Localisation indoor basée sur l exploitation des réseaux MIMO. Paul STEFANUT, Abdelmottaleb NASR, Davy GAILLOT, Martine LIENARD

Transcription

1 Localisation indoor basée sur l exploitation des réseaux MIMO Paul STEFANUT, Abdelmottaleb NASR, Davy GAILLOT, Martine LIENARD

2 Sommaire Contexte de l étude Etat de l art de la localisation indoor Localisation dans les réseaux sans-fil exploitant des systèmes MIMO Problématique Aspects théoriques et ressources nécessaires Résultats préliminaires Les difficultés Conclusion Perspectives 2

3 3 Contexte de l étude Pôle de compétitivité i-trans - Transport Intelligent, Projet VIATIC Accompagnement voyageur E-ticketing Information en temps réel: o Horaires transports, gestion correspondances, perturbations, info touristique, divertissement, valorisation temps de parcours Etude de la couche physique de liaison Etude de caractéristiques de propagation des ondes radio dans l environnement Optimisation de la position des bornes d accès au réseau Localisation de l utilisateur Application localisation LOS et NLOS Exploitation des réseaux sans-fil existants (Wi-Fi, WiMax) Utilisation algorithmes haute résolution pour l estimation des paramètres des signaux dans un cas Large Bande MIMO Etudes paramétriques afin de trouver les ressources optimales

4 Etat de l art de la localisation indoor - 1 La technique des empreintes Phase de calibrage: maillage de la zone d intérêt puissance signal reçu Phase de localisation: calcul de la différence quadratique minimale Avantages: Facile à mettre en œuvre Pas d équipements spécifique Exploitation réseaux sans-fil existants Inconvénients: nients: Erreur importante estimation

5 Etat de l art de la localisation indoors - 2 La technique de triangulation/multilatération Mesure paramètres signaux: DOA, TOA, TDOA, Amplitude Intersection des résultats Avantages: Implémentation facile Très bons résultats en cas LOS Inconvénients: nients: Dégradation performances en cas NLOS 5

6 Principe de la technique proposée y τ 3 θ 3 φ 3 B Rx 1 τ 2 θ 2 φ 2 τ1 θ 1 φ 1 Rx 2 τ 4 θ 4 φ 4 C A τ i : Retard θ i : Angle d Arrivd Arrivée φ i : Angle de DépartD Tx O x

7 Paramètres et ressources nécessaires Deux points de réception synchronisés Rx 1 et Rx 2 Les Rx et le Tx équipés de réseaux d antennes Supposition d existence d au moins deux trajets: 1 LOS + 1 NLOS qui subit 1 seule interaction 2 NLOS ordre 1 Estimation des paramètres des signaux incidents Retards Directions de départ Directions d arrivée

8 Relations mathématiques exploitées 10 inconnues à déterminer (5 points) L émetteur: Tx(x Tx, y Tx ) Les interactions avec l environnement: A(x A, y A ), B(x B, y B ), C(x C, y C ), D(x D, y D ) 4 données connues (2 points) Les récepteurs Rx 1 (x Rx1, y Rx1 ) et Rx 2 (x Rx2, y Rx2 ) Relations géométriques exploitées Tangentes angles d arrivée Différences de temps de parcours des rayons Produits scalaires vecteurs centrés en Tx Produits scalaires vecteurs centrés en Rx 1 et Rx 2

9 Relations Exploitées (18 Eqns.) Tangentes DOA (4 Equations θ 1, θ 2, θ 3, θ 4 ) tg A Rx1 ( θ ) = 1 y x x1 x1 x1 x1 A y x Rx uuuur uuuur uuuur uuuur R AR. B= R A. R B.cos 1 Différence temps parcours (6 Equations) ( ) = ( ) + ( ) ( ) + ( ) c τ A τ B d Rx A d AT 1 x d Rx B d BT 1 x ( θ θ ) 1 2 ( xa xrx )( xb xrx ) ( ya yrx )( yb yrx ) = + uuur uuur uuur uuur TATB. =..cos x x x x TA TB ( ϕ1 ϕ2) ( x x )( x x ) ( y y )( y y ) = + A Tx B Tx A Tx B Tx Rx 1 Produits scalaires Rx (2 Equations) Produits scalaires Tx (6 Equations) θ 2 θ 1 B(x B, y B ) Tx φ 2 y φ 1 x A(x A, y A )

