Bayesian range estimate from two-directional phase measurements

Abstract

Teknologien utvider seg stadig, og i dag kan man finne elektronikk og programvare i mange ulike gjenstander. Å kunne bestemme posisjonen til en gjenstand er i mange sammenhenger ønskelig. Det finnes flere gode posisjonsløsninger for utendørs bruk, men de blir ofte begrenset av omgivelsene inne i bygninger. Bluetooth Low Energy (BLE) er en utbredt radioteknologi som finnes i mange elektroniske enheter. Det å ta i bruk teknologi som allerede er tilgjengelig for å finne avstanden mellom gjenstander vil være veldig praktisk.

Denne masteroppgaven utleder et Bayesiansk avstandsestimat for toveis fasemålinger. Toveis måling vil i denne oppgaven bety at et signal med en gitt frekvens blir sendt frem og tilbake mellom to enheter, hvor fasen og amplituden til signalet blir målt ved begge. Dette blir gjort ved flere frekvenserkanaler. Avstandsestimatet som blir funnet, bruker signal-til-støy-forholdet (SNR) og fasemålinger ved begge enhetene for alle frekvenskanalene. Frekvensmålingene i denne oppgaven baserer seg på radio signalering for BLE.

Det blir vist at på simulerte signaler, vil det utledete avstandsestimatet gi nøyaktige resultater. Nøyaktigheten er avhengig av signal-til-støy-forholdet. Et simulert signal med en SNR på 3 dB resulterte i et standardavvik på 6.2 cm på et avstandsestimat på 10.0 meter, mens for et simulert signal med en SNR på 12 dB var det ikke noe avvik.

Technology is constantly expanding, and today you can find electronics and software in more and more everyday objects. Being able to determine the position of an object is desirable in many contexts. There are many good positioning solutions for outdoor use, but they are often limited by the environment when entering buildings. Bluetooth Low Energy (BLE) is a radio technology that can be found in many electronic devices. Using already available technology to find an accurate distance between objects will be very convenient.

This master's thesis derives a Bayesian distance estimate for two-directional phase measurements. Here, a two-directional measurement means that a frequency signal is sent both back and forth between two devices, where the phase and amplitude of the signal are measured at both of them. This will be done at multiple frequency channels. The range estimate uses the Signal-to-Noise Ratio (SNR) and phase measurements of both devices for all frequency channels used.The frequency measurements in this thesis are based on BLE radio signals.

In this thesis, it is shown that on simulated signals, the derived distance estimate gives accurate results. The signal-to-noise ratio affects the accuracy. A simulated signal with an SNR of 3 dB resulted in a standard deviation of 6.2 cm on a range estimate of 10.0 meters, while when using a simulated signal with an SNR of 12 dB, there was no deviation.