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Scientific and technological production
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1 to 50 of 146 results
  • Wireless technologies for isolated rural communities in developing countries based on cellular femtocell deployment

     Muñoz Medina, Olga; Vidal Manzano, Jose; Pascual Iserte, Antonio; Agustin de Dios, Adrian; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Participation in a competitive project

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  • GNSS Array-based Acquisition: Theory and Implementation  Open access

     Arribas Lázaro, Javier
    Defense's date: 2012-06-28
    Department of Signal Theory and Communications, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    This Dissertation addresses the signal acquisition problem using antenna arrays in the general framework of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. The term GNSS classi es those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the American GPS is already available, which coexists with the renewed Russian Glonass, the forthcoming European contribution (Galileo) along with the Chinese Compass will be operative soon. Therefore, a variety of satellite constellations and signals will be available in the next years. GNSSs provide the necessary infrastructures for a myriad of applications and services that demand a robust and accurate positioning service. The positioning availability must be guaranteed all the time, specially in safety-critical and mission-critical services. Examining the threats against the service availability, it is important to take into account that all the present and the forthcoming GNSSs make use of Code Division Multiple Access (CDMA) techniques. The ranging signals are received with very low precorrelation signal-to-noise ratio (in the order of ���22 dB for a receiver operating at the Earth surface). Despite that the GNSS CDMA processing gain o ers limited protection against Radio Frequency interferences (RFI), an interference with a interference-to-signal power ratio that exceeds the processing gain can easily degrade receivers' performance or even deny completely the GNSS service, specially conventional receivers equipped with minimal or basic level of protection towards RFIs. As a consequence, RFIs (either intentional or unintentional) remain as the most important cause of performance degradation. A growing concern of this problem has appeared in recent times. Focusing our attention on the GNSS receiver, it is known that signal acquisition has the lowest sensitivity of the whole receiver operation, and, consequently, it becomes the performance bottleneck in the presence of interfering signals. A single-antenna receiver can make use of time and frequency diversity to mitigate interferences, even though the performance of these techniques is compromised in low SNR scenarios or in the presence of wideband interferences. On the other hand, antenna arrays receivers can bene t from spatial-domain processing, and thus mitigate the e ects of interfering signals. Spatial diversity has been traditionally applied to the signal tracking operation of GNSS receivers. However, initial tracking conditions depend on signal acquisition, and there are a number of scenarios in which the acquisition process can fail as stated before. Surprisingly, to the best of our knowledge, the application of antenna arrays to GNSS signal acquisition has not received much attention. This Thesis pursues a twofold objective: on the one hand, it proposes novel arraybased acquisition algorithms using a well-established statistical detection theory framework, and on the other hand demonstrates both their real-time implementation feasibility and their performance in realistic scenarios. The Dissertation starts with a brief introduction to GNSS receivers fundamentals, providing some details about the navigation signals structure and the receiver's architecture of both GPS and Galileo systems. It follows with an analysis of GNSS signal acquisition as a detection problem, using the Neyman-Pearson (NP) detection theory framework and the single-antenna acquisition signal model. The NP approach is used here to derive both the optimum detector (known as clairvoyant detector ) and the sov called Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) detector, which is the basis of almost all of the current state-of-the-art acquisition algorithms. Going further, a novel detector test statistic intended to jointly acquire a set of GNSS satellites is obtained, thus reducing both the acquisition time and the required computational resources. The eff ects of the front-end bandwidth in the acquisition are also taken into account. Then, the GLRT is extended to the array signal model to obtain an original detector which is able to mitigate temporally uncorrelated interferences even if the array is unstructured and moderately uncalibrated, thus becoming one of the main contributions of this Dissertation. The key statistical feature is the assumption of an arbitrary and unknown covariance noise matrix, which attempts to capture the statistical behavior of the interferences and other non-desirable signals, while exploiting the spatial dimension provided by antenna arrays. Closed form expressions for the detection and false alarm probabilities are provided. Performance and interference rejection capability are modeled and compared both to their theoretical bound. The proposed array-based acquisition algorithm is also compared to conventional acquisition techniques performed after blind null-steering beamformer approaches, such as the power minimization algorithm. Furthermore, the detector is analyzed under realistic conditions, accounting for the presence of errors in the covariance matrix estimation, residual Doppler and delay errors, and signal quantization e ects. Theoretical results are supported by Monte Carlo simulations. As another main contribution of this Dissertation, the second part of the work deals with the design and the implementation of a novel Field Programmable Gate Array (FPGA)-based GNSS real-time antenna-array receiver platform. The platform is intended to be used as a research tool tightly coupled with software de ned GNSS receivers. A complete signal reception chain including the antenna array and the multichannel phase-coherent RF front-end for the GPS L1/ Galileo E1 was designed, implemented and tested. The details of the digital processing section of the platform, such as the array signal statistics extraction modules, are also provided. The design trade-o s and the implementation complexities were carefully analyzed and taken into account. As a proof-of-concept, the problem of GNSS vulnerability to interferences was addressed using the presented platform. The array-based acquisition algorithms introduced in this Dissertation were implemented and tested under realistic conditions. The performance of the algorithms were compared to single antenna acquisition techniques, measured under strong in-band interference scenarios, including narrow/wide band interferers and communication signals. The platform was designed to demonstrate the implementation feasibility of novel array-based acquisition algorithms, leaving the rest of the receiver operations (mainly, tracking, navigation message decoding, code and phase observables, and basic Position, Velocity and Time (PVT) solution) to a Software De ned Radio (SDR) receiver running in a personal computer, processing in real-time the spatially- ltered signal sample stream coming from the platform using a Gigabit Ethernet bus data link. In the last part of this Dissertation, we close the loop by designing and implementing such software receiver. The proposed software receiver targets multi-constellation/multi-frequency architectures, pursuing the goals of e ciency, modularity, interoperability, and exibility demanded by user domains that require non-standard features, such as intermediate signals or data extraction and algorithms interchangeability. In this context, we introduce an open-source, real-time GNSS software de ned receiver (so-named GNSS-SDR) that contributes with several novel features such as the use of software design patterns and shared memory techniques to manage e ciently the data ow between receiver blocks, the use of hardware-accelerated instructions for time-consuming vector operations like carrier wipe-o and code correlation, and the availability to compile and run on multiple software platforms and hardware architectures. At this time of writing (April 2012), the receiver enjoys of a 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error lower than 2 meters for a GPS L1 C/A scenario with 8 satellites in lock and a Horizontal Dilution Of Precision (HDOP) of 1.2.

