Contributions to array processing: beamforming, synchronization and localization

Abstract

Aquesta tesi aborda diversos problemes dins del camp de processament de senyals en agrupacions d’antenes. La part principal es centra en el que s’entén purament com processament en agrupacions d’antenes, és a dir, la manipulació de les dades obtingudes d’una agrupació d’antenes per tal d’estimar certa informació inherent. La resta del treball discuteix aplicacions del camp, sovint desvinculats de les tècniques de processament a utilitzar però també essencials per a la seva implementació final. Com a resultat, la contribució de la tesi pot dividir-se en tres temes diferents: conformació de feix, sincronització, i localització. La conformació de feix és una tècnica de processament en agrupacions d’antenes dissenyada per emular un diagrama de radiació donat i, per tant, rebre senyals radiats des de ubicacions específiques i atenuar els senyals d’altres ubicacions. Existeixen enfocaments deterministes i dependents de les dades, els quals són molt útils però encara presenten limitacions. En la conformació de feix determinista, les mètriques de disseny estan significativament desvinculades dels requisits estàndard de sistema. En la conformació de feix dependent de les dades, la majoria de les tècniques no funcionen bé en presencia de reflexions multicamí molt correlades amb el senyal desitjat. Per tal de resoldre aquests problemes, aquesta tesi analitza els conformadors de feix deterministes considerant mètriques de disseny més pràctiques, proposa un conformador de feix dependent de les dades basat en mesures de potència que atenua els efectes dels senyals multicamí correlats, i presenta una nova tècnica que explota l’ús de filtrat temporal addicional per a la mitigació de senyals multicamí. La sincronització és la coordinació d’esdeveniments per operar un sistema al uníson. Pot trobar-se en molts camps i disciplines, per exemple, en sistemes de comunicació sense fils de múltiples usuaris. En aquests sistemes, la necessitat de sincronització sorgeix quan usuaris amb informació comuna es proposen cooperar i focalitzar les seves transmissions cap a un destí desitjat, emulant així una agrupació d’antenes. Donat que els usuaris disposen d’oscil·ladors independents i imperfectes, una correcta sincronització és indispensable. Per afrontar això, aquesta tesi proposa un nou protocol de llaç obert definit per trams temporals per a la sincronització de temps i portadora, el qual és robust en el sentit de que els usuaris poden desaparèixer de la xarxa sense afectar greument al seu rendiment. Finalment, la localització és la determinació de la ubicació d’un cos físic mitjançant ones electromagnètiques o mecàniques. Més particularment, es refereix a trobar passivament un objecte distant en lloc de trobar activament la pròpia posició. D’entre totes les aplicacions, la detecció de víctimes d’allaus és molt valuosa, però les tècniques utilitzades són anacròniques i la localització sol ser lenta i complicada. En aquest context, aquesta tesi proposa un dispositiu i un protocol de localització innovadors que exploten l’ús d’agrupacions d’antenes, permetent una cerca més eficient i còmoda que els dispositius tradicionals, i amb un gran potencial de desenvolupament industrial.

