet, mathematisch modelliert und messtechnisch verifiziert. Konzepte zur Miniaturisierung der Strahler wurden gefunden, realisiert und messtechnisch bewertet. Die ausgearbeitete Methode ermöglicht den Aufbau von Antennen mit unterschiedlichen Strahlungscharakteristiken, was den Einsatz der entwickelten Methode in vielfältigen Anwendungen erlaubt (Kommunikation, Radar, Lokalisierung etc.). Um eine hohe Richtwirkung der Strahlung zu erzielen, wurde ein Antennenarray aufgebaut und messtechnisch charakterisiert. Dieses ermöglicht einen Einsatz der Polarisationsdiversität in UWB-Systemen überall dort, wo eine hohe räumliche Selektivität der Strahlung gefragt wird. • Im Bereich Beamforming mit UWB Gruppenantennen wurde ein Konzept zur elektronischen Strahlformung ultrabreitbandiger Signale entwickelt. Ein Strahlformungsnetzwerk auf der Basis von Filtern endlicher Impulsantwort (Finite Impulse Response Filter [FIR-Filter]) wurde dabei so erweitert, dass reale Einflüsse durch die Antennenelemente berücksichtigt werden können. Berechnungsgrundlagen wurden für lineare und zirkulare Anordnungen der Antennenelemente abgeleitet. Ferner wurde ein einfaches Konzept für ein analoges, elektronisch steuerbares FIR-Filter für den Mikrowellen-Frequenzbereich entwickelt und anhand eines vierstufigen Aufbaus in hybrider integrierter Mikrowellenschaltungstechnik (Microwave Integrated Circuit [MIC] technology) experimentell überprüft. Auf dieser Basis wurde ein Echtzeit-Demonstrator, bestehend aus einer zirkularen Gruppenantenne mit vier Elementen und fest eingestellten FIR-Filtern als Strahlformungsnetzwerk aufgebaut und messtechnisch charakterisiert. Damit konnten die entwickelten Algorithmen zur Strahlsteuerung verifiziert werden. Ein derartiges Experiment wurde im Rahmen dieser Arbeit weltweit erstmalig umgesetzt. • Im Bereich Signalverarbeitung wurde eine modulbasierte Umgebung zur Simulation von ultrabreitbandigen Signalen mit dem speziellen Fokus auf Lokalisierungsanwendungen konzipiert, erstellt und anhand von Messungen verifiziert. Durch den modulbasierten Aufbau ist es möglich einzelne Komponente, wie Sender, Kanal oder Empfänger auszutauschen, bspw. auch durch reale Messdaten. Ferner ist es durch einen frequenzbereichsbasierten Ansatz möglich zukünftig auch völlig andere Signalklassen mittels dieser Umgebung zu untersuchen. Kern hierbei ist das Modul zur Kanalsimulation basierend auf strahlenoptischen Methoden (Raytracing). Besonderes Augenmerk wurde hierbei zum einen auf die besonderen Gegebenheiten einer Umgebung im Gebäudeinneren (Indoor) gelegt und zum anderen auf die Einbindung der frequenzabhängigen Antennencharakteristik. In diesem Kontext konnten über die Signalverarbeitung hinaus wesentliche Fortschritte im Bereich der Antennenmesstechnik erzielt werden. Hierzu wurde ein Messverfahren mittels Wellenleiter, im speziellen einer GTEM-Zelle entwickelt werden. Zudem konnte eine Cramer-Rao Schranke für Lokalisierungsanwendungen mit Nicht-Sichtverbindungen und Mehrwegeausbreitung explizit berechnet werden. Darüber hinaus wurde ein zwei-dimensionales Filter gefunden, welches unter Benutzung von Phased Arrays und Ultrabreitbandsignalen die Standardabweichung des Lokalisierungsfehlers um den Faktor zwei verringert. Die in Rahmen dieser Arbeit entwickelten Konzepte zur Realisierung von dualorthogonal polarisierten Antennen für die UWB-Technik können aufgrund ihrer Flexibilität in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden. Sie eröffnen die Möglichkeit zur Kombination der UWB-Technik mit anderen Techniken, wo eine Polarisationsdiversität gefragt wird, z.B. mit MIMO, Radar bzw. Imaging oder auch Cognitive Radios. Die Ergebnisse dieses Projekts bilden eine Grundlage für die Bearbeitung weiterer, bereits laufender bzw. begonnener DFG-Projekte: DeciMUS, CoLOR. Die entwickelten Konzepte zum UWB Beamforming von Antennengruppen mit Hilfe von analogen FIR-Filtern können einerseits direkt in Breitband-Kommunikations-Systemen und in Radar-Systemen zur Realisierung von elektronischer Strahlschwenkung eingesetzt werden. Voraussetzung ist allerdings eine Überführung der analogen FIR-Filter in eine monolithische Integration auf Halbleiterbasis; nur so können analoge FIR-Filter auch für weitere Funktionen in Hochfrequenz-Subsystemen sinnvoll eingesetzt werden, z.B. zur Pulsmodulation oder zur Signalentzerrung. Die erarbeitete Simulationsumgebung dient zukünftig als Grundlage zur Simulation von Lokalisierungs- wie Kommunikationssystemen, die speziell für Indoor-Umgebungen geeignet sind. Hierbei sind Signale mit fragmentierter Frequenzressource, wie sie bspw. in Cognitive Radio Systemen eingesetzt werden, von besonderem Interesse. Ferner können durch die Simulation bereits wesentliche Effekte der Signalverarbeitung erfasst werden, wodurch entweder Zeit oder Kosten, die im Zuge einer Messkampagne notwendig wären, eingespart werden können. Zudem ist das auf Wellenleitern basierende Antennen- Messverfahren insbesondere für klein- bis mittelständische Unternehmen von Interesse, da es ermöglicht gängiges und kostengünstiges EMV-Equipment, wie beispielsweise eine GTEM-Zelle, auch für hochfrequente Messungen einzusetzen.
Publications
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- „Methoden zur Realisierung von dual-orthogonal, linear polarisierten Antennen für die UWB-Technik“. Dissertation, ISBN: 978-3-86644-573-4, KIT Scientific Publishing, 2010
Grzegorz Adamiuk