    Esta tesis aborda el problema de la adquisición de la señal usando arrays de antenas en el marco general de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término GNSS engloba aquellos sistemas de navegación basados en una constelación de satélites que emiten señales útiles para el posicionamiento. Aunque el GPS americano ya está disponible, coexistiendo con el renovado sistema ruso GLONASS, actualmente se está realizando un gran esfuerzo para que la contribución europea (Galileo), junto con el nuevo sistema chino Compass, estén operativos en breve. Por lo tanto, una gran variedad de constelaciones de satélites y señales estarán disponibles en los próximos años. Estos sistemas proporcionan las infraestructuras necesarias para una multitud de aplicaciones y servicios que demandan un servicio de posicionamiento confiable y preciso. La disponibilidad de posicionamiento se debe garantizar en todo momento, especialmente en los servicios críticos para la seguridad de las personas y los bienes. Cuando examinamos las amenazas de la disponibilidad del servicio que ofrecen los GNSSs, es importante tener en cuenta que todos los sistemas presentes y los sistemas futuros ya planificados hacen uso de técnicas de multiplexación por división de código (CDMA). Las señales transmitidas por los satélites son recibidas con una relación señal-ruido (SNR) muy baja, medida antes de la correlación (del orden de -22 dB para un receptor ubicado en la superficie de la tierra). A pesar de que la ganancia de procesado CDMA ofrece una protección inherente contra las interferencias de radiofrecuencia (RFI), esta protección es limitada. Una interferencia con una relación de potencia de interferencia a potencia de la señal que excede la ganancia de procesado puede degradar el rendimiento de los receptores o incluso negar por completo el servicio GNSS. Este riesgo es especialmente importante en receptores convencionales equipados con un nivel mínimo o básico de protección frente las RFIs. Como consecuencia, las RFIs (ya sean intencionadas o no intencionadas), se identifican como la causa más importante de la degradación del rendimiento en GNSS. El problema esta causando una preocupación creciente en los últimos tiempos, ya que cada vez hay más servicios que dependen de los GNSSs Si centramos la atención en el receptor GNSS, es conocido que la adquisición de la señal tiene la menor sensibilidad de todas las operaciones del receptor, y, en consecuencia, se convierte en el factor limitador en la presencia de señales interferentes. Un receptor de una sola antena puede hacer uso de la diversidad en tiempo y frecuencia para mitigar las interferencias, aunque el rendimiento de estas técnicas se ve comprometido en escenarios con baja SNR o en presencia de interferencias de banda ancha. Por otro lado, los receptores basados en múltiples antenas se pueden beneficiar del procesado espacial, y por lo tanto mitigar los efectos de las señales interferentes. La diversidad espacial se ha aplicado tradicionalmente a la operación de tracking de la señal en receptores GNSS. Sin embargo, las condiciones iniciales del tracking dependen del resultado de la adquisición de la señal, y como hemos visto antes, hay un número de situaciones en las que el proceso de adquisición puede fallar. En base a nuestro grado de conocimiento, la aplicación de los arrays de antenas a la adquisición de la señal GNSS no ha recibido mucha atención, sorprendentemente. El objetivo de esta tesis doctoral es doble: por un lado, proponer nuevos algoritmos para la adquisición basados en arrays de antenas, usando como marco la teoría de la detección de señal estadística, y por otro lado, demostrar la viabilidad de su implementación y ejecución en tiempo real, así como su medir su rendimiento en escenarios realistas. La tesis comienza con una breve introducción a los fundamentos de los receptores GNSS, proporcionando algunos detalles sobre la estructura de las señales de navegación y la arquitectura del receptor aplicada a los sistemas GPS y Galileo. Continua con el análisis de la adquisición GNSS como un problema de detección, aplicando la teoría del detector Neyman-Pearson (NP) y el modelo de señal de una única antena. El marco teórico del detector NP se utiliza aquí para derivar tanto el detector óptimo (conocido como detector clarividente) como la denominada Prueba Generalizada de la Razón de Verosimilitud (en inglés, Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)), que forma la base de prácticamente todos los algoritmos de adquisición del estado del arte actual. Yendo más lejos, proponemos un nuevo detector diseñado para adquirir simultáneamente un conjunto de satélites, por lo tanto, obtiene una reducción del tiempo de adquisición y de los recursos computacionales necesarios en el proceso, respecto a las técnicas convencionales. El efecto del ancho de banda del receptor también se ha tenido en cuenta en los análisis. A continuación, el detector GLRT se extiende al modelo de señal de array de antenas para obtener un detector nuevo que es capaz de mitigar interferencias no correladas temporalmente, incluso utilizando arrays no estructurados y moderadamente descalibrados, convirtiéndose así en una de las principales aportaciones de esta tesis. La clave del detector es asumir una matriz de covarianza de ruido arbitraria y desconocida en el modelo de señal, que trata de captar el comportamiento estadístico de las interferencias y otras señales no deseadas, mientras que utiliza la dimensión espacial proporcionada por los arrays de antenas. Se han derivado las expresiones que modelan las probabilidades teóricas de detección y falsa alarma. El rendimiento del detector y su capacidad de rechazo a interferencias se han modelado y comparado con su límite teórico. El algoritmo propuesto también ha sido comparado con técnicas de adquisición convencionales, ejecutadas utilizando la salida de conformadores de haz que utilizan algoritmos de filtrado de interferencias, como el algoritmo de minimización de la potencia. Además, el detector se ha analizado bajo condiciones realistas, representadas con la presencia de errores en la estimación de covarianzas, errores residuales en la estimación del Doppler y el retardo de señal, y los efectos de la cuantificación. Los resultados teóricos se apoyan en simulaciones de Monte Carlo. Como otra contribución principal de esta tesis, la segunda parte del trabajo trata sobre el diseño y la implementación de una nueva plataforma para receptores GNSS en tiempo real basados en array de antenas que utiliza la tecnología de matriz programable de puertas lógicas (en ingles Field Programmable Gate Array (FPGA)). La plataforma está destinada a ser utilizada como una herramienta de investigación estrechamente acoplada con receptores GNSS definidos por software. Se ha diseñado, implementado y verificado la cadena completa de recepción, incluyendo el array de antenas y el front-end multi-canal para las señales GPS L1 y Galileo E1. El documento explica en detalle el procesado de señal que se realiza, como por ejemplo, la implementación del módulo de extracción de estadísticas de la señal. Los compromisos de diseño y las complejidades derivadas han sido cuidadosamente analizadas y tenidas en cuenta. La plataforma ha sido utilizada como prueba de concepto para solucionar el problema presentado de la vulnerabilidad del GNSS a las interferencias. Los algoritmos de adquisición introducidos en esta tesis se han implementado y probado en condiciones realistas. El rendimiento de los algoritmos se comparó con las técnicas de adquisición basadas en una sola antena. Se han realizado pruebas en escenarios que contienen interferencias dentro de la banda GNSS, incluyendo interferencias de banda estrecha y banda ancha y señales de comunicación. La plataforma fue diseñada para demostrar la viabilidad de la implementación de nuevos algoritmos de adquisición basados en array de antenas, dejando el resto de las operaciones del receptor (principalmente, los módulos de tracking, decodificación del mensaje de navegación, los observables de código y fase, y la solución básica de Posición, Velocidad y Tiempo (PVT)) a un receptor basado en el concepto de Radio Definida por Software (SDR), el cual se ejecuta en un ordenador personal. El receptor procesa en tiempo real las muestras de la señal filltradas espacialmente, transmitidas usando el bus de datos Gigabit Ethernet. En la última parte de esta Tesis, cerramos ciclo diseñando e implementando completamente este receptor basado en software. El receptor propuesto está dirigido a las arquitecturas de multi-constalación GNSS y multi-frecuencia, persiguiendo los objetivos de eficiencia, modularidad, interoperabilidad y flexibilidad demandada por los usuarios que requieren características no estándar, tales como la extracción de señales intermedias o de datos y intercambio de algoritmos. En este contexto, se presenta un receptor de código abierto que puede trabajar en tiempo real, llamado GNSS-SDR, que contribuye con varias características nuevas. Entre ellas destacan el uso de patrones de diseño de software y técnicas de memoria compartida para administrar de manera eficiente el uso de datos entre los bloques del receptor, el uso de la aceleración por hardware para las operaciones vectoriales más costosas, como la eliminación de la frecuencia Doppler y la correlación de código, y la disponibilidad para compilar y ejecutar el receptor en múltiples plataformas de software y arquitecturas de hardware. A fecha de la escritura de esta Tesis (abril de 2012), el receptor obtiene un rendimiento basado en la medida de la raíz cuadrada del error cuadrático medio en la distancia bidimensional (en inglés, 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error) menor de 2 metros para un escenario GPS L1 C/A con 8 satélites visibles y una dilución de la precisión horizontal (en inglés, Horizontal Dilution Of Precision (HDOP)) de 1.2.

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    Bayesian filtering for nonlinear state-space models in symmetric alpha-stable measurment noise  Open access

     Vila Valls, Jordi; Fernandez Prades, Carles; Closas, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    European Signal Processing Conference
    Presentation's date: 2011-10-02
    Presentation of work at congresses

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    Bayesian ltering appears in many signal processing problems,reason why it attracted the attention of many researchers to develop efficient algorithms, yet computationally a ordable. In many real systems, it is appropriate to consider α-stable noise distributions to model possible outliers or impulsive behavior in the measurements. In this paper, we consider a nonlinear state-space model with Gaussian process noise and symmetric α-stable measurement noise. To obtain a robust estimation framework we consider that both process and measurement noise statistics are unknown. Using the product property of α-stable distributions we rewrite the measurement noise in a conditionally Gaussian form. Within this framework, we propose an hybrid sigma-point/Monte Carlo approach to solve the Bayesian ltering problem, what leads to a robust method against both outliers and a weak knowledge of the system.

  • Macrocelulas y Femtocelulas en Sistemas con Técnicas Avanzadas de Coordinación de la Interferencia y Cooperación

     Vidal Manzano, Jose; Rodriguez Fonollosa, Javier; Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Pages Zamora, Alba Maria; Agustin de Dios, Adrian; Silva Pereira, Silvana; Garcia Ordoñez, Luis; Vila Valls, Jordi; Muñoz Medina, Olga
    Participation in a competitive project

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  • FEMTOCELL-BASED NETWORK ENHANCEMENT BY INTERFERENCE MANAGEMENT AND COORDINATION OF INFORMATION FOR SEAMLESS CONNECTIVITY

     Muñoz Medina, Olga; Rodriguez Fonollosa, Javier; Agustin de Dios, Adrian; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Vidal Manzano, Jose
    Participation in a competitive project

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  • Access to the full text
    A game theoretical algorithm for joint power and topology control in distributed WSN  Open access

     Closas Gomez, Pau; Pages Zamora, Alba Maria; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing
    Presentation's date: 2009-04-20
    Presentation of work at congresses

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    In this paper, the issue of network topology control in wireless networks using a fully distributed algorithm is considered. Whereas the proposed distributed algorithm is designed applying game theory concepts to design a non-cooperative game, network connectivity is guaranteed based on asymptotic results of network connectivity. Simulations show that for a relatively low node density, the probability that the proposed algorithm leads to a connected network is close to one.

  • Bayesian signal processing techniques for GNSS receivers: from multipath mitigation to positioning  Open access

     Closas Gomez, Pau
    Defense's date: 2009-06-15
    Department of Signal Theory and Communications, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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    Aquesta tesi gira al voltant del disseny de receptors per a sistemes globals de navegació per satèl·lit (Global Navigation Satellite Systems, GNSS). El terme GNSS fa referència a tots aquells sistemes de navegació basats en una constel·lació de satèl·lits que emeten senyals de navegació útils per a posicionament. El més popular és l'americà GPS, emprat globalment. Els esforços d'Europa per a tenir un sistema similar veuran el seu fruit en un futur proper, el sistema s'anomena Galileo. Altres sistemes globals i regionals existeixen dissenyats per al mateix objectiu: calcular la posició dels receptors. Inicialment la tesi presenta l'estat de l'art en GNSS, a nivell de l'estructura dels actuals senyals de navegació i pel que fa a l'arquitectura dels receptors.El disseny d'un receptor per a GNSS consta d'un seguit de blocs funcionals. Començant per l'antena receptora fins al càlcul final de la posició del receptor, el disseny proporciona una gran motivació per a la recerca en diversos àmbits. Tot i que la cadena de Radiofreqüència del receptor també és comentada a la tesis, l'objectiu principal de la recerca realitzada recau en els algorismes de processament de senyal emprats un cop realitzada la digitalització del senyal rebut. En un receptor per a GNSS, aquests algorismes es poden dividir en dues classes: els de sincronisme i els de posicionament. Aquesta classificació correspon als dos grans processos que típicament realitza el receptor. Primer, s'estima la distancia relativa entre el receptor i el conjunt de satèl·lits visibles. Aquestes distancies es calculen estimant el retard patit pel senyal des de que és emès pel corresponent satèl·lit fins que és rebut pel receptor. De l'estimació i seguiment del retard se n'encarrega l'algorisme de sincronisme. Un cop calculades la distancies relatives als satèl·lits, multiplicant per la velocitat de la llum el retards estimats, l'algorisme de posicionament pot operar. El posicionament es realitza típicament pel procés de trilateralització: intersecció del conjunt d'esferes centrades als satèl·lits visibles i de radi les distancies estimades relatives al receptor GNSS. Així doncs, sincronització i posicionament es realitzen de forma seqüencial i ininterrompudament. La tesi fa contribucions a ambdues parts, com explicita el subtítol del document.Per una banda, la tesi investiga l'ús del filtrat Bayesià en el seguiment dels paràmetres de sincronisme (retards, desviaments Doppler i phases de portadora) del senyal rebut. Una de les fonts de degradació de la precisió en receptors GNSS és la presència de repliques del senyal directe, degudes a rebots en obstacles propers. És per això que els algorismes proposats en aquesta part de la tesi tenen com a objectiu la mitigació de l'efecte multicamí. La dissertació realitza una introducció dels fonaments teòrics del filtrat Bayesià, incloent un recull dels algorismes més populars. En particular, el Filtrat de Partícules (Particle Filter, PF) s'estudia com una de les alternatives més interessants actualment per a enfrontar-se a sistemes no-lineals i/o no-Gaussians. Els PF són mètodes basats en el mètode de Monte Carlo que realitzen una caracterització discreta de la funció de probabilitat a posteriori del sistema. Al contrari d'altres mètodes basats en simulacions, els PF tenen resultats de convergència que els fan especialment atractius en casos on la solució òptima no es pot trobar. En aquest sentit es proposa un PF que incorpora un seguit de característiques que el fan assolir millors prestacions i robustesa que altres algorismes, amb un nombre de partícules reduït. Per una banda, es fa un seguiment dels estats lineals del sistema mitjançant un Filtre de Kalman (KF), procediment conegut com a Rao-Blackwellization. Aquest fet provoca que la variància de les partícules decreixi i que un menor nombre d'elles siguin necessàries per a assolir una certa precisió en l'estimació de la distribució a posteriori. D'altra banda, un dels punts crítics en el disseny de PF és el disseny d'una funció d'importància (emprada per a generar les partícules) similar a l'òptima, que resulta ésser el posterior. Aquesta funció òptima no està disponible en general. En aquesta tesi, es proposa una aproximació de la funció d'importància òptima basada en el mètode de Laplace. Paral·lelament es proposen algorismes com l'Extended Kalman Filter (EKF) i l'Unscented Kalman Filter (UKF), comparant-los amb el PF proposat mitjançant simulacions numèriques.Per altra banda, la presentació d'un nou enfocament al problema del posicionament és una de les aportacions originals de la tesi. Si habitualment els receptors operen en dos passos (sincronització i posicionament), la proposta de la tesi rau en l'Estimació Directa de la Posició (Direct Position Estimation, DPE) a partir del senyal digital. Tenint en compte la novetat del mètode, es proporcionen motivacions qualitatives i quantitatives per a l'ús de DPE enfront al mètode convencional de posicionament. Se n'ha estudiat l'estimador de màxima versemblança (Maximum Likelihood, ML) i un algorisme per a la seva implementació pràctica basat en l'algorisme Accelerated Random Search (ARS). Els resultats de les simulacions numèriques mostren la robustesa de DPE a escenaris on el mètode convencional es veu degradat, com per exemple el cas d'escenaris rics en multicamí. Una de les reflexions fruit dels resultats és que l'ús conjunt dels senyals provinents dels satèl·lits visibles proporciona millores en l'estimació de la posició, doncs cada senyal està afectada per un canal de propagació independent. La tesi també presenta l'extensió de DPE dins el marc Bayesià: Bayesian DPE (BDPE). BDPE manté la filosofia de DPE, tot incloent-hi possibles fonts d'informació a priori referents al moviment del receptor. Es comenten algunes de les opcions com l'ús de sistemes de navegació inercials o la inclusió d'informació atmosfèrica. Tot i així, cal tenir en compte que la llista només està limitada per la imaginació i l'aplicació concreta on el marc BDPE s'implementi.Finalment, la tesi els límits teòrics en la precisió dels receptors GNSS. Alguns d'aquests límits teòrics eren ja coneguts, d'altres veuen ara la llum. El límit de Cramér-Rao (Cramér-Rao Bound, CRB) ens prediu la mínima variància que es pot obtenir en estimar un paràmetre mitjançant un estimador no esbiaixat. La tesi recorda el CRB dels paràmetres de sincronisme, resultat ja conegut. Una de les aportacions és la derivació del CRB de l'estimador de la posició pel cas convencional i seguint la metodologia DPE. Aquests resultats proporcionen una comparativa asimptòtica dels dos procediments pel posicionament de receptors GNSS. D'aquesta manera, el CRB de sincronisme pel cas Bayesià (Posterior Cramér-Rao Bound, PCRB) es presenta, com a límit teòric dels filtres Bayesians proposats en la tesi.

