Cooperative positioning for heterogeneous wireless systems

Abstract

Future emerging market trends head towards positioning based services placing a new perspective on the way we obtain and exploit positioning information. On one hand, innovations in information technology and wireless communication systems enabled the development of numerous location based applications such as vehicle navigation and tracking, sensor networks applications, home automation, asset management, security and context aware location services. On the other hand, wireless networks themselves may bene t from localization information to improve the performances of di erent network layers. Location based routing, synchronization, interference cancellation are prime examples of applications where location information can be useful. Typical positioning solutions rely on measurements and exploitation of distance dependent signal metrics, such as the received signal strength, time of arrival or angle of arrival. They are cheaper and easier to implement than the dedicated positioning systems based on ngerprinting, but at the cost of accuracy. Therefore intelligent localization algorithms and signal processing techniques have to be applied to mitigate the lack of accuracy in distance estimates. Cooperation between nodes is used in cases where conventional positioning techniques do not perform well due to lack of existing infrastructure, or obstructed indoor environment. The objective is to concentrate on hybrid architecture where some nodes have points of attachment to an infrastructure, and simultaneously are interconnected via short-range ad hoc links. The availability of more capable handsets enables more innovative scenarios that take advantage of multiple radio access networks as well as peer-to-peer links for positioning. Link selection is used to optimize the tradeo between the power consumption of participating nodes and the quality of target localization. The Geometric Dilution of Precision and the Cramer-Rao Lower Bound can be used as criteria for choosing the appropriate set of anchor nodes and corresponding measurements before attempting location estimation itself. This work analyzes the existing solutions for node selection in order to improve localization performance, and proposes a novel method based on utility functions. The proposed method is then extended to mobile and heterogeneous environments. Simulations have been carried out, as well as evaluation with real measurement data. In addition, some speci c cases have been considered, such as localization in ill-conditioned scenarios and the use of negative information. The proposed approaches have shown to enhance estimation accuracy, whilst signi cantly reducing complexity, power consumption and signalling overhead.

As tendências nos mercados emergentes caminham na direção dos serviços baseados em posicionamento, criando uma nova perspectiva na forma como podemos obter e utilizar informação de posicionamento. Por um lado, as inovações em tecnologias da informação e sistemas de comunicação sem fios permitiram o desenvolvimento de inúmeras aplicações baseadas em localização, tais como a navegação e monitorização de veículo, aplicações de redes de sensores, domótica, gestão de ativos, segurança e serviços de localização sensíveis ao contexto. Por outro lado, as próprias redes sem fios podem beneficiar da informação de localização dos utilizadores de forma a melhorarem as performances de diferentes camadas de rede. Routing baseado em localização, sincronização e cancelamento de interferência são os exemplos mais representativos de áreas onde a informação de localização pode ser útil. Soluções de localização típicas dependem de medições e de aproveitamento de métricas de sinal dependentes da distância, tais como a potência do sinal recebido, o tempo ou ângulo de chegada. São mais baratos e fáceis de implementar do que sistemas de localização dedicados com base em fingerprinting, com a desvantagem da perda de precisão. Consequentemente, algoritmos inteligentes de localização e técnicas de processamento de sinal têm de ser aplicados para compensar a falta de precisão das estimativas de distância. A cooperação entre nodos é usada nos casos em que as técnicas convencionais de posicionamento não têm um bom desempenho devido à inexistência de infraestrutura adequada, ou a um ambiente interior com obstruções. O objetivo é ter uma arquitetura híbrida, onde alguns nós têm pontos de ligação a uma infraestrutura e simultaneamente estão interligados através ligações ad-hoc de curto alcance. A disponibilidade de equipamentos mais capazes permite cenários mais inovadores que tiram proveito de múltiplas redes de acesso de rádio, bem como ligações peer-to-peer, para o posicionamento. A seleção de ligações é usada para otimizar o equilíbrio entre o consumo de energia dos nós participantes e da qualidade da localização do alvo. A diluição geométrica de precisão e a Cramér Rao Lower Bound podem ser utilizadas como critrio para a escolha do conjunto adequado de nodos de ancoragem e as medições correspondentes antes de realizar a tarefa de estimativa de localizaçãoo. Este trabalho analisa as soluções existentes para a seleção de nós, a fim de melhorar o desempenho de localização e propõe um novo método baseado em funções de utilidade. O método proposto é então estendido para ambientes móveis e heterogéneos. Foram realizadas simulações bem como avaliação de dados de medições reais. Além disso, alguns casos específicos foram considerados, tais como a localização em cenários mal-acondicionados e uso de informação negativa. As abordagens propostas revelaram uma melhoria na precisão da estimação, ao mesmo tempo que reduziram significativamente a complexidade do cálculo, o consumo de energia e o overhead do sinal.