Analysis of single transmitter 3D indoor positioning based on virtual transmitter concept

• Autorzy: Manap Zahariah , Awang Md Isa Azmi , Zainuddin , Mohd Sultan Juwita , Markarian Garik

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.09.34

Warianty tytułu

PL

Analiza pozycjonowania 3D pojedynczego nadajnika w pomieszczeniach w oparciu o koncepcję wirtualnego nadajnika

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The performance of indoor positioning systems is greatly affected by multipath error due to complexity of environment geometry. Other than mitigating the error, the nature of multipath wave propagation can be utilised to reduce the system’s complexity and installation cost. This paper proposes the development of a single transmitter indoor positioning method based on virtual transmitter (VT) concept and TOA measurement. A 3-dimensional indoor space of 13.25m×12.25m×4m is modelled as the area of study. A ray tracing simulation tool is used to obtain the VTs’ position and power delay profile (PDP) of the multipath channel at multiple receiver’s position within the space. From the obtained PDP, three VTs with the highest received power are chosen to perform lateration using the linear least square (LLS) and nonlinear least square (NLLS). Analysis shows NLLS gives a far better estimation accuracy compared to LLS. The low z-plane estimation accuracy contributes to high RMSE of position estimation. The findings can be utilised as a baseline for indoor positioning estimation technique. With additional analysis, this method will be further improved for better accuracy.

PL

Na wydajność wewnętrznych systemów pozycjonowania duży wpływ ma błąd wielościeżkowy ze względu na złożoność geometrii środowiska. Oprócz ograniczania błędów, natura propagacji fali wielościeżkowej może być wykorzystana do zmniejszenia złożoności systemu i kosztów instalacji. W artykule zaproponowano opracowanie metody pozycjonowania pojedynczego nadajnika w pomieszczeniach, opartej na koncepcji wirtualnego nadajnika (VT) i pomiarze TOA. Jako obszar badań modelowana jest trójwymiarowa przestrzeń wewnętrzna o wymiarach 13,25 m × 12,25 m × 4 m. Narzędzie do symulacji śledzenia promieni jest wykorzystywane do uzyskiwania pozycji VT i profilu opóźnienia mocy (PDP) kanału wielościeżkowego w pozycji wielu odbiorników w przestrzeni. Z otrzymanego PDP wybiera się trzy VT o najwyższej odbieranej mocy, aby przeprowadzić późniejszą metodę liniową najmniejszych kwadratów (LLS) i nieliniową metodę najmniejszych kwadratów (NLLS). Analiza pokazuje, że NLLS zapewnia znacznie lepszą dokładność oszacowania w porównaniu z LLS. Niska dokładność estymacji w płaszczyźnie Z przyczynia się do wysokiego RMSE estymacji pozycji. Wyniki można wykorzystać jako punkt odniesienia dla techniki szacowania pozycjonowania w pomieszczeniach. Dzięki dodatkowej analizie metoda ta zostanie udoskonalona w celu uzyskania większej dokładności.

Słowa kluczowe

EN

indoor positioning; single transmitter; virtual transmitter

PL

pozycjonowanie w pomieszczeniach; pojedynczy nadajnik; Wirtualny nadajnik

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 9
• Strony: 179--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Manap Zahariah

• Fakulti Teknologi Kejuruteraan Elektrik dan Elektronik, Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Awang Md Isa Azmi

• Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer, Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Zainuddin

• Fakulti Teknologi Kejuruteraan Elektrik dan Elektronik, Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Mohd Sultan Juwita

• Fakulti Kejuruteraan Elektronik dan Kejuruteraan Komputer, Universiti Teknikal Malaysia Melaka

