Array processing techniques for direction of arrival estimation, communications, and localization in vehicular and wireless sensor networks

• Main Author: Marinho, Marco Antonio Marques
• Other Authors: Antreich, Felix
• Language: Inglês
• Published: 2018
• Subjects: Sistemas de comunicação sem fio; Processamento de sinais; Redes de sensores; Antenas (Eletrônica); Posicionamento por rádio
• Online Access: http://repositorio.unb.br/handle/10482/32685

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica, 2018. === Submitted by Fabiana Santos ([e-mail]) on 2018-09-13T20:37:22Z No. of bitstreams: 1 2018_MarcoAntonioMarquesMarinho.pdf: 6538571 bytes, checksum: bed8c2bb80946bd6f6e3e4c10d4ed7a3 (MD5) === Approved for entry into archive by Fabiana Santos ([e-mail]) on 2018-09-25T17:39:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2018_MarcoAntonioMarquesMarinho.pdf: 6538571 bytes, checksum: bed8c2bb80946bd6f6e3e4c10d4ed7a3 (MD5) === Made available in DSpace on 2018-09-25T17:39:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2018_MarcoAntonioMarquesMarinho.pdf: 6538571 bytes, checksum: bed8c2bb80946bd6f6e3e4c10d4ed7a3 (MD5) Previous issue date: 2018-09-13 === Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). === Técnicas de processamentos de sinais para comunicações sem fio tem sido um tópico de interesse para pesquisas há mais de três décadas. De acordo com o padrão Release 9 desenvolvido pelo consorcio 3rd Generation Partnership Project (3GPP) sistemas utilizando múltiplas antenas foram adotados na quarta geração (4G) dos sistemas de comunicação sem fio, também conhecida em inglês como Long Term Evolution (LTE). Para a quinta geração (5G) dos sistemas de comunicação sem fio centenas de antenas devem ser incorporadas aos equipamentos, na arquitetura conhecida em inglês como massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO). A presença de múltiplas antenas provê benefícios como o ganho do arranjo, ganho de diversidade, ganho espacial e redução de interferência. Além disso, arranjos de antenas possibilitam a filtragem espacial e a estimação de parâmetros, ambos podem ser usados para se resolver problemas que antes não eram vistos pelo prisma de processamento de sinais. O objetivo dessa tese é superar a lacuna entre a teoria de processamento de sinais e as aplicações da mesma em problemas reais. Tradicionalmente, técnicas de processamento de sinais assumem a existência de um arranjo de antenas ideal. Portanto, para que tais técnicas sejam exploradas em aplicações reais, um conjunto robusto de métodos para interpolação do arranjo é fundamental. Estes métodos são desenvolvidos nesta tese. Além disso problemas no campo de redes de sensores e redes veiculares são tratados nesta tese utilizando-se uma perspectiva de processamento de sinais. Nessa tesa métodos inovadores de interpolação de arranjos são apresentados e sua performance é testada utilizando-se cenários reais. Conceitos de processamento de sinais são implementados no contexto de redes de sensores. Esses conceitos possibilitam um nível de sincronização suficiente para a aplicação de sistemas de múltiplas antenas distribuídos, o que resulta em uma rede com maior vida útil e melhor performance. Métodos de processamento de sinais em arranjos são propostos para resolver o problema de localização baseada em sinais de rádio em redes veiculares, com aplicações em segurança de estradas e proteção de pedestres. Esta tese foi escrita em língua inglesa, um sumário em língua portuguesa é apresentado ao final da mesma. === Array signal processing in wireless communication has been a topic of interest in research for over three decades. In the fourth generation (4G) of the wireless communication systems, also known as Long Term Evolution (LTE), multi antenna systems have been adopted according to the Release 9 of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP). For the fifth generation (5G) of the wireless communication systems, hundreds of antennas should be incorporated to the devices in a massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO) architecture. The presence of multiple antennas provides array gain, diversity gain, spatial gain, and interference reduction. Furthermore, arrays enable spatial filtering and parameter estimation, which can be used to help solve problems that could not previously be addressed from a signal processing perspective. The aim of this thesis is to bridge some gaps between signal processing theory and real world applications. Array processing techniques traditionally assume an ideal array. Therefore, in order to exploit such techniques, a robust set of methods for array interpolation are fundamental and are developed in this work. Problems in the field of wireless sensor networks and vehicular networks are also addressed from an array signal processing perspective. In this dissertation, novel methods for array interpolation are presented and their performance in real world scenarios is evaluated. Signal processing concepts are implemented in the context of a wireless sensor network. These concepts provide a level of synchronization sufficient for distributed multi antenna communication to be applied, resulting in improved lifetime and improved overall network behaviour. Array signal processing methods are proposed to solve the problem of radio based localization in vehicular network scenarios with applications in road safety and pedestrian protection.