Array interpolation methods with applications in wireless sensor networks and global positioning systems

Abstract

Nas últimas três décadas o estudo de técnicas de processamento de sinais em arranjos de sensores tem recebido grande atenção. Uma grande quantidade de técnicas foi desenvolvida com diversas finalidades como a estimação da direção de chegada, a filtragem ou separação espacial dos sinais recebidos, a estimação do atraso de propagação, a estimação da frequência Doppler e a pré-codificação de sinais na transmissão para maximização da potência recebida por outro arranjo. Técnicas para estimação da direção de chegada são de particular interesse para sistemas de posicionamento baseado em ondas de rádio, como os sistemas de posicionamento global e para o mapeamento de sensores em redes de sensores. Uma particularidade dessas aplicações é a necessidade de uma estimação em tempo real ou computacionalmente eficiente. Técnicas de estimação da direção de chegada que atendem esses requisitos requerem uma estrutura muito específica do arranjo de antenas que, em geral, não pode ser obtida em implementações reais. Nesse trabalho é apresentado um conjunto de técnicas que permitem a interpolação de sinais recebidos em arranjos de geometria arbitrária para arranjos de geometria específica, de forma eficiente e robusta, para possibilitar a aplicação de técnicas eficientes para estimação da direção de chegada em arranjos de geometria arbitrária. Como aplicações das técnicas propostas são apresentados o mapeamento preciso em redes de sensores e posicionamento preciso em receptores de sistemas de posicionamento global. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

In the last three decades the study of antenna array signal processing techniques has received significant attention. A large number of techniques have been developed with different purposes such as the estimation of the direction of arrival (DOA), filtering or spatial separation of received signals, estimation of time delay of arrival (TDOA), Doppler frequency estimation and precoding of transmitted signals to maximize the power received by a different array. DOA estimation techniques are of particular interest for positioning systems based on radio waves such as the global positioning system (GPS) and for sensor mapping in wireless sensor networks (WSNs). These applications have the particular requirement of demanding the estimations to be made in real time or with reduced computational complexity. DOA estimation techniques that fulfill these requirements demand very specific antenna array structures that cannot, in general, be obtained in real implementations. In this work a set of techniques is presented that allows the interpolation of signals received in arrays of arbitrary geometry into arrays of specific geometry efficiently and robustly to allow the application of efficient DOA estimation techniques in arrays of arbitrary geometry. As an application of the proposed techniques precise mapping for WSNs and precise positioning for GPS receivers is presented.