UWB signal with high resolution capability can be used to estimate ranging and positioning in wireless personal area networks. The clock frequency differences of nodes have serious affects on asynchronous ranging methods to estimate locations of mobile nodes. The specification of high rate UWB describes successive TWR method with the estimation of a relative clock frequency offset. In this paper, we complete the ranging equations using relative frequency offset and time information, and propose a method to estimate the exact frequency offsets. We evaluate the ranging algorithms with simulation. The results show that the performances of the algorithms using frequency offsets are very close without noise. But, at noise environment, the method of exact frequency offsets shows better performance than that of relative frequency offsets.
The clock frequency difference of sensor nodes is one of main parameters in TOF estimation and affect to degrade ranging algorithms to estimate positions of mobile nodes in wireless sensor networks. The specification of IEEE802.15.4a describes asynchronous TWR and SDS-TWR insensitive to frequency difference without any additional network synchronization. But the TWR and SDS-TWR can not eliminate sufficiently the effect of frequency difference of node pair, packet processing delay and its difference. Especially use of low cost oscillator with wide range offset, sensor node with different hardware and software can make the positioning errors worse. We propose an estimation method of frequency differences, and apply the measured frequency differences to TWR and SDS-TWR. We evaluate the performance of the proposed algorithm with simulation, and make certain that the proposed method enhances the performance of existing algorithms with positioning errors less than 25 cm.
The asynchronous bistatic sonar needs to estimate direct blast arrival time at a receiver to localize targets, and therefore the direct blast arrival time estimation error could be added to target localization error in comparison with synchronous system. Direct blast especially appears as several peaks at the matched filter output by multipath, thus we compared the first peak detection technique and the maximum peak detection technique of those peaks for direct blast arrival time estimation through sea trial data. The test was performed in a shallow sea with bistatic sonar made up of spatially separated source and line array sensors. Line array sensors obtained the target signal which is generated from the echo repeater. As a result, the first peak detection technique is superior to maximum peak detection technique in direct blast arrival time estimation error. The result of this analysis will be used for further research of target tracking in the asynchronous bistatic sonar.
UWB signal with high resolution capability can be used to estimate ranging and positioning in wireless personal area network. The node works on its local clock and the frequency differences of nodes have serious affects on ranging algorithms estimating locations of mobile nodes. The low rate UWB, IEEE802.15.4a, describes asynchronous two way ranging methods such as TWR and SDS-TWR working without any additional network synchronization, but the algorithms can not eliminate the effect of clock frequency differences. Therefore, the mechanisms to characterize the crystal difference is essential in typical UWB PHY implementations. In high rate UWB, characterizing of crystal offset with tracking loop is not required. But, detection of the clock frequency offset between the local clock and remote clock can be performed if there is little noise induced jitter. In this paper, we complete related ranging equations of high rate UWB based on TWR with relative frequency offset, and analyze a residual error in the ideal equations. We also evaluate the performance of the relative frequency offset algorithm by simulation and analyze the ranging errors according to the number of TWR to compensate coarse clock resolution. The results show that the relative frequency offset compensation and many times of TWR enhance the performance to converge to a limited ranging errors even with coarse clock resolutions.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.8
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pp.31-37
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2016
Ranging is divided into a synchronous scheme and an asynchronous scheme according to the presence of global synchronization between nodes. In general, the asynchronous ranging is preferred over synchronous ranging because it does not require an expensive high-precision oscillator for the global synchronization. On the other hand, in a conventional asynchronous ranging scheme, the packets, which are generated by all nodes in a positioning system of a large-scale infrastructure and need to be sent for localization by reference nodes, are considerable, which cause an increase in network traffic as the number of nodes increases. The traffic congestion lowers the throughput of the network leading to a considerable loss of energy. To solve this problem, this paper proposes a ranging scheme, in which virtual transmission slots randomly and discretely selected by a plurality of nodes are used to reduce the overheads needed in synchronizing the nodes, and the ranging is performed asynchronously based on the virtual transmission slots, thereby decreasing the network traffic. In addition, a performance test proved that the proposed ranging scheme was stronger than the TWR and SDS-TWR on an error range, even though the intensity of traffic was very low.
Kim, Hyeong-Rae;Yang, Hoon-Gee;Yang, Seong-Hyeon;Kang, Bong-Soon
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.15
no.2
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pp.347-354
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2011
This paper presents a time-domain based asynchronous IR-UWB ranging system. This system accomplishes the ranging by detecting peaks from the outputs of a correlator implemented by a FIR filter. To discriminate the peaks due to a signal component, we use windowing for the correlated data within which the data are sorted in amplitude-ascending order and the noise level is calculated. Comparing with the recently presented frequency-domain based ranging system, we show the system structure and explain how it operates for ranging. Moreover, through the simulations, the proposed system is compared with the frequency-domain based system in terms of performance.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.14
no.3
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pp.587-594
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2010
In this paper, we propose an asynchronous IR-UWB ranging system based on the two-way ranging protocol. The periodic pulse sequence is used to measure a distance between two devices. At the receiver, a received signal is first transformed into a frequency-domain signal using an analog correlator bank and digital signal processing is followed in the frequency-domain. This make it possible for the system to use an ADC with a conversion speed of pulse rate. The proposed algorithm at the receiver side includes a peak detection procedure using mutipath channel compensation and matched filtering, and retransmits a pulse sequence synchronized with the detected peak. The validity of the proposed algorithm is verified from simulation results where the CM1 channel is assumed.
When measuring the radiating noise of an underwater moving source, the range information between the acoustic source and the receiver is an important evaluation factor, and the measurement standards such as a receiver position, a moving source depth and a speed are set. Although there is a method of using the cross correlation as a method of finding the range of the underwater moving source, this method requires a time synchronization process. In this paper, we proposed the method to estimate the range by comparing the Doppler frequency difference of the theoretically calculated multipath signal with the Doppler frequency difference of the multipath signal estimated from the received signal. The proposed method does not require a separate time synchronization process. Simulations were performed to verify the performance, and the ranging error of the proposed method reduced by about 95 % than that of the conventional method.
The function of location estimation in WPAN has been studied and specified on the ultra wide band optionally. But the devices based on CSS(Chirp Spread Spectrum) specification has been used widely in the market because of its functionality, cheapness and support of development. As the CSS device uses 2.4GHz for a carrier frequency and the sampling frequency is lower than that of the UWB, the resolution of a timestamp is very coarse. Then actually the error of a measured distance is very large about 30cm~1m at 10 m depart. And the location error in ($10m{\times}10m$) environment is known as about 1m~2m. So for some applications which require more accurate location information, it is very natural and important to develop a sophisticated post processing algorithm after distance measurements. In this paper, we have studied extended Kalman filter with the frequency offsets of anchor nodes, and proposed a novel algorithm frequency offset compensated extended Kalman filter. The frequency offsets are composed with a variable as a common frequency offset and constants as individual frequency offsets. The proposed algorithm shows that the accurate location estimation, less than 10cm distance error, with CSS WPAN nodes is possible practically.
This paper introduces the time-misalignment error between multiple range measurements acquired by an onboard distance measuring equipment (DME) interrogator and proposes an efficient position determination method that can mitigate the negative effects of the time-misalignment error. The introduced time-misalignment error does not occur in conventional utilization of DME combined with VHF omnidirectional range (VOR). The proposed position determination method projects all the DME range measurements acquired irregularly during an interval to the same time instance where the aircraft position is determined. By the simulation utilizing a representative aircraft trajectory, it is shown that it is possible to estimate the horizontal position accurately without any changes of ground DME facilities.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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