Esta tesis aborda varios problemas dentro del campo de procesamiento de señales en agrupaciones de antenas. La parte principal se centra en lo que se entiende puramente como procesamiento en agrupaciones de antenas, es decir, la manipulación de los datos obtenidos de una agrupación de antenas para estimar cierta información inherente. El resto del trabajo discute aspectos aplicativos del campo, a menudo desvinculados de las técnicas de procesamiento a utilizar pero también esenciales para su implementación final. Como resultado, la contribución de la tesis puede dividirse en tres temas distintos: conformación de haz, sincronización, y localización. La conformación de haz es una técnica de procesamiento en agrupaciones de antenas diseñada para emular un diagrama de radiación dado, y por lo tanto, para recibir señales radiadas desde ubicaciones específicas y atenuar las señales de otras ubicaciones. Existen enfoques deterministas y dependientes de los datos, que son muy útiles pero todavía presentan limitaciones. En la conformación de haz determinista, las métricas de diseño están significativamente desvinculadas de los requisitos estándar de sistema. En la conformación de haz dependiente de los datos, la mayoría de las técnicas no funcionan bien en presencia de reflexiones multicamino muy correlacionadas con la señal deseada. Para resolver estos problemas, esta tesis analiza los conformadores de haz deterministas considerando métricas de diseño más prácticas, propone un conformador de haz dependiente de los datos basado en medidas de potencia que atenúa los efectos de las señales multicamino correlacionadas, y presenta una nueva técnica que explota el uso de filtrado temporal adicional para la mitigación de señales multicamino. La sincronización es la coordinación de eventos para operar un sistema al unísono. Puede encontrarse en muchos campos y disciplinas, por ejemplo, en sistemas de comunicación inalámbrica de múltiples usuarios. En estos sistemas, la necesidad de sincronización ocurre cuando usuarios con información común se proponen cooperar y focalizar sus transmisiones hacia un destino deseado, emulando así una agrupación de antenas. Dado que los usuarios disponen de osciladores independientes e imperfectos, una correcta sincronización es indispensable. Para hacer frente a esto, esta tesis propone un novedoso protocolo de lazo cerrado definido por tramos temporales para la sincronización de tiempo y portadora, el cual es robusto en el sentido de que los usuarios pueden desaparecer de la red sin afectar gravemente a su rendimiento. Finalmente, la localización es la determinación de la ubicación de un cuerpo físico mediante ondas electromagnéticas o mecánicas. Más particularmente, se refiere a encontrar pasivamente un objeto distante en lugar de encontrar activamente la propia posición. Entre todas las aplicaciones posibles, la detección de víctimas de avalanchas es muy valiosa, pero las técnicas utilizadas son anacrónicas y la localización suele ser lenta y complicada. En este contexto, esta tesis propone un dispositivo y protocolo de localización novedosos que explotan el uso de agrupaciones de antenas, permitiendo una búsqueda más eficiente y cómoda que los dispositivos tradicionales, y con un gran potencial de desarrollo industrial.

This thesis addresses several problems within the field of array signal processing. Its main part focuses on what is purely understood as array processing, that is, the manipulation of the data obtained from an antenna array to estimate certain inherent information. The rest of the work discusses applicative aspects of the field, often decoupled from the processing techniques to be used but also essential for their final implementation. As a result, the contribution of the thesis can be divided into three distinct topics: beamforming, synchronization, and localization. Beamforming is an array processing technique designed to emulate a given antenna pattern, and thus to receive signals radiating from specific locations and attenuate signals from other locations. Deterministic and data-dependent approaches exist that are highly useful while still presenting limitations. In deterministic beamforming, the design metrics are significantly decoupled from standard system requirements. In data-dependent beamforming, most techniques do not work well in the presence of multipath reflections that are very correlated with the desired signal. To solve these issues, an analysis of deterministic beamformers is provided that considers other practical design metrics, a power-based data-dependent beamformer is proposed that attenuates the effects of correlated multipaths, and a new approach for multipath mitigation is presented that exploits additional temporal filtering. Synchronization is the coordination of events to operate a system in unison. It can be found in many field and disciplines, for instance, in multi-user wireless communication systems. In these systems, the need for synchronization occurs when users with common information aim to cooperate and focus their transmissions towards an intended destination, thus emulating an antenna array. Since users have independent and imperfect oscillators, proper synchronization becomes essential. To cope with this, a novel time-slotted round-trip protocol for carrier and timing synchronization is proposed, which presents important robustness in the sense that users can disappear from the network without severely affecting performance. Finally, localization is the determination of the location of a given physical body by means of electromagnetic or mechanical waves. More particularly, it refers to passively finding a distant object rather than actively one’s own position. Among all possible applications, avalanche victim detection is very valuable, but the techniques used are anachronistic and the localization often becomes slow and complicated. In this regard, a novel localization device and protocol are proposed that exploit the use of antenna arrays, allowing a more efficient and convenient search than traditional devices, and with great potential for industrial development.