Array processing techniques for direction of arrival estimation, communications, and localization in vehicular and wireless sensor networks

Abstract

Técnicas de processamentos de sinais para comunicações sem fio tem sido um tópico de interesse para pesquisas há mais de três décadas. De acordo com o padrão Release 9 desenvolvido pelo consorcio 3rd Generation Partnership Project (3GPP) sistemas utilizando múltiplas antenas foram adotados na quarta geração (4G) dos sistemas de comunicação sem fio, também conhecida em inglês como Long Term Evolution (LTE). Para a quinta geração (5G) dos sistemas de comunicação sem fio centenas de antenas devem ser incorporadas aos equipamentos, na arquitetura conhecida em inglês como massive multi-user Multiple Input Multiple Output (MIMO). A presença de múltiplas antenas provê benefícios como o ganho do arranjo, ganho de diversidade, ganho espacial e redução de interferência. Além disso, arranjos de antenas possibilitam a filtragem espacial e a estimação de parâmetros, ambos podem ser usados para se resolver problemas que antes não eram vistos pelo prisma de processamento de sinais. O objetivo dessa tese é superar a lacuna entre a teoria de processamento de sinais e as aplicações da mesma em problemas reais. Tradicionalmente, técnicas de processamento de sinais assumem a existência de um arranjo de antenas ideal. Portanto, para que tais técnicas sejam exploradas em aplicações reais, um conjunto robusto de métodos para interpolação do arranjo é fundamental. Estes métodos são desenvolvidos nesta tese. Além disso problemas no campo de redes de sensores e redes veiculares são tratados nesta tese utilizando-se uma perspectiva de processamento de sinais. Nessa tesa métodos inovadores de interpolação de arranjos são apresentados e sua performance é testada utilizando-se cenários reais. Conceitos de processamento de sinais são implementados no contexto de redes de sensores. Esses conceitos possibilitam um nível de sincronização suficiente para a aplicação de sistemas de múltiplas antenas distribuídos, o que resulta em uma rede com maior vida útil e melhor performance. Métodos de processamento de sinais em arranjos são propostos para resolver o problema de localização baseada em sinais de rádio em redes veiculares, com aplicações em segurança de estradas e proteção de pedestres. Esta tese foi escrita em língua inglesa, um sumário em língua portuguesa é apresentado ao final da mesma.