Evaluation of Zadoff-Chu, Kasami and Chirp based encoding schemes for acoustic local positioning systems

Abstract

La tarea de determinar las coordenadas físicas de un objetivo en entornos interiores sigue siendo un factor clave para muchas aplicaciones, como la navegación de personas y robots, el seguimiento de usuarios, la publicidad basada en la localización, la realidad aumentada, los juegos, la respuesta a emergencias o los entornos de vida asistida. Entre las distintas posibilidades de posicionamiento en interiores, los sistemas acústicos de posicionamiento local (ALPS) ofrecen la posibilidad de lograr una precisión de posicionamiento centimétrica con distancias de cobertura de hasta decenas de metros. Además, los transductores acústicos son pequeños, de bajo coste y fiables gracias a la propagación restringida al espacio de estas ondas mecánicas. El diseño de la forma de onda (codificación y modulación) suele incorporarse a estos sistemas para facilitar la detección de las señales transmitidas en el receptor. Las propiedades de correlación aperiódica de las señales emitidas tienen un gran impacto en la forma en que los ALPS hacen frente a factores de deterioro comunes como la propagación multitrayecto, las interferencias de acceso múltiple, el desplazamiento Doppler, el efecto cercano-lejano o el ruido ambiental. Este trabajo analiza tres de las familias de códigos más prometedoras encontradas en la literatura para ALPS: códigos Kasami, Zadoff-Chu y señales Chirp Ortogonales. Las prestaciones de estos códigos se evalúan en términos de precisión en el tiempo de llegada y se caracterizan mediante simulación de modelos en condiciones realistas y mediante pruebas experimentales en entornos controlados. Los resultados derivados de este estudio pueden ser de interés para otras aplicaciones basadas en secuencias de propagación, como sistemas acústicos submarinos, imágenes ultrasónicas o incluso sistemas de comunicaciones de Acceso Múltiple por División de Código.

The task of determining the physical coordinates of a target in indoor environments is still a key factor for many applications including people and robot navigation, user tracking, location-based advertising, augmented reality, gaming, emergency response or ambient assisted living environments. Among the different possibilities for indoor positioning, Acoustic Local Positioning Systems (ALPS) have the potential for centimeter level positioning accuracy with coverage distances up to tens of meters. In addition, acoustic transducers are small, low cost and reliable thanks to the room constrained propagation of these mechanical waves. Waveform design (coding and modulation) is usually incorporated into these systems to facilitate the detection of the transmitted signals at the receiver. The aperiodic correlation properties of the emitted signals have a large impact on how the ALPS cope with common impairment factors such as multipath propagation, multiple access interference, Doppler shifting, near-far effect or ambient noise. This work analyzes three of the most promising families of codes found in the literature for ALPS: Kasami codes, Zadoff-Chu and Orthogonal Chirp signals. The performance of these codes is evaluated in terms of time of arrival accuracy and characterized by means of model simulation under realistic conditions and by means of experimental tests in controlled environments. The results derived from this study can be of interest for other applications based on spreading sequences, such as underwater acoustic systems, ultrasonic imaging or even Code Division Multiple Access (CDMA) communications systems.