autor

Markarian Garik

• School of Computing & Communications, Lancaster University

Bibliografia

• [1] Z. Farid, R. Nordin, and M. Ismail, “Recent Advances in Wireless Indoor Localization Techniques and System,” Computer Networks and Communications, vol. 2013, pp. 1–12, 2013.
• [2] Z. Liu, L. Chen, X. Zhou, Y. Ruan, Z. Jiao, and R. Chen, “A Precise ranging with subcarrier diversity for 5g nr indoor positioning,” International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences - ISPRS Archives, vol. 46, no. 3/W1-2022, pp. 125–131, 2022.
• [3] R. Zhang, G. Chen, Q. Zeng, and L. Shen, “Single-Site Positioning Method Based on High-Resolution Estimation in VANET Localization,” IEEE Access, vol. 6, pp. 54674–54682, 2018.
• [4] L. Xie, Y. Zhang, Y. Wang, W. Nie, and M. Zhou, “Multipath Assisted Single Base Station Positioning for NLOS Environment,” in IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting, 2022, pp. 307–308.
• [5] X. Wang, L. Liu, Y. Lin, and X. Chen, “A Fast Single-Site Fingerprint Localization Method in Massive MIMO System,” in 11th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing, 2019, pp. 1–6.
• [6] Y. Wang, Q. Wu, M. Zhou, X. Yang, W. Nie, and L. Xie, “Single base station positioning based on multipath parameter clustering in NLOS environment,” EURASIP J Adv Signal Process, vol. 2021, no. 1, 2021.
• [7] S. Wu, M. Li, M. Zhang, K. Xu, and J. Cao, “Single base station hybrid TOA/AOD/AOA localization algorithms with the synchronization error in dense multipath environment,” EURASIP J Wirel Commun Netw, vol. 2022, no. 1, 2022.
• [8] P. Meissner, “Multipath-assisted Indoor Positioning,” Graz University of Technology, 2015.
• [9] Z. Li, Z. Tian, Z. Wang, and Y. Wang, “Multipath-assisted indoor localization: Turning multipath signal from enemy to friend,” in IEEE Global Communications Conference, 2019.
• [10] Z. Li, Z. Tian, Z. Wang, and Z. Zhang, “Multipath-Assisted Indoor Localization Using a Single Receiver,” IEEE Sens J, vol. 21, no. 1, pp. 692–705, 2021.
• [11] M. H. Jespersen et al., “An indoor multipath-assisted singleanchor UWB localization method,” in IEEE MTT-S International Wireless Symposium, 2018, pp. 1–3.
• [12] X. Wang, Y. Ren, W. Sun, L. Liu, and X. Chen, “Robust fingerprint localization based on massive MIMO systems,” China Communications, China Institute of Communications, 2022.
• [13] X. Sun, X. Gao, G. Y. Li, and W. Han, “Fingerprint Based Single-Site Localization for Massive MIMO-OFDM Systems,” in IEEE Global Communications Conference, 2017, vol. 2018- Janua, pp. 1–7.
• [14] X. Sun, X. Gao, G. Y. Li, and W. Han, “Single-Site Localization Based on a New Type of Fingerprint for Massive MIMO-OFDM Systems,” IEEE Trans Veh Technol, vol. 67, no. 7, pp. 6134– 6145, 2018.
• [15] J. Fan, J. Zhang, and X. Dou, “Single-site indoor fingerprint localization based on MIMO-CSI,” China Communications, vol. 18, no. 8, China Institute of Communications, pp. 199–208, 2021.
• [16] M. Wysocki, R. Nicpoń, M. Trzaska, and A. Czapiewska, “Research of Accuracy of RSSI Fingerprint-Based Indoor Positioning BLE System,” Przeglad Elektrotechniczny, vol. 98, no. 9, pp. 86–89, 2022.
• [17] J. Liang, J. He, W. Yu, and T. K. Truong, “Single-Site 3-D Positioning in Multipath Environments Using DOA-Delay Measurements,” IEEE Communications Letters, vol. 25, no. 8, pp. 2559–2563, 2021.
• [18] Y. Wang, K. Zhao, and Z. Zheng, “A 3D Indoor Positioning Method of Wireless Network with Single Base Station in Multipath Environment,” Wirel Commun Mob Comput, vol. 2022, 2022.
• [19] A. Blanco, N. Ludant, P. J. Mateo, Z. Shi, Y. Wang, and J. Widmer, “Performance Evaluation of Single Base Station ToAAoA Localization in an LTE Testbed,” in IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2019, vol. 2019-Septe.
• [20] M. Lecci, P. Testolina, M. Polese, M. Giordani, and M. Zorzi, “Accuracy Versus Complexity for mmWave Ray-Tracing: A Full Stack Perspective,” IEEE Trans Wirel Commun, vol. 20, no. 12, pp. 7826–7841, 2021.
• [21] D. He, B. Ai, K. Guan, L. Wang, Z. Zhong, and T. Kürner, “The design and applications of high-performance ray-tracing simulation platform for 5G and beyond wireless communications: A tutorial,” IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 21, no. 1, pp. 10–27, 2019.
• [22] ITU-R - Radiocommunication Sector of ITU, “Recommendation ITU-R P.2040-1: Effects of building materials and structures on radiowave propagation above about 100 MHz,” 2015.
• [23] M. Ulmschneider and C. Gentner, “Improving Maps of Physical and Virtual Radio Transmitters,” in 31st International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation, Oct. 2018, pp. 3367–3373
• [24] M. Ulmschneider, C. Gentner, and A. Dammann, “Matching Maps of Physical and Virtual Radio Transmitters Using Visibility Regions,” in IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium, 2020, pp. 375–382.
• [25] William S. Murphy Jr., “Determination of a Position using Approximate Distance and Trilateration,” Colorado School of Mines, 2007