Simulaatioiden ja antenniryhmien suunnitteluun käytettävien työkalujen kehitys Bluetooth-paikannusjärjestelmille

In this thesis work, we studied the Angle-of-Arrival and Angle-of-Departure methods as radio direction-finding and indoor positioning techniques using multi-antenna arrays for signal transmission and reception. The methods were studied theoretically from a mathematical standpoint and using 3D MATLAB and Python simulations and experimentally through measurements with multiple-antenna arrays. The simulations for this thesis were created for studying the effect of various antenna configurations and the use of different direction-finding algorithms on the performance of the direction estimates. The simulations were run in different environments with varying noise spaces, changing transmitter and receiver positions and with simulated multipath propagation resulting from first-order reflections in indoor environments. The different algorithms studied in this work were MUSIC, SS MUSIC, ESPRIT, MVDR and MLM. The studied antenna configuration in the simulations was ULA. The theoretical study on the antenna configurations found that in order to reach a full azimuthal and elevational coverage on one device, antennas need to be placed in such manner that phase differences are covered in three mutually orthogonal directions. It was found from the simulations that MLM and MVDR were the best-performing algorithms in noisy environments when the noise consisted of white noise. SS MUSIC was found to have promise for distinguishing signals in multipath environments, but better methods for detecting the signal-of-interest are required. Of the studied algorithms, ESPRIT, MLM and MVDR performed the best in multipath environments. It was also found that introducing more antennas into the array improves the estimates in both noisy and multipath environments, and that the optimal ULA inter-element spacing is between lambda/4 and lambda/2 when the antennas are considered ideal.Tässä työssä tutkimme Angle-of-Arrival ja Angle-of-Departure -tekniikoita radio-suunnanmäärityksen ja sisäpaikannuksen yhteydessä, käyttäen useamman antennin konfiguraatioita signaalien lähetyksessä ja vastaanotossa. Tekniikoita tutkittiin teoreettisesti matemaattiselta näkökannalta ja simulaatioiden kautta, sekä kokeellisin mittauksin käyttäen useamman antennin ryhmiä. Tätä työtä varten luotiin simulaatioita tutkimaan erilaisten antennikonfiguraatioiden ja algoritmien vaikutuksia suunnanmäärityksen suorituskykyyn. Simulaatioita ajettiin erilaisissa ympäristöissä vaihtelevin häiriöin, vaihtelevin lähettäjien ja vastaanottajien sijainnein sekä lisäten vastaanotettuihin signaaleihin monitie-etenemisen kautta syntyneitä interferenssisignaaleita. Tässä työssä tutkitut algoritmit olivat MUSIC, SS MUSIC, ESPRIT, MVDR sekä MLM. Simulaatioissa tutkittu antennikonfiguraatio oli ULA (Uniform Linear Array). Teoreettinen tarkastelu antennikonfiguraatioista osoitti, että pystyäkseen tunnistamaan signaaleiden suuntia täydeltä kierrokselta sekä atsimutaalisesti että pystysuunnassa, antennikonfiguraation tulee tunnistaa vaihe-eroja kolmessa keskenään ortogonaalisessa suunnassa. Simulaatiot osoittivat, että MLM ja MVDR olivat parhaiten suoriutuneet algoritmit kohinaisissa ympäristöissä, kun kohina koostui valkoisesta kohinasta. SS MUSIC oli lupaava algoritmi signaalien tunnistuksessa monitie-etenemisen sallivissa ympäristöissä, mutta toimivampia menetelmiä oikean signaalin tunnistamiseen vaaditaan. Tutkituista algoritmeista ESPRIT, MLM ja MVDR suoriutuivat parhaiten monitie-etenemisen sallivissa ympäristöissä. Simulaatiot osoittivat myös, että antennien määrän lisääminen parantaa suunta-estimaatteja sekä kohinaisissa että monitie-etenemisen sallivissa ympäristöissä, ja että optimaalinen ULAn antennien välinen etäisyys on lambda/4:n ja lambda/2:n välillä, kun antennit ovat ideaaliset