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Coherent Time Difference of Arrival Estimation Techniques for Frequency Hopping GSM Mobile Radio Signals

Autor	Alexander Gerald Götz
Verlag	De Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr	2013
Seitenanzahl	195 Seiten
ISBN	9783486748628
Format	PDF
Kopierschutz	Wasserzeichen/DRM
Geräte	PC/MAC/eReader/Tablet
Preis	104,95 EUR

In this work, coherent techniques for time difference of arrival estimation for frequency hopping GSM signals are introduced. The techniques provide significant improvements in accuracy compared to state-of-the-art techniques and are ideally suited for highly accurate localization of GSM mobile phones. The key inventive concept is based on the interpretation of a frequency hopping GSM signal as a wideband signal.

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Inhaltsverzeichnis

1 Introduction and Motivation	25
1.1 GSMMobile Phone Localization	25
1.2 Localization in Search and Rescue Scenarios	28
1.3 Key Inventive Concept	29
1.4 Scope of thisWork	30
2 Basic System Architecture and Measurement Setup	31
2.1 Time Difference of Arrival Localization Systems	31
2.1.1 Localization Scenario	31
2.1.2 Major Challenges and Requirements	33
2.1.3 Auxiliary System Components	34
2.2 Time Difference of Arrival Estimation Scenario	36
2.2.1 ElementaryMeasurement Setup	36
2.2.2 Generic Radio ChannelModel	38
3 GSM Signal Characteristics and Modeling	41
3.1 Physical Layer Structure	41
3.1.1 Modulation	41
3.1.2 Burst Types and Structures	44
3.1.3 Power and Spectral Characteristics	46
3.1.4 Multiple Access and Duplexing	48
3.2 Modeling of GSMSignals	53
3.2.1 Single Burst SignalModel	53
3.2.2 Frequency Hopping SignalModel	54
4 Coherent Wideband Signal Acquisition and Modeling	55
4.1 Wideband Signal Acquisition Techniques	55
4.1.1 Wideband Frontend Signal Acquisition	55
4.1.2 Narrowband Frontend Signal Acquisition	57
4.1.3 Mixed Acquisition Schemes	59
4.1.4 Coherence and Phase Relationships	60
4.2 Properties of AcquiredWideband Signals	61
4.2.1 Frequency Hopping Bandwidth	61
4.2.2 Effective Signal Bandwidth	61
4.2.3 Signal to Noise Ratio	62
4.3 Pre-Processing andMultiple Source Separation	64
4.3.1 Burst Isolation Technique	64
4.3.2 Wideband Signal Reconstruction Technique	67
4.3.3 Multiple Source Separation Technique	68
5 Coherent Time Difference of Arrival Estimation Techniques	69
5.1 Wideband Crosscorrelation Technique	69
5.1.1 Definition of the Crosscorrelation Function	69
5.1.2 Decomposition of the Crosscorrelation Function	70
5.1.3 Ambiguity Function of Frequency Hopping Signals	71
5.1.4 Shape of the Ambiguity Function	72
5.1.5 Properties of the Ambiguity Function	80
5.1.6 Application of Concatenated and Stacked Signals	84
5.1.7 Range Limitations	88
5.2 Burst Phase Analysis Technique	90
5.2.1 Derivation for Simple Delay Scenarios	90
5.2.2 Evaluation ofMultiple Burst Signals	92
5.2.3 Influence of Multipath Components	95
5.2.4 Averaging of Burst Phase Differences	101
5.2.5 Range Ambiguities	104
5.3 Realizable Frequency Hopping Signal Configurations	105
6 Numerical Performance Simulation and Evaluation	107
6.1 Simulation Environment and Parameters	107
6.2 Noise Performance inMultipath-Free Scenarios	110
6.2.1 AWGN ChannelModel	110
6.2.2 Cramér-Rao Lower Bound	110
6.2.3 Estimation Standard Deviation	111
6.3 Multipath Performance in Two-Paths Scenarios	116
6.3.1 Two-Path ChannelModel	116
6.3.2 Maximum Estimation Bias	116
6.4 Multipath Performance in Realistic Scenarios	120
6.4.1 Tapped Delay-Line ChannelModel	120
6.4.2 Resolvability of Propagation Paths	124
6.5 Summary of Estimation Technique Performance	128
7 Prototype System Structure and Measurement Results	129
7.1 Structure of the Receiving Stations	129
7.1.1 Main Functional Components	129
7.1.2 Synchronization SourceModule	130
7.1.3 Synchronization and TriggerModule	131
7.1.4 Wideband Signal AcquisitionModule	133
7.1.5 Data and ControlModule	135
7.1.6 Integration of theModules	136
7.2 Characteristics of HardwareModules	137
7.2.1 Phase Noise Profile of Synchronization Signals	137
7.2.2 Synchronicity of Synchronization Source Signals	138
7.2.3 Synchronicity of Synchronization and Trigger Signals	140
7.2.4 Frequency Response of Wideband Signal Acquisition Modules	142
7.2.5 Symmetry of Wideband Signal Acquisition Modules	144
7.3 Time Difference of ArrivalMeasurement Results	146
7.3.1 Static Offset Compensation Procedure	146
7.3.2 Measurement Setup and Evaluation Procedure	147
7.3.3 Originating GSMSignal Configuration	150
7.3.4 Delay-LineMeasurement Results	150
7.4 Summary of Hardware andMeasurement Results	154
8 Summary and Outlook	157
8.1 Major Achievements and Contributions	157
8.2 FutureWork and Development	158
8.3 Patents, Scientific Publications and Theses	161
Appendices	163
A Frequency Hopping Sequence Generation in GSM Systems	165
B Logical and Physical Channels in GSM Systems	167
B.1 Definition of Resources and Channels	167
B.2 Structure of the 26-Multiframe	167
B.3 Structure of the 51-Multiframe	168
C Frequency Hopping Signal Transmission Initiation in GSM Systems	171
C.1 Requirements for Signal Transmission Initiation	171
C.2 Voice and Data Connection	171
C.3 Modified Handover Procedure	174
D Time Difference of Arrival Estimation for Narrowband GSM Signals	177
D.1 Narrowband Crosscorrelation Technique	177
D.2 Model-based Estimation Techniques	179
D.3 Incoherent Integration withMultipath Rejection Technique	180
D.4 Successive Cancellation Technique	182
D.5 Further Applicable Techniques	183
D.6 Comparative Summary	186
E Localization System Architecture for Search and Rescue Scenarios	187
References	189

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