10 Résultats théoriques préliminaires en connaissant à priori les paramètres des signaux incidents (θ, φ, τ) Erreur = 8.9*10-12

11 Les difficultés 1 existence trajets d ordre 0 (LOS) et 1 (NLOS une interaction) Environnement Bureau Simulation dans un environnement composé de bureaux par Ray-Tracing (WinProp) F=3 GHz, maillage dx = dy = 0.5m

12 Les difficultés existence trajets d ordre 1 Environnement Bureau 25% de la zone reçoit 2 interactions d ordre 0 et 1 Probabilité de couverture de la zone d intérêt

13 Les difficultés 1 existence trajets d ordre 0 (LOS) et 1 (NLOS une interaction) Environnement Ouvert Simulation dans un environnement grande surface : la zone centrale d échanges de la station de Metro Gare Lille Flandres

14 Les difficultés existence trajets d ordre 1 Environnement Ouvert 98.8% de la zone reçoit 2 interactions d ordre 1 Probabilité de couverture de la zone d intérêt

15 Les difficultés erreurs d estimation des paramètres - 1 Etude paramétrique algorithmes HR SAGE et ESPRIT Réseaux ULA Modèle de canal: D = 4 sources (trajet direct + interactions premier ordre) définies par ψ i et A i Є (2, D] Amplitude premier signal normalisée A 1 =1, A i distribution amplitudes Rayleigh ψ i Є U(0, 2π), τ i distribution uniforme entre 50 et 100 ns Définition facteur R = P 1 /ΣP i, i = 2,, D BP = 20 MHz, f = 1 MHz, lissage en fréquence avec un facteur 2/ réalisations pour l analyse de chaque paramètre (SNR, R, taille réseau, etc.) Statistiques de l erreur de l estimation des paramètres Nombre d antennes du réseau SNR Facteur R Sous/sur estimation du nombre des signaux Analyse perturbations: effet masquage, bruit de phase, onde non-plane

16 Les difficultés erreurs d estimation de la DOA - 2 Estimation 1D DOA Estimation 2D DOA Estimation 3D DOA 16

17 Les difficultés erreurs d estimation des paramètres - 3 Erreur d estimation angulaire inférieure à 2 Au moins 9 antennes dans le cas 2D et 5 antennes en 3D SNR 10 db Un rapport de puissance R < 5 db La surestimation du nombre des signaux diminue l erreur d estimation de la DOA du deuxième signal La sous-estimation dégrade les performances L estimation est dégradée par les perturbations Comportement similaire pour tous les paramètres Meilleures performances obtenues avec l algorithme SAGE 17

18 Conclusion Proposition d une méthode de localisation basée sur un modèle géométrique du canal et sur l estimation des paramètres des signaux reçus Validation de la méthode avec des réseaux ULA et des signaux générés par Ray-Tracing en 2D Résultats préliminaires sur les performances des algorithmes d estimation: Etude paramétrique: analyse des erreurs d estimation

19 Perspectives Etude de l influence des erreurs d estimation sur l erreur de la position Validation avec des mesures Extension de la méthode avec des réseaux planaires (URA, UCA) estimation élévation + visibilité sur 360 Amélioration de l estimation des paramètres avec l algorithme RIMAX Extension au cas 3D de l algorithme de localisation Incrémentation nombre équations du système => solution + rapide Amélioration de la précision de la solution

20 Merci pour votre attention! 20