【資料名稱】：EVALUATION OF TDOA TECHNIQUES FOR POSITI

【資料作者】：Muhammad Aatique

【資料日期】：2000

【資料語(yǔ)言】：英文

【資料格式】：PDF

【資料目錄和簡(jiǎn)介】：

Abstract
The Federal Communications Commission (FCC) has adopted regulations requiring wireless communication service providers to provide position location (PL) information for a user requesting E-911 service. The Time Di erence of Arrival (TDOA) technique is one of the most promising position location techniques for cellular-type wireless communication systems. The IS-95 Code Division Multiple Access (CDMA) system is a popular choice for the companies deploying new cellular and PCS systems in North America. Hence, the feasibility of TDOA techniques in CDMA systems is an important issue for position location in the wireless systems of the future. This thesis analyzes the performance of TDOA techniques in the CDMA systems. A comparison and assessment of di erent algorithms for nding the time di erence estimates and for solving the hyperbolic equations generated by those estimates has been made. This research also considers a measure of accuracy for TDOA position location method which is shown to be more suitable for CDMA systems and more closely matches to the FCC requirements. Among the other contributions is a proposed method to perform cross-correlations to identify only the desired user's TDOA in a multiuser environment. This thesis also evaluates the feasibility and accuracy of TDOA techniques under varying system conditions that might be encountered in real situations. This includes varying conditions of Additive White Gaussian Noise (AWGN), Multiple Access Interference (MAI), power control and loading. The e ect of the mobile position and of dierent arrangement of base stations on TDOA accuracy is also studied. Performance comparison in AWGN and Rayleigh fading channels is made. The feasibility of using increased power levels for the 911 user in combination with interference cancellation is also studied. The e ect of using a single stage of parallel interference cancellation at neighboring cell sites has also been explored. Non-ideal situations such as imperfect power control in CDMA operation has also been investigated in the context of position location. This thesis also suggests a method to correct TDOA estimation errors in CDMA. It is shown that this improvement can give greatly improved performance even under worst-case situations. Performance comparison of results with and without that modi cation has also been made under various conditions.

Contents
Acknowledgment iv
1 Introduction 1
1.1 Motivations for Position Location Solutions : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
1.1.1 FCC Regulations for Wireless E-911 : : : : : : : : : : : : : : : : : : 2
1.1.2 Position Location as an Attractive User Option : : : : : : : : : : : : 4
1.1.3 Advantages in System Design and Optimization : : : : : : : : : : : 4
1.2 Di erent Ways of Incorporating Position Location : : : : : : : : : : : : : : 5
1.2.1 Modi ed Handset Techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 5
1.2.2 Unmodi ed Handset Techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 7
1.2.3 Hybrid Techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 11
1.3 Research Outline : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
1.3.1 Purpose of Research : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
1.3.2 Thesis Outline : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 12
2 Time Di erence of Arrival (TDOA) Position Location Technique 13
2.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 13
2.2 Comparison of TDOA Techniques with other Techniques : : : : : : : : : : : 14
2.2.1 TDOA Technique Versus Modi ed Handset Techniques : : : : : : : 14
2.2.2 TDOA Technique Versus Other Unmodi ed Handset Techniques : : 14
2.3 TDOA Position Location Method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
2.3.1 TDOA Estimation Techniques : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 15
2.3.2 Hyperbolic Equation Solving Algorithms : : : : : : : : : : : : : : : : 23
2.4 TDOA Techniques in CDMA Systems : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 31
2.4.1 Advantages in CDMA : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
2.4.2 Disadvantages in CDMA : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 32
2.5 Measures of Position Location Accuracy : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33
v
2.5.1 Comparison of MSE with CRLB : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 33
2.5.2 Circular Error Probability : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
2.5.3 Geometric Dilution of Precision : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 34
2.5.4 The New Proposed Measure of Accuracy : : : : : : : : : : : : : : : : 35
2.6 Chapter Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 38
3 Simulation Models 39
3.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 39
3.2 General Structure of the Simulations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 41
3.3 Reverse Link System Model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43
3.3.1 Spreading Codes : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
3.3.2 Power Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
3.3.3 Rake Receiver : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44
3.4 Selection of Mobile Positions : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 46
3.5 Channel Modeling : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 48
3.5.1 Path Loss Model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 48
3.5.2 Generating AWGN : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 48
3.5.3 Frequency Selective Fading Model : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 49
3.6 Interference Cancellation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 51
3.7 Position Location Method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
3.7.1 Cross Correlation Method : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 53
3.7.2 Algorithm for Solving Hyperbolic Equations : : : : : : : : : : : : : : 55
3.7.3 Measure of Position Location Accuracy : : : : : : : : : : : : : : : : 56
3.8 Chapter Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 56
4 General Results 57
4.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 57
4.2 E ect of AWGN : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 58
4.3 Length of the Signal Snap Shot : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 60
4.4 E ect of the Sampling rate on TDOA Accuracy : : : : : : : : : : : : : : : : 64
4.5 Distance from the Base Station : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 68
4.6 Non-Ideal Arrangement of Base Stations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 71
4.7 Performance in Rayleigh Fading Channels : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 75
4.8 Chapter Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 77
vi
5 Performance in Non-Ideal Multiuser Environments 78
5.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 78
5.2 E ects of Imperfect Power Control : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 79
5.3 Performance at Di erent Loading Levels : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 81
5.4 Using High Power Level for the 911 User : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 83
5.5 Bit Error Rate with the Cancellation of the High Power 911 User : : : : : : 86
5.6 Interference Cancellation at other Base Stations : : : : : : : : : : : : : : : : 88
5.7 Chapter Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 91
6 The Improved TDOA Estimation 92
6.1 Introduction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 92
6.2 Proposed Improvement in TDOA Estimation : : : : : : : : : : : : : : : : : 93
6.3 Results with Improved TDOA Estimation : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 95
6.3.1 Performance against Increasing AWGN : : : : : : : : : : : : : : : : 95
6.3.2 Accuracy versus the Length of Snap Shot : : : : : : : : : : : : : : : 95
6.3.3 Distance from the Home Cell Site : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 98
6.3.4 E ects of Non-Ideal Base Stations : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 98
6.3.5 Performance in Rayleigh Fading Channels : : : : : : : : : : : : : : : 101
6.4 Conclusions and Chapter Summary : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 101
7 Conclusions 103
7.1 Methods and Algorithms for TDOA Position Location : : : : : : : : : : : : 103
7.2 Important Factors for the Performance of TDOA Position Location in CDMA104
7.3 Issues E ecting the Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 104
7.4 Solutions Proposed for Improved Performance : : : : : : : : : : : : : : : : : 105
7.5 Contributions of this Research : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 107
7.6 Future Research : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 107
Bibliography