    This dissertation deals with the design of satellite-based navigation receivers. The term Global Navigation Satellite Systems (GNSS) refers to those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the american GPS is probably the most popular, the european contribution (Galileo) will be operative soon. Other global and regional systems exist, all with the same objective: aid user's positioning. Initially, the thesis provides the state-of-the-art in GNSS: navigation signals structure and receiver architecture. The design of a GNSS receiver consists of a number of functional blocks. From the antenna to the final position calculation, the design poses challenges in many research areas. Although the Radio Frequency chain of the receiver is commented in the thesis, the main objective of the dissertation is on the signal processing algorithms applied after signal digitation. These algorithms can be divided into two: synchronization and positioning. This classification corresponds to the two main processes typically performed by a GNSS receiver. First, the relative distance between the receiver and the set of visible satellites is estimated. These distances are calculated after estimating the delay suffered by the signal traveling from its emission at the corresponding satellite to its reception at the receiver's antenna. Estimation and tracking of these parameters is performed by the synchronization algorithm. After the relative distances to the satellites are estimated, the positioning algorithm starts its operation. Positioning is typically performed by a process referred to as trilateration: intersection of a set of spheres centered at the visible satellites and with radii the corresponding relative distances. Therefore, synchronization and positioning are processes performed sequentially and in parallel. The thesis contributes to both topics, as expressed by the subtitle of the dissertation.On the one hand, the thesis delves into the use of Bayesian filtering for the tracking of synchronization parameters (time-delays, Doppler-shifts and carrier-phases) of the received signal. One of the main sources of error in high precision GNSS receivers is the presence of multipath replicas apart from the line-of-sight signal (LOSS). Wherefore the algorithms proposed in this part of the thesis aim at mitigating the multipath effect on synchronization estimates. The dissertation provides an introduction to the basics of Bayesian filtering, including a compendium of the most popular algorithms. Particularly, Particle Filters (PF) are studied as one of the promising alternatives to deal with nonlinear/nonGaussian systems. PF are a set of simulation-based algorithms, based on Monte-Carlo methods. PF provide a discrete characterization of the posterior distribution of the system. Conversely to other simulation-based methods, PF are supported by convergence results which make them attractive in cases where the optimal solution cannot be analytically found. In that vein, a PF that incorporates a set of features to enhance its performance and robustness with a reduced number of particles is proposed. First, the linear part of the system is optimally handled by a Kalman Filter (KF), procedure referred to as Rao-Blackwellization. The latter causes a reduction on the variance of the particles and, thus, a reduction on the number of required particles to attain a given accuracy when characterizing the posterior distribution. A second feature is the design of an importance density function (from which particles are generated) close to the optimal, not available in general. The selection of this function is typically a key issue in PF designs. The dissertation proposes an approximation of the optimal importance function using Laplace's method. In parallel, Extended Kalman Filter (EKF) and Unscented Kalman Filter (UKF) algorithms are considered, comparing these algorithms with the proposed PF by computer simulations.On the other hand, a novel point of view in the positioning problem constitutes one of the original contributions of the thesis. Whereas conventional receivers operate in a two-steps procedure (synchronization and positioning), the proposal of the thesis is a Direct Position Estimation (DPE) from the digitized signal. Considering the novelty of the approach, the dissertation provides both qualitative and quantitative motivations for the use of DPE instead of the conventional two-steps approach. DPE is studied following the Maximum Likelihood (ML) principle and an algorithm based on the Accelerated Random Search (ARS) is considered for a practical implementation of the derived estimator. Computer simulation results carried show the robustness of DPE in scenarios where the conventional approach fails, for instance in multipath-rich scenarios. One of the conclusions of the thesis is that joint processing of satellite's signals provides enhance positioning performances, due to the independent propagation channels between satellite links. The dissertation also presents the extension of DPE to the Bayesian framework: Bayesian DPE (BDPE). BDPE maintains DPE's philosophy, including the possibility of accounting for sources of side/prior information. Some examples are given, such as the use of Inertial Measurement Systems and atmospheric models. Nevertheless, we have to keep in mind that the list is only limited by imagination and the particular applications were BDPE is implemented. Finally, the dissertation studied the theoretical lower bounds of accuracy of GNSS receivers. Some of those limits were already known, others see the light as a result of the research reported in the dissertation. The Cramér-Rao Bound (CRB) is the theoretical lower bound of accuracy of any unbiased estimator of a parameter. The dissertation recalls the CRB of synchronization parameters, result already known. A novel contribution ofthe thesis is the derivation of the CRB of the position estimator for either conventional and DPE approaches. These results provide an asymptotical comparison of both GNSS positioning approaches. Similarly, the CRB of synchronization parameters for the Bayesian case (Posterior Cramér-Rao Bound, PCRB) is given, used as a fundamental limit of the Bayesian filters proposed in the thesis.

  • PROCESSAMENT DEL SENYAL EN COMUNICACIONS

     Rey Micolau, Francesc; Villares Piera, N. Javier; Vazquez Grau, Gregorio; Riba Sagarra, Jaume; Vidal Manzano, Jose; Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Garcia Ordoñez, Luis; Rodriguez Fonollosa, Javier; Ramirez Javega, Francisco; Muñoz Medina, Olga; Matas Navarro, David; Font Segura, Josep; Silva Pereira, Silvana; Agustin de Dios, Adrian; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Lamarca Orozco, M. Meritxell; Pages Zamora, Alba Maria; Sala Alvarez, Jose
    Participation in a competitive project

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  • CramÉr¿Rao Bound Analysis of Positioning Approaches in GNSS Receivers

