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Mobile Positioning and Tracking: From Conventional to Cooperative Techniques PDF

287 Pages·2010·39.533 MB·English
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Mobile Positioning and Tracking Mobile Positioning and Tracking: From Conventional to Cooperative Techniques João Figueiras and Simone Frattasi © 2010 John Wiley & Sons Ltd. ISBN: 978-0-470-69451-0 Mobile Positioning and Tracking From Conventional to Cooperative Techniques JoãoFigueiras AalborgUniversity,Denmark SimoneFrattasi AalborgUniversity,Denmark A John Wiley and Sons, Ltd, Publication Thiseditionfirstpublished2010 ©2010JohnWiley&SonsLtd Registeredoffice JohnWiley&SonsLtd,TheAtrium,SouthernGate,Chichester,WestSussex,PO198SQ, UnitedKingdom Fordetailsofourglobaleditorialoffices,forcustomerservicesandforinformationabout howtoapplyforpermissiontoreusethecopyrightmaterialinthisbookpleaseseeour websiteatwww.wiley.com. Therightoftheauthortobeidentifiedastheauthorofthisworkhasbeenassertedin accordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988. Allrightsreserved.Nopartofthispublicationmaybereproduced,storedinaretrieval system,ortransmitted,inanyformorbyanymeans,electronic,mechanical,photocopying, recordingorotherwise,exceptaspermittedbytheUKCopyright,DesignsandPatentsAct 1988,withoutthepriorpermissionofthepublisher. Wileyalsopublishesitsbooksinavarietyofelectronicformats.Somecontentthatappears inprintmaynotbeavailableinelectronicbooks. Designationsusedbycompaniestodistinguishtheirproductsareoftenclaimedas trademarks.Allbrandnamesandproductnamesusedinthisbookaretradenames,service marks,trademarksorregisteredtrademarksoftheirrespectiveowners.Thepublisherisnot associatedwithanyproductorvendormentionedinthisbook.Thispublicationisdesigned toprovideaccurateandauthoritativeinformationinregardtothesubjectmattercovered.It issoldontheunderstandingthatthepublisherisnotengagedinrenderingprofessional services.Ifprofessionaladviceorotherexpertassistanceisrequired,theservicesofa competentprofessionalshouldbesought. LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData Figueiras,João. Mobilepositioningandtracking:fromconventionaltocooperativetechniques/João Figueiras,SimoneFrattasi. p.cm. Includesbibliographicalreferenceandindex. ISBN978-0-470-69451-0(cloth:alk.paper) 1.Location-basedservices.2.Mobilegeographicinformationsystems.3.Wireless communicationsystems.4.Electronicsinnavigation.I.Frattasi,Simone.II.Title. TK5105.65.F542010 621.384–dc22 2010008337 AcataloguerecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary. ISBN978-0-470-69451-0(H/B) Setin11/13ptTimesbySunriseSettingLtd,Torquay,UK. PrintedandBoundinSingaporebyMarkonoPrintMediaPteLtd. ... tomyfamily João Figueiras ...to mylove, Sara SimoneFrattasi Contents AbouttheAuthors xv Preface xvii Acknowledgements xix ListofAbbreviations xxi Notations xxix 1 Introduction 1 1.1 Application AreasofPositioning (Chapter2) . . . . . . . . . . . . 5 1.2 BasicsofWireless Communications forPositioning (Chapter3) . . 6 1.3 Fundamentals ofPositioning (Chapter4) . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 DataFusionandFilteringTechniques (Chapter5) . . . . . . . . . . 7 1.5 Fundamentals ofTracking(Chapter6) . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 ErrorMitigation Techniques(Chapter7) . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.7 Positioning SystemsandTechnologies (Chapter8) . . . . . . . . . 8 1.8 CooperativeMobilePositioning (Chapter9) . . . . . . . . . . . . . 9 2 ApplicationAreasofPositioning 11 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Localization Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Location-based Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 LBSecosystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Taxonomies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.3.2.1 Application categories . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.4 Location-based NetworkOptimization . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.1 Radionetworkplanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Radioresourcemanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2.1 Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2.2 Powercontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2.3 Packetscheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2.4 Handover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 viii CONTENTS 2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 BasicsofWireless CommunicationsforPositioning 33 NicolaMarchetti 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 RadioPropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Pathloss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.2 Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.3 Small-scalefading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.3.1 Multipathfading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2.4 Radiopropagation andmobilepositioning . . . . . . . . . . 37 3.2.4.1 Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.4.2 Positionestimation . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.4.3 NLOSpositioning errormitigation . . . . . . . . 39 3.2.5 RSS-basedpositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Multiple-antenna Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.3.1 Spatialdiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.2 Spatialmultiplexing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.3.3 Gainsobtainedbyexploiting thespatialdomain . . . . . . . 42 3.3.3.1 Arraygain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.3.3.2 Diversitygain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.3.3 Multiplexing gain . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3.3.4 Interference reduction . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3.4 MIMOandmobilepositioning . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4 Modulation andMultiple-access Techniques . . . . . . . . . . . . . 