Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Synchronized MAC layer for ultra-wideband wireless sensor network: Design, implementation, analysis, and evaluation
KTH, School of Information and Communication Technology (ICT), Communication Systems, CoS. (Radio Systems/CCS)
2013 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The necessity of interconnecting objects more and more, possibly with high mobility, has pushed the telecommunications industry to recently develop new wireless standards in order to guarantee tracking of devices and to provide integration with well-known worldwide networks such as the Internet. Within these standards the role played by power consumption is implicit, hence power consumption needs to be as low as possible in order to fulfill long-life requirements and to offer the opportunity of locating and moving smart objects in the coverage area while relying only on batteries as the device's power source.  Considering the importance of identifying and tracking these smart objects with high accuracy and high precision, this document propose an implementation of an IEEE 802.15.4a MAC layer, exploiting ultra-wideband wireless technology, with a time synchronization algorithm included for precise Time Difference of Arrival indoor positioning.

Nevertheless, this thesis demonstrates the advantages of using UWB for indoor wireless communication, due to its accuracy in localization and its robustness against interference.

A demonstration network has been analyzed consisting of four main base stations optimistically displaced at the corners of a room gathering timestamps from a central tag moving within the space where the UWB signal is within range. These timestamps are collected in one of the base station which plays the role of the coordinator and sends this information to a server which computes the position of the tag using TDOA formulation.

The main focus of this work is the synchronization algorithms used to synchronize the four base stations and secondly to synchronize the coordinator with the tag. Particular interest is placed on the protocol, the kind of messages exchanged, and the procedure used to maintain a good level of synchronization and to avoid unwanted clock drifts.

Moreover the thesis gives some hints of potential future improvements and proposes a possible solution for large-scale scenarios involving the installation of additional base stations for higher coverage and integration of a larger number of tags, with a focus on synchronization, collision avoidance, and routing procedures to better Fit the situation of a larger network and more tags.  As a result, all the assumptions and the methodologies applied give evidence of how difficult it is to meet contemporary requirements for position accuracy, low power consumption, limited memory, and small message exchange when utilizing low-power and lossy networks and to address problems which need to be further studied in the future. The results of this thesis project offer a good proof of the possibility to reach high accuracy in terms of localization when exploiting UWB radio technology and redundant time synchronization algorithms with the help of TDOA measurements.

Abstract [sv]

Nödvändigheten av sammankopplade objekt mer och mer, eventuellt med hög rörlighet, har drivit telekombranschen till nyligen utveckla nya tråadlösa standarder för att garantera spåarning av enheter och att ge integration med välkända världsomspännande nätverk som Internet. Inom dessa standarder roll strömförbrukningen är implicit, måaste därför strömförbrukningen ska vara såa låag som möjligt för att uppfylla låang livslängd krav och erbjuda möjligheten att lokalisera och flytta smarta objekt i täckningsområadet medan enbart med hjälp av batterier som enhetens strömkälla. Med tanke påa vikten av att identiera och spåara dessa smarta objekt med hög noggrannhet och hög precision, detta dokument föreslåa ett genomförande av en IEEE 802.15.4a MAC-lager, utnyttja ultrabredbandsteknik tråadlös teknik, med en tidssynkronisering algoritm ingåar för exakt tidsskillnaden för ankomst inomhus positionering.

Ändåa visar denna avhandling fördelarna med att använda UWB för inomhus tråadlös kommunikation, påa grund av dess noggrannhet i lokalisering och robusthet mot störningar.

En demonstration nätverk har analyserats beståar av fyra huvudsakliga basstationer optimistiskt förskjutna i hörnen av ett rum samla tidsstämplar fråan en central tagg flyttar inom utrymme där UWB signalen är inom räckhåall.  Dessa tidsangivelser samlas i en av basstationen som spelar rollen av samordnare och skickar denna information till en server som beräknar position taggen med TDOA formulering.

Tyngdpunkten i detta arbete är att synkronisering algoritmer som används för att synkronisera de fyra basstationer dels att synkronisera samordnaren med taggen. Särskilt intresse läggs vid protokollet, den typ av utbytta meddelanden och det förfarande som används för att upprätthåalla en god nivåa av synkronisering och för att undvika oönskade klocka drivor.

Dessutom avhandlingen ger nåagra tips om potentiella framtida förbättringar och föreslåar en möjlig lösning för storskaliga scenarier som innebär installation av ytterligare basstationer för högre täckning och integration av ett större antal taggar, med fokus påa synkronisering, att undvika kollision och routing förfaranden för att bättre passa situationen i ett större nätverk och fler taggar.  Som ett resultat, som tillämpas alla antaganden och metoder vittnar om hur svåart det är att uppfylla dagens krav påa positionsnoggrannhet, låag strömförbrukning, begränsat minne, och småa utbyte av meddelanden vid användning med låag effekt och förstörande nätverk och att ta itu med problem som måaste studeras vidare i framtiden. Resultaten fråan denna avhandling projekt erbjuder en bra bevis påa möjligheten att nåa hög noggrannhet vad gäller lokalisering vid utnyttjande UWB radioteknik och redundanta tid algoritmer synkronisering med hjälp av TDOA mätningar.

Place, publisher, year, edition, pages
2013. , xvii,79 p.
Series
Trita-ICT-EX, 2013:59
Keyword [en]
IEEE 802.15.4a, synchronization, time delay of arrival, ultra-wideband
Keyword [sv]
IEEE 802.15.4a, synkronisering, tidsfördröjning för ankomst, ultrabredbandsteknik
National Category
Communication Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-120580OAI: oai:DiVA.org:kth-120580DiVA: diva2:615719
Presentation
2013-04-04, Seminar room Motala, Isafjordsgatan 22, Kista, 14:00 (English)
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2013-04-15 Created: 2013-04-11 Last updated: 2013-09-09Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(795 kB)212 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 795 kBChecksum SHA-512
6b322c0ad04bcbf636c04f9125fd9ceae50e747ce3866ba891c4825b4653c53b716efb0352977c1e0f8abcb7b1f33f684bb47c851f5bd4894ff69888c4348b6e
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Monge, Alessandro
By organisation
Communication Systems, CoS
Communication Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 212 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 304 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf