Wireless communication techniques for indoor positioning and tracking applications [Elektronische Ressource] / von Tariq Jamil Saifullah Khanzada
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Wireless communication techniques for indoor positioning and tracking applications [Elektronische Ressource] / von Tariq Jamil Saifullah Khanzada

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Wireless Communication Techniques for IndoorPositioning and Tracking ApplicationsDissertationzur Erlangung des akademischen GradesDoktoringenieur(Dr.-Ing.)von M.E. Tariq Jamil Saifullah Khanzadageb. am 13. August 1973 in TandoAllahYar, Pakistangenehmigt durch die Fakult˜at fur˜ Elektrotechnik und Informationstechnikder Otto-von-Guericke-Universit˜at MagdeburgGutachter:Prof. Dr.-Ing. Abbas OmarProf. Christian DiedrichDr.-Ing. Lutz RauchhauptVorsitzender:Prof. Dr.-Ing. habil. Frank PalisMitglied:Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemanneingereicht am: 28 Oct 2009verteidigt am: 30 August 2010DedicationsFirst and above all I am thankful to my God (Allah Subhana Taala) who gave mestrength to produce this work and then I dedicate this work to my parents, wife andchildren who supported me a lot to complete this dissertationT. J. S. KhanzadaiAcknowledgementI would like to thank specially Prof. Dr.-Ing. A.S. Omar and Dr.-Ing. Ali Ra-madan Ali and then also like to thank Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Michaelis, Dr.-Ing. OmarAli,Dr.-Ing. AyanK.Bandyopadhyay,Dr.-Ing. AttallahBilalem,MichaelAnis, Ahmed Boutejdar, Ahmed Hassan, Dr.-Ing. habil. Andreas J˜ostingmeier, Dr.-Ing. Ayaz Farooq and other colleagues of IESK, university colleagues & friends whohelped, guided and supported me at any stage of this work.I am grateful to Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich and Dr.-Ing.

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Publié le 01 janvier 2010
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Langue English
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Exrait

Wireless Communication Techniques for Indoor
Positioning and Tracking Applications
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur
(Dr.-Ing.)
von M.E. Tariq Jamil Saifullah Khanzada
geb. am 13. August 1973 in TandoAllahYar, Pakistan
genehmigt durch die Fakult˜at fur˜ Elektrotechnik und Informationstechnik
der Otto-von-Guericke-Universit˜at Magdeburg
Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. Abbas Omar
Prof. Christian Diedrich
Dr.-Ing. Lutz Rauchhaupt
Vorsitzender:
Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Palis
Mitglied:
Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann
eingereicht am: 28 Oct 2009
verteidigt am: 30 August 2010Dedications
First and above all I am thankful to my God (Allah Subhana Taala) who gave me
strength to produce this work and then I dedicate this work to my parents, wife and
children who supported me a lot to complete this dissertation
T. J. S. Khanzada
iAcknowledgement
I would like to thank specially Prof. Dr.-Ing. A.S. Omar and Dr.-Ing. Ali Ra-
madan Ali and then also like to thank Prof. Dr.-Ing. habil. Bernd Michaelis, Dr.-
Ing. OmarAli,Dr.-Ing. AyanK.Bandyopadhyay,Dr.-Ing. AttallahBilalem,Michael
Anis, Ahmed Boutejdar, Ahmed Hassan, Dr.-Ing. habil. Andreas J˜ostingmeier, Dr.-
Ing. Ayaz Farooq and other colleagues of IESK, university colleagues & friends who
helped, guided and supported me at any stage of this work.
I am grateful to Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich and Dr.-Ing. Lutz Rauchhaupt to
be the reviewer and examiner of this thesis, furthermore, I am also thankful to Prof.
Dr.-Ing. habil. Frank Palis and Prof. Dr.-Ing. Andreas Lindemann to be part of the
examination committee for this dissertation.
IamgratefultoMehranUniversityofEngineeringandTechnologyJamshoro,
Pakistan to promote me for the Ph.D. scholarship and as well as the Higher Edu-
cationCommission,Pakistantoprovidethefundingfortheresearch. Atthesame
timeIamthankfultoOttovonGurieckeUniversityofMagdeburg, Germany
to provide the opportunity and support me to carry out this research.
iiiZusammenfassung
Diese Arbeit leistet einen Beitrag auf dem Gebiet der Ortung in Geb˜auden mit
konkreten Anwendungen unter Nutzung des Signaldesigns fur˜ zukunftige˜ drahtlose
Kommunikationssysteme. Die Arbeit konzentriert sich auf den Vergleich von zwei al-
ternativen Strukturen der OFDM und SCT signale bezuglic˜ h ihres strukturellen De-
signs, der Kodierungsefiekte und des Transceiverdesigns. Die TDOA-Methode wurde
insbesondere deswegen betrachtet, da sie bei der Einsch˜atzung realer Abst˜ande in
realen geschlossenen Innenr˜aumen anderen konkurrierenden Methoden ub˜ erlegen ist.
EinweitereswichtigesZielistes,diehochau ˜osendenAlgorithmenzuvergleichenund
dabeidenoptimalenzurErh˜ohungderGenauigkeitinNLOSUmgebungenvorzuschla-
gen. ZurRealisierungdieserZielewirdeingemeinsamerOFDMundSCTTransceiver
zur Innenraum-Positionierung entwickelt. Ein modiflziertes Kriterium fur˜ DFE und
SCT wird eingefuhrt,˜ welches exponentiell abf˜allt und die Qualit˜at der Entscheidung
w˜ahrend der Entzerrstufe verbessert. Zwei verschiedene Varianten von CP sind fur˜
die OFDM und die SCT Signalstrukturen implementiert worden. Die Verbesserung
der Kanalperformance fur˜ die DFE-Implementierungen wird durch variable Lengen
erreicht. Ein Codeabschnitt ist auf dem kombinierten OFDM/SCT Transceiver im-
plementiert, was sich positiv auf die E–zienz des Systems auswirkte.
Die ESPRIT, Root-MUSIC und MP Algorithmen werden auf Messdaten aus-
gefuhrt,˜ umdieDMEaufwenigerals1Meterzureduzieren. DieSch˜atz-Algorithmen
werden auf zwei verschiedene Arten (WP1 und WP2) auf die erfassten Daten der
CMWCE der Uni Magdeburg angewendet. In WP1 besteht das System aus zwei An-
tennenundwirdinWP2aufbiszusiebenAntennenerweitert. MDLundAICwerden
zurBestimmungderModellreihenfolgeinWP1genutzt. InWP2werdendiedreiVari-
anten verallgemeinerte Pencil-Function, Vorw˜arts- und Ruc˜ kw˜arts-Mittelwertbildung
unddieHankel-Matrix-MethodealsMP1,MP2undMP3eingefuhrt.˜ Darub˜ erhinaus
werde drei weitere Reihenfolgekriterien vorgestellt: EIG, modiflziertes MDL und die
automatische Auswahl.
Ein neues Schema wird eingefuhrt,˜ das auf zwei verschiedenen Antennen basiert,
welche OFDM/SCT-Symbole auf verschiedene Tr˜ager im WLAN verteilen. Das
Schema verringert den Messfehler der Abstandssch˜atzung und der DME auf nahezu
Null. EineAnalysederAuswirkungenderunterschiedlichenSNR,bezuglic˜ hvariabler
vBandbreite und Variation der Anzahl der Tr˜ager auf der DME-Sch˜atzung wurde
auch erstellt. Die Algorithmen MP1-MDL und MP3-MDL erreichen die h˜ochste
Genauigkeit bei der Bestimmung der Abst˜ande und sind in der Lage, die Objekte
e–zient und mit hoher Genauigkeit zu verfolgen. Daher sind sie prinzipiell fur˜ die
Einbettung in ein mobiles Ger˜at zur Positionierung geeignet.
viAbstract
This dissertation makes a contribution in the fleld of indoor positioning applications
using concrete signal design for the forthcoming wireless communication systems. It
focuses on the comparison of two alternative signal structures of OFDM and SCT,
their structure designs, coding efiects, and the transceiver design are considered for
the indoor positioning applications. Furthermore, the TDOA method is
speciflcally to estimate the distance in a real indoor environment due to its accu-
racy amongst all counterpart methods. Another major goal is to compare the super
resolution algorithms and to propose the optimal one for increasing the accuracy
in NLOS conditions. In order to accomplish these goals a joint OFDM and SCT
transceiver is developed for the indoor positioning application. A modifled criterion
is also introduced for the DFE of the SCT, which decays exponentially and improves
the decision performance at the equalization stage. Two difierent variants of CP are
implemented for both the OFDM and the SCT signal structures. A variable length
improved channel performance for the DFE implementations is achieved. A coding
block is implemented on the combined OFDM/SCT transceiver, which brought an
e–ciency drift in the system.
TheESPRIT,Root-MUSICandMPalgorithms areimplementedontherealdata
setstoreducetheDMEtobelessthan1meter. Theestimationalgorithmsareapplied
attheCMWCE,UniversityofMagdeburgforthecaptureddataintwostages, known
as WP1 and WP2. In WP1, the system consists of two antennas and is extended
upto seven antennas in WP2. MDL and AIC are utilized as model order in WP1. In
WP2, three variants of the MP algorithm using generalized pencil function, forward-
backwardaveragingmethodandHankelmatrixmethodareintroducedasMP1, MP2
andMP3respectively. FurthermorethreemoremodelordercriteriaofEIG,Modifled
MDL and automatic model order selection are introduced.
Anewschemebasedontwodifierentantennas,transmittingOFDM/SCTsymbols
mappedtomultiplecarriersusingWLANsystemisintroduced. Theschemeincreases
the accuracy of the distance estimations and DME approaching to zero is achieved.
An analysis for the efiects of the varying SNR, variable bandwidth and varying the
number of carriers on the DME estimation is also performed.
The algorithms MP1-MDL and MP3-MDL achieve the most accurate estimation
viiand are capable of tracking the position of the moving objects with e–ciency and
accuracy. Hence they can be embedded in any wireless positioning device.
viii