Design of an IR-UWB ranging system for the IEEE 802.15.4a standard

Resumen

Un Sistema de Localización en Tiempo Real (SLTR) es un término utilizado en las redes de dispositivos utilizadas para localizar objetos o gente en el interior de una construcción. En lugar de usar satélites, un SLTR se basa en el uso de nodos (con una posición conocida), los cuales localizan los dispositivos móviles o dan información contextual. Habitualmente, el procedimiento de localización consta de dos pasos; en el primer paso se calculan las distancias ó ángulos entre los nodos fijos y móviles. Este paso se conoce como estimación de rango en el caso de distancia y como ¿bearing¿ en el caso de ángulos. En el segundo paso, usando la información proporcionada por el primer paso, las coordenadas (x,y,z) del transceptor móvil son calculadas. Este segundo paso se conoce como posicionamiento. La tecnología de impulsos de radio de ultra ancho de banda conocida por sus siglas en inglés como IR-UWB, está considerada como la tecnología más prometedora para ser usada en un SLTR. Se basa en la transmisión de señales de radio que ocupan un gran ancho de banda. Usando potencias de transmisión muy pequeñas, estas señales pueden proporcionar unas prestaciones muy robustas en ambientes multi-trayecto. Debido a estos beneficios, IR-UWB ha sido seleccionada como la capa física (PHY) por el IEEE 802.15.4a para aplicaciones en redes de área personal inalámbrica de baja tasa de datos. Este estándar también soporta estimación de rango entre dispositivos mediante mediciones del Tiempo de Vuelo (TdV) de la señal transmitida. Existen multitud de sistemas de estimación de rango en la bibliografía basados en el TdV, que emplean la tecnología IR-UWB. Sin embargo, la mayoría de estos sistemas no cumplen con el estándar IEEE 802.15.4a ó simplemente se centran en el sistema de comunicaciones en lugar de en el sistema de estimación de rango. El objetivo principal de este trabajo de investigación es diseñar e implementar un sistema de estimación de rango basado en el TdV de la señal y el estándar IEEE 802.15.4a. En este trabajo se proponen nuevas arquitecturas de transmisor y receptor, con el fin de aprovechar las características principales del estándar IEEE 802.15.4a para aplicaciones de estimación de rango. Uno de los mayores retos en un sistema de estimación de rango basado en el TdV es detectar con precisión el Tiempo de Llegada (TdL) de la señal en ambientes con multi-trayecto. Cuando una señal de un trayecto reflejado ó una parte del ruido de la señal es considerada como el trayecto directo puede dar lugar a errores muy grandes en la estimación de rango. Por lo tanto, en el receptor propuesto, se ha propuesto un nuevo algoritmo de estimación de rango basado en el TdV. Además, se presenta un método para seleccionar los parámetros óptimos para el algoritmo. El algoritmo de estimación de rango propuesto se ha comparado con los algoritmos de la bibliografía mediante simulaciones. Además, se ha implementado un prototipo formado por el transmisor y receptor propuesto. Este prototipo se ha construido con componentes disponibles en el mercado con el fin de que sea reproducible por la comunidad científica. El análisis de las prestaciones del transmisor propuesto nos muestra que cumple plenamente con el estándar IEEE 802.15.4a. El transmisor cumple con las especificaciones del formato de trama así como con las especificaciones relacionadas con la banda de Radio Frecuencia (RF) tales como la forma del pulso o espectro transmitido. Se ha realizado una extensa campaña de medidas, con el fin de comprobar la viabilidad del sistema propuesto en un entorno realista. Las medidas de estimación de rango muestran que el sistema de estimación de rango propuesto alcanza una precisión muy alta. El error obtenido en las medidas esta en torno a unos pocos centímetros.