Mitigación de interferencia wifi en radar meteorológico a partir de su efecto sobre la velocidad Doppler

En esta tesis se presenta una técnica innovadora para detectar de manera automática la interferencia originada por sistemas inalámbricos WLAN/RLAN, basados en el estándar IEEE 802.11, que afecta a los radares meteorológicos, a partir de su efecto sobre el observable velocidad Doppler media. El traba...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Benoit, David E.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2023
Materias:
Procesamiento de señales
Detection
Detección
Signal processing
[Weather radar
Radar meteorológico
Doppler velocity
Velocidad doppler
WIFI interference
Interferencias WIFI
Estimation
Estimación]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1186/1/1Benoit.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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description En esta tesis se presenta una técnica innovadora para detectar de manera automática la interferencia originada por sistemas inalámbricos WLAN/RLAN, basados en el estándar IEEE 802.11, que afecta a los radares meteorológicos, a partir de su efecto sobre el observable velocidad Doppler media. El trabajo se circunscribe al modo de operación denominado de intervalo de repetición de pulsos (PRI) uniforme, que es uno de los más ampliamente utilizados por estos radares. En primer lugar, se comienza con un análisis teórico, para lo cual se definen modelos de señal simplificados para el fenómeno meteorológico y la interferencia, y se considera el estimador de velocidad por procesamiento de pares de pulsos (PPP). El desarrollo analítico muestra que el efecto de la interferencia sobre la velocidad se manifiesta como un salto respecto de su valor igual en módulo a la velocidad máxima no ambigua. Por lo tanto, el siguiente paso del estudio analítico es el calculo de probabilidad de que se produzca un salto de velocidad. Utilizando un modelo de señal más realista para el objetivo meteorológico, se llevan a cabo simulaciones numéricas con el fin de evaluar la probabilidad de ocurrencia de estos saltos de velocidad. Esto lleva a la necesidad de definir umbrales para determinar si el salto ocurre o no, para lo cual se analizan dos métodos diferentes: uno basado en una prueba que se basa en evaluar el comportamiento gaussiano de los estimados de velocidad, y otro que consiste en simplemente tomar valores fijos para los umbrales. Los resultados demuestran que la probabilidad de salto presenta un comportamiento similar para ambos modelos de señal. A continuación, se desarrolla un detector de interferencia que se basa en el efecto de salto de velocidad observado. Se describe el algoritmo propuesto y se analiza su comportamiento para un caso de prueba. Para relevar el desempeñó del detector, se realizan una serie de simulaciones numéricas considerando variaciones estadísticas del fenómeno meteorológico, intensidad de señal interferente y de ruido. Como métricas de desempeño se consideran la probabilidad de falsa alarma y la probabilidad de detección. Por ultimo, se procesan mediciones reales de radar meteorológico provenientes de radares de la red Sistema Nacional de Radares Meteorológicos (SINARAME). Se evalúa el desempeño del detector de forma cuantitativa y cualitativa. Se propone una técnica simple de mitigación de la interferencia mediante el reemplazo del valor afectado por una aproximación a lo que sería el estimado para el caso sin interferencia. Se conclunye que el detector propuesto es efectivo en diferentes situaciones de ancho espectral, aunque requiere una relativa alta intensidad de interferencia para operar.
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En primer lugar, se comienza con un análisis teórico, para lo cual se definen modelos de señal simplificados para el fenómeno meteorológico y la interferencia, y se considera el estimador de velocidad por procesamiento de pares de pulsos (PPP). El desarrollo analítico muestra que el efecto de la interferencia sobre la velocidad se manifiesta como un salto respecto de su valor igual en módulo a la velocidad máxima no ambigua. Por lo tanto, el siguiente paso del estudio analítico es el calculo de probabilidad de que se produzca un salto de velocidad. Utilizando un modelo de señal más realista para el objetivo meteorológico, se llevan a cabo simulaciones numéricas con el fin de evaluar la probabilidad de ocurrencia de estos saltos de velocidad. Esto lleva a la necesidad de definir umbrales para determinar si el salto ocurre o no, para lo cual se analizan dos métodos diferentes: uno basado en una prueba que se basa en evaluar el comportamiento gaussiano de los estimados de velocidad, y otro que consiste en simplemente tomar valores fijos para los umbrales. Los resultados demuestran que la probabilidad de salto presenta un comportamiento similar para ambos modelos de señal. A continuación, se desarrolla un detector de interferencia que se basa en el efecto de salto de velocidad observado. Se describe el algoritmo propuesto y se analiza su comportamiento para un caso de prueba. Para relevar el desempeñó del detector, se realizan una serie de simulaciones numéricas considerando variaciones estadísticas del fenómeno meteorológico, intensidad de señal interferente y de ruido. Como métricas de desempeño se consideran la probabilidad de falsa alarma y la probabilidad de detección. Por ultimo, se procesan mediciones reales de radar meteorológico provenientes de radares de la red Sistema Nacional de Radares Meteorológicos (SINARAME). Se evalúa el desempeño del detector de forma cuantitativa y cualitativa. Se propone una técnica simple de mitigación de la interferencia mediante el reemplazo del valor afectado por una aproximación a lo que sería el estimado para el caso sin interferencia. Se conclunye que el detector propuesto es efectivo en diferentes situaciones de ancho espectral, aunque requiere una relativa alta intensidad de interferencia para operar. This thesis presents an innovative technique to automatically detect interference caused by WLAN/RLAN wireless systems based on the IEEE 802.11 standard, which affect weather radars, through its effect on the mean Doppler velocity observable. The work is focused on the operation mode called uniform pulse repetition interval (PRI), which is one of the most widely used by these radars. Firstly, a theoretical analysis is conducted, for which simplified signal models are defined for the meteorological target and the interference, and the pulse-pair processing (PPP) velocity estimator is considered. The analytic derivation shows that the interference effect over the velocity is a velocity jump whose value is in modulus equal to the unambiguous velocity. The theoretical analysis next step is the calculus of the probability that a velocity jump occurs. Using a more realistic signal model for the meteorological target, numerical simulations are performed to evaluate the probability of occurrence of these velocity jumps. This leads to the need to define thresholds to determine whether the velocity jump occurs or not, for which two different methods are analyzed: one based on a test that evaluates the Gaussian behavior of the velocity estimates, and another that simply involves using fixed threshold values. The results demonstrate that the jump probability exhibits a similar behavior for both signal models. Next, an interference detector based on the observed jump velocity effect is developed. The proposed algorithm is described, and its behavior is analyzed for a test case. To assess the performance of the detector, a series of numerical simulations is conducted varying the parameters of the statistical models of the meteorological target, of the interference signal and of the noise. The false alarm probability and the detection probability are used as performance metrics. Finally, real weather radar measurements acquired by radars of the Sistema Nacional de Radares Meteorol´ogicos (SINARAME) network are processed. The performance of the detector is evaluated both quantitatively and qualitatively. A simple interference mitigation technique is proposed, which involves replacing the affected velocity value by an approximation of its value would be in the absence of interference. It is concluded that the proposed detector is effective in different spectral width situations, although it requires a relatively high level of interference to operate. 2023-03-29 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1186/1/1Benoit.pdf es Benoit, David E. (2023) Mitigación de interferencia wifi en radar meteorológico a partir de su efecto sobre la velocidad Doppler / wifi interference mitigation