45 3.4.1 Modulation techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4.1.1 OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.4.1.2 Spreadspectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4.2 Multiple-access techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.2.1 TDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.2.2 FDMA/OFDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.2.3 CDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4.2.4 SDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.4.2.5 CSMA/CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.4.3 OFDMAandmobilepositioning . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.5 RadioResourceManagementandMobilePositioning . . . . . . . . 51 3.5.1 Handoff,channelreuseandinterference adaptation . . . . . 51 3.5.1.1 Handoffprioritization . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.5.1.2 Channelreuseandinterference adaptation . . . . 53 3.5.1.3 Predictivechannel reservation . . . . . . . . . . . 53 3.5.2 Powercontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.6 CooperativeCommunications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6.1 RSS-basedcooperative positioning . . . . . . . . . . . . . 54 CONTENTS ix 3.7 CognitiveRadioandMobilePositioning . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4 FundamentalsofPositioning 61 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.2 Classification ofPositioning Infrastructures . . . . . . . . . . . . . 61 4.2.1 Positioning-system topology . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.2 Physicalcoveragerange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.2.3 Integration ofpositioning solutions . . . . . . . . . . . . . 64 4.3 TypesofMeasurements andMethodsfortheirEstimation . . . . . . 65 4.3.1 CellID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.3.2 Signalstrength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.3 Timeofarrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3.4 Timedifference ofarrival. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3.5 Angleofarrival . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.3.6 Personal-information identification . . . . . . . . . . . . . 70 4.4 Positioning Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4.1 Proximitysensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4.1.1 Physicalcontact . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4.1.2 Identitymethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4.1.3 Macropositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.4.2 Triangulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4.2.1 Lateration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.4.2.2 Hyperboliclocalization . . . . . . . . . . . . . . 74 4.4.2.3 Angulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.3 Fingerprinting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.4.3.1 Calibrationphasefordatabase creation . . . . . . 78 4.4.3.2 Image/video approaches . . . . . . . . . . . . . . 78 4.4.3.3 Collaborative approachfordatabase maintenance 79 4.4.4 Deadreckoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.4.5 Hybridapproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.4.5.1 Hybridangulation andlateration . . . . . . . . . 80 4.4.5.2 Hybridangulation andhyperbolic localization . . 81 4.5 ErrorSourcesinPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.5.1 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.5.1.1 Non-line-of-sight . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.5.1.2 Multipathfading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.5.1.3 Shadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5.1.4 Bodyshadowing . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.5.1.5 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.5.1.6 Theionosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.5.2 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.5.3 Equipmentandtechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 x CONTENTS 4.6 MetricsofLocationAccuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.6.1 Circularerrorprobability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.6.2 Dilutionofprecision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.6.3 Cramér–Raolowerbound(CRLB) . . . . . . . . . . . . . . 89 4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5 DataFusionandFilteringTechniques 91 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.2 Least-squares Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.2.1 Linearleastsquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 5.2.2 Recursiveleastsquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.2.3 Weightednonlinear leastsquares . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.2.3.1 Exampleofapplication . . . . . . . . . . . . . . 97 5.2.4 Theabsolute/local-minimum problem . . . . . . . . . . . . 100 5.3 BayesianFiltering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 5.3.1 TheKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 5.3.1.1 ExtendedKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . 104 5.3.1.2 UnscentedKalmanfilter . . . . . . . . . . . . . . 105 5.3.1.3 Convergence issues . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3.2 Theparticlefilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.3.3 Grid-basedmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.4 EstimatingModelParametersandBiasesinObservations . . . . . . 110 5.4.1 Precalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.2 Jointparameter andstateestimation . . . . . . . . . . . . . 112 5.5 AlternativeApproaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.1 Fingerprinting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.5.2 Timeseriesdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.5.2.1 Singleexponential smoothing . . . . . . . . . . . 116 5.5.2.2 Thedoubleexponential smoother . . . . . . . . . 116 5.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 6 FundamentalsofTracking 119 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 6.2 ImpactofUserMobilityonPositioning . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.2.1 Localizingstaticdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.2.2 Addedcomplexityintracking . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.2.3 Additionalknowledge incooperative environments . . . . . 121 6.3 MobilityModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.3.1 Conventional models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 6.3.2 Modelsbasedonstochastic processes . . . . . . . . . . . . 122 6.3.2.1 Brownian-motionmodel . . . . . . . . . . . . . . 122 6.3.2.2 Randomwalkmodel . . . . . . . . . . . . . . . . 123 6.3.2.3 Waypointrandomwalk . . . . . . . . . . . . . . 124 6.3.2.4 Gauss–Markovmodel . . . . . . . . . . . . . . . 125 CONTENTS xi 6.3.2.5 ModelsbasedonMarkovchains . . . . . . . . . 126 6.3.3 Geographical-restriction models . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.3.3.1 Pathwaymobilitymodel . . . . . . . . . . . . . . 128 6.3.4 Groupmobilitymodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.3.4.1 Referencepointgroupmobilitymodel . . . . . . 131 6.3.4.2 Correlationgroupmobilitymodel . . . . . . . . . 131 6.3.5 Social-based models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 6.3.5.1 Modelbasedonasociability factor . . . . . . . . 133 6.4 TrackingMovingDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 6.4.1 Mitigatingobstructions inthepropagation conditions . . . . 136 6.4.2 Trackingnonmaneuvering targets . . . . . . . . . . . . . . 136 6.4.3 Trackingmaneuvering targets . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6.4.3.1 Processadaptation usingmaneuverdetection . . . 138 6.4.3.2 Multiple-model approaches . . . . . . . . . . . . 139 6.4.4 Learningpositionandtrajectory patterns . . . . . . . . . . 141 6.4.4.1 Theexpectation maximization algorithm . . . . . 142 6.4.4.2 Thek-meansalgorithm . . . . . . . . . . . . . . 144 6.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7 ErrorMitigation Techniques 149 IsmailGuvenc 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.2 SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 7.2.1 Maximum-likelihood algorithm forLOSscenarios . . . . . 153 7.2.2 Cramér–RaolowerboundsforLOSscenarios . . . . . . . . 154 7.3 NLOSScenarios:Fundamental LimitsandMLSolutions . . . . . . 155 7.3.1 ML-basedalgorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.3.2 Cramér–Raolowerbound . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 7.4 Least-squares Techniques forNLOSLocalization . . . . . . . . . . 162 7.4.1 Weightedleastsquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 7.4.2 Residual-weighting algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.5 Constraint-based TechniquesforNLOSLocalization . . . . . . . . 165 7.5.1 Constrained LSalgorithm andquadratic programming . . . 165 7.5.2 Linearprogramming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.5.3 Geometry-constrained location estimation . . . . . . . . . . 166 7.5.4 Interior-point optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 7.6 RobustEstimatorsforNLOSLocalization . . . . . . . . . . . . . . 170 7.6.1 HuberM-estimator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 7.6.2 Leastmediansquares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 7.6.3 Otherrobustestimationoptions . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.7 IdentifyandDiscardTechniquesforNLOSLocalization . . . . . . 172 7.7.1 Residualtestalgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 xii CONTENTS 8 PositioningSystemsandTechnologies 177 AndreasWaadt,GuidoH.BruckandPeterJung 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 8.2 SatellitePositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 8.2.2 Basicprinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 8.2.2.1 Mathematicalbackground . . . . . . . . . . . . . 180 8.2.3 Satellitepositioning systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 8.2.3.1 Introductory remarks . . . . . . . . . . . . . . . 183 8.2.3.2 TheGlobalPositioning System . . . . . . . . . . 183 8.2.3.3 Augmentationsystems . . . . . . . . . . . . . . . 184 8.2.3.4 GPSIIIandGALILEO . . . . . . . . . . . . . . 184 8.2.4 Accuracyandreliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 8.2.5 Drawbackswhenappliedtomobilepositioning . . . . . . . 184 8.3 CellularPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 8.3.2 GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8.3.2.1 CellID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 8.3.2.2 RSSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 8.3.2.3 Mobile-assisted TOA . . . . . . . . . . . . . . . 191 8.3.2.4 Accuracyandreliability . . . . . . . . . . . . . . 193 8.3.3 UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 8.3.3.1 3GPPstandardization . . . . . . . . . . . . . . . 195 8.3.3.2 OTDOA-IPDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 8.3.3.3 U-TDOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 8.3.3.4 A-GNSS-basedpositioning . . . . . . . . . . . . 198 8.3.4 Emergencyapplications incellularnetworks . . . . . . . . 199 8.3.5 Drawbackswhenappliedtomobilepositioning . . . . . . . 200 8.4 WirelessLocal/Personal AreaNetworkPositioning . . . . . . . . . 200 8.4.1 Solutionsontopofwirelesslocalnetworks . . . . . . . . . 200 8.4.1.1 UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8.4.1.2 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 8.4.1.3 WLAN(Wi-Fi) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8.4.2 Dedicatedsolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8.4.2.1 RFID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 8.4.2.2 Infrared . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 8.4.2.3 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 8.5 AdhocPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8.6 HybridPositioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.6.1 Heterogeneous positioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.6.2 CellularandWLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.6.3 AssistedGPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 8.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

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