     Closas, P; Fernandez-Prades, C; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    IEEE transactions on signal processing
    Date of publication: 2009-10
    Journal article

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  • Foundations and Methodologies for Future Communication and Sensor Networks (COMONSENS)

     Pages Zamora, Alba Maria; Rodriguez Fonollosa, Javier; Muñoz Medina, Olga; Vidal Manzano, Jose; Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Rey Micolau, Francesc; Villares Piera, N. Javier; Vazquez Grau, Gregorio; Lamarca Orozco, M. Meritxell; Sala Alvarez, Jose; Riba Sagarra, Jaume
    Participation in a competitive project

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  • Coupling noise effect in self¿synchronizing wireless sensor networks

     Closas Gomez, Pau; Calvo Page, Eduardo; Fernández¿Rubio, Juan A; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Pages Zamora, Alba Maria
    8th IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications
    Presentation of work at congresses

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  • METODOS SUB-BANDA PARA CONFORMACIÓN DE HAZ CON SEÑALES ACÚSTICAS.

     SATUE VILLAR, ANTONIO
    Defense's date: 2007-06-15
    Department of Signal Theory and Communications, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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  • D4.2. Report on the analysis of modulation techniques and radio technologies

     MENGONI, F; CALABRO, F; BARTOLI, F; PIERROT, J; DANIELE, N; HASLER, M; AJDARI, A RAD; Pages Zamora, Alba Maria; Closas Gomez, Pau; ESTELLERS, Virginia; Silva Pereira, Silvana; Fernandez Rubio, Juan-antonio; BARBAROSSA, S et al
    Date: 2007-08
    Report

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  • D3.1. Intermediate report on algorithms development

     Barbarossa, S; Scutari, G; Pescosolido, L; Sardellitti, S; Battisti, T; Pages Zamora, Alba Maria; Closas Gomez, Pau; Silva Pereira, Silvana; Maribel, Madueño; Vidal Manzano, Jose; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Date: 2007-03
    Report

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  • Maximum likelihood estimation of position in GNSS

     Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Fernandez Prades, Carlos; Fernandez-Prades, C
    IEEE signal processing letters
    Date of publication: 2007-05
    Journal article

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  • Sequential Monte-Carlo approximation to the ML Time-delay Estimator in a Multipath Channel

     Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    IEEE Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications
    Presentation of work at congresses

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  • Optimizing the Likelihood with Sequential Monte-Carlo methods

     Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio
    Presentation of work at congresses

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  • On the Maximum Likelihood Estimation of Position

     Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Ramirez Bellido, Alejandro
    The Institute of Navigation International Technical Meeting
    Presentation of work at congresses

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  • Advanced signal processing techniques for global navigation satellite systems receivers

     Fernandez Prades, Carlos
    Defense's date: 2006-04-27
    Department of Signal Theory and Communications, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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  • On the Maximum Likelihood Estimation of Position

     Fernandez Rubio, Juan-antonio
    The Institute of Navigation International Technical Meeting
    Presentation's date: 2006-09-26
    Presentation of work at congresses

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  • Multipath Mitigation using Particle Filtering

     Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Ramirez Bellido, Alejandro
    The Institute of Navigation International Technical Meeting
    Presentation of work at congresses

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  • TEC2006-06481 LÍMITES FUNDAMENTALES DE LA TEORÍA DE LA INFORMACIÓN DE REDES

     Rodriguez Fonollosa, Javier; Pages Zamora, Alba Maria; Muñoz Medina, Olga; Vidal Manzano, Jose; Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Participation in a competitive project

     Share

  • Wireless Sensor Networks with Self-Organization Capabilities for Critical and Emergency Applications (WINSOC)

     Pages Zamora, Alba Maria; Closas Gomez, Pau; Vidal Manzano, Jose; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Participation in a competitive project

     Share

  • Particle Filtering applied to Robust Multivariate Likelihood Optimization in the absence of a closed-form solution

     Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Nonlinear Statistical Signal Processing Workshop
    Presentation of work at congresses

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  • Bayesian DLL for Multipath Mitigation in Navigation Systems using Particle Filters

     Clos Costa, Daniel; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing
    Presentation of work at congresses

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  • LaViCAD: UN PUENTE ENTRE LA INSTRUMENTACIÓN Y EL ESTUDIO DE TEORÍA MATEMÁTICA DE COMUNICACIONES ANALÓGICAS Y DIGITALES

     Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Berzosa, Carlos Vargas; Francisco, Vargas Berzosa
    Congreso de Tecnologías Aplicadas a la Enseñanza de la Electrónica
    Presentation of work at congresses

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  • Nuevas estrategias para las telecomunicaciones a bordo de los buques

     MIRAVALLES ORTEGA, GERARDO
    Defense's date: 2005-12-21
    Department of Nautical Sciences and Engineering, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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  • New Trends In Global Navigation Systems: Implementation of a GPS Antenna Array Receiver

     Fernandez Prades, Carlos; Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    The Eighth International Symposium on Signal Processing and its Applications
    Presentation of work at congresses

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  • Comunicaciones ii, ejercicios resueltos

     Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Rodriguez Fonollosa, Javier; Fonollosa, J; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Riba Sagarra, Jaume
    Date of publication: 2005-09-30
    Book

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  • A new approach to multichannel audio signal acquisition and subband processing

     Satué-Villar, Antonio; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    European Signal Processing Conference
    Presentation of work at congresses

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  • Advanced Signal Processing Techniques in Local User Terminals for Search and Rescue Systems Based on MEO Satellites

     Fernandez Prades, Carlos; Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    ION-GNSS 2005
    Presentation of work at congresses

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  • COMalaWEB Plataforma basada en noves tecnologies aplicades a la docéncia

     Fernandez Rubio, Juan-antonio; Ramirez Bellido, Alejandro; Cabrera Bean, Margarita Asuncion
    Jornada d'Innovació Docent UPC
    Presentation of work at congresses

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  • Environment Simulator for Audio Signals

     Satué-Villar, Antonio; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    European Signal Processing Conference
    Presentation of work at congresses

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  • Time-Frequency Estimation in the COSPAS/SARSAT System Using Antenna Arrays: Variance Bounds and Algorithms

     Fernandez Rubio, Juan-antonio; Closas Gomez, Pau
    European Signal Processing Conference
    Presentation of work at congresses

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  • ML estimator and hybrid beamformer for multipath and interference mitigation in GNSS receivers

     Seco Granados, Gonzalo; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Fernandez Prades, Carlos
    IEEE transactions on signal processing
    Date of publication: 2005-05
    Journal article

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  • Multi-Frequency GPS/Galileo Receiver Design using Direct RF Sampling and Antenna Arrays

     Fernandez Prades, Carlos; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Third IEEE Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop
    Presentation of work at congresses

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  • TEC2004-04526 TRANSMISION COOPERATIVA PARA SISTEMAS DE COMUNICACION INALAMBRICOS DE BANDA ANCHA

     Vidal Manzano, Jose; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Sala Alvarez, Jose; Riba Sagarra, Jaume; Muñoz Medina, Olga; Villares Piera, N. Javier; madueño ruiz, maria isabel; Agustin de Dios, Adrian; Garcia Ordoñez, Luis; Huerta Guillén, Jose Manuel
    Participation in a competitive project

     Share

  • Design of Local User Terminals for Search and Rescue Systems with MEO Satellites

     Fernandez Prades, Carlos; Closas Gomez, Pau; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Seco Granados, Gonzalo; Stojkovic, Igor
    ESA Workshop on Satellite Navigation Technologies
    Presentation of work at congresses

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  • Robust Space-Time Beamforming in GNSS by means of Second-Order Cone Programming

     Fernandez Prades, Carlos; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing
    Presentation of work at congresses

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  • LaViCAD: LABORATORIO VIRTUAL DE COMUNICACIONES ANALÓGICAS Y DIGITALES

     Cabrera Bean, Margarita Asuncion; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Berzosa, Carlos Vargas; Francisco, Vargas Berzosa; Gasull Llampallas, Antoni
    Congrés Internacional de Docència Universitària i Innovació
    Presentation of work at congresses

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  • Antenna Array Receiver for GNSS

     Fernandez Rubio, Juan-antonio; Ramirez González, Alejandro; Closas Gomez, Pau
    8th European Symposium on Global Navigation Satellite System
    Presentation of work at congresses

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  • COMalaWEB: DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DOCENTES MEDIANTE TECNOLOGÍAS WEB

     Fernandez Rubio, Juan-antonio; Cabrera Bean, Margarita Asuncion
    Congrés Internacional de Docència Universitària i Innovació
    Presentation of work at congresses

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  • A Maximum Likelihood Approach to GNSS Synchronization Using Antenna Arrays

     Fernandez Prades, Carlos; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Gonzalo, Seco
    Satellite Division Technical Meeting, ION GPS/GNSS
    Presentation of work at congresses

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  • Plataforma basada en Noves Tecnologies Aplicades a la Docència

     Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Participation in a competitive project

     Share

  • A Maximum Likelihood Approach to GNSS Synchronization Using Antenna Arrays

     Fernandez Prades, Carlos; Fernandez Rubio, Juan-antonio
    The Institute of Navigation International Technical Meeting
    Presentation of work at congresses

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  • Propagation experiments in the near-infrared along a 150 km path and from stars in the Canarian archipelago

     Comeron Tejero, Adolfo; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Belmonte Molina, Aniceto; García, E; Prud'Homme, T; Sodnik, Z; Connor, C
    Eighth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics
    Presentation of work at congresses

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  • Code-Timing Synchronization in DS-CDMA Systems Using Space-Time Diversity

     Seco Granados, Gonzalo; Fernandez Rubio, Juan-antonio; Swinlehurst, A Lee
    IEEE signal processing letters
    Date of publication: 2001-08
    Journal article

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  • Single-User Timing Estimation in DS-CDMA Mobile Communication systems Using a Receiving Antenna Array

     Fernandez Rubio, Juan-antonio
    Moroccan Journal of Control Computer Science and Signal Processing
    Presentation's date: 2000-04-17
    Presentation of work at congresses

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