Indoor source localization via direction finding technique

Abstract

Mobil telefonlar gibi elektromanyetik yayın yapan bir vericinin bir bina içerisindeki yeri, alıcı çıkışlarındaki işaretlerin güçleri ya da birbirlerine göre zaman farkları ölçülerek bulunabilir. Bina içindeki bir vericinin yerini tespit etmek için, birbirine iki ya da daha fazla yön bulucudan oluşan bir konum belirleyici, binanın dışına yerleştirilmektedir. Vericinin konumu, her bir yön bulucu (YB) tararından gönderilen açı huzmelerinin kesişim bölgesindedir. Kapalı ve açık ortamlarda yaptığımız deneyler, daha çok önerilen yön bulucuların performanslarını test etmeye yönelik olarak gerçekleştMlmiştir. Bu çalışmada, gönderilen bir sinyalin geliş açısını bulmak amacıyla önerilen bir yön bulucu gerçeklenmiştir. Yön bulucular aralarında d kadar uzaklık bulunan iki dipol antenden, bir alıcıdan ve bir dizüstü bilgisayardan oluşmaktadır. Anten işaretlerini almak ve sayısallaştırmak için en yüksek örnekleme frekansı 4Gs/s olan 4-kanallı bir osiloskop kullanılmıştır, işaretler daha ileri analizler için GPIB bağlantısıyla bilgisayara aktarılmaktadır. Açı kestirimi, zaman farkı ölçümleri yöntemine dayanır. Aralarında belli bir uzaklık bulunan iki antene ulaşan elektromanyetik sinyaller arasında bir zaman gecikmesi söz konusudur. Geliş açısı kestirimi için, sayısal bir işaret işleme metodu olan çapraz ilişki işlevinden faydalanılmıştır. Bu işlev anten çıkışındaki işaretler arasındaki zaman farkını ölçerek, vanş açısının hesaplanmasını sağlar. İki işaretin çapraz ilişki eğrisinin maksimum olduğu an bu iki işaret arasındaki zaman gecikmesine denktir. Önerilen yön bulucunun performansı, tam yansımasız oda, laboratuar ortamı ve açık alan gibi farklı koşullarda test edilmiş ve özellikle açık alanda başaranının oldukça yüksek olduğu anlaşılmıştır. Elde edilen test sonuçlan ışığında, bilgisayar ortamında, bir bina çevresine yerleştirilmiş 3 farklı YB sisteminden oluşan bir konum belirleme sistemi simule edilmiştir. Simulasyon ile elde edilen sonuçlar, böyle bir konum belirleyicinin bina içindeki bir vericinin yerini yüksek doğrulukla belirleyeceğini göstermiştir. Önerilen YB sistemi, bina içindeki bir vericinin yerinin belirlenmesinde kullanıldığında yeterince iyi sonuçlar verecektir. Literatürde yüksek doğrulukta çalışan ve karmaşık faz ölçümlerine dayanan yön bulma sistemleri mevcuttur. Fakat bu sistemlerin gerçeklenmesi çok zordur. Öte yandan, basit genlik ölçümlerine dayanan, gerçeklenmesi kolay yön bulucular da bulunmaktadır. Bu sistemlerin ise başarımı çok kötüdür. Yukarıda anlatıldığı gibi zaman farkı ölçümlerine dayanan bir yön bulucu, hem başarım kriterlerini yeterince sağlayan, hem de gerçeklenmesi kolay bir YB sistemidir.

The location of an indoor transmitter such as a mobile phone in a building can be determined by measuring power or relative timing of the transmitted signal from simultaneous receivers located in the vicinity of the transmitter. A radio location finding system, consisting of two or more equivalent direction finders (DF), is placed outside of the building to pinpoint a transmitter located inside the building. Once the bearing angle is obtained from each DF system, the position of the transmitter is simply the intersection of the bearings from the direction finders. In our experiments, we mostly concentrated on the performance of suggested DF system for both indoor and outdoor applications. We implemented a one-coordinate direction finder to determine only the azimuthal angle of arrival (AOA) of the transmitted signal. Each DF system is composed of two dipole antenna array, receivers, and a laptop computer. A 4-channel sampling oscilloscope with a maximum sampling frequency of 4 Gs/s is used to receive and digitize the received signals. The digitized signals are then transferred to a laptop computer over a General Purpose Interface Board (GPIB) interface for further analysis to extract AOA information. Extraction of AOA information is based on time delay measurement technique. An electromagnetic wave impinging on two antennas separated by a distance of d experiences a time delay. The time difference of arrival between the received signals at the antenna terminals can easily be found by cross-correlating the signals. The delay is estimated as the time lag value where the peak of the cross correlation of two antenna signals occurs. Many experiments are realized in different environments such as anechoic chamber, an indoor RF laboratory and open air sites to measure the performance of direction finder. Using the data we have collected, we modeled a location finding system consisting of three equivalent DF systems located around a building. The simulation results show that the proposed simple DF system will work reasonably well for the location of a tranmitter inside a building. The proposed DF system is a trade-off between a highly sophisticated, but not easily deployable system such as a phased array DF and a simple amplitude comparison DF system. Accuracy of the system will be higher compared to that of an amplitude only system, and also will have an ease of implementation compared to that of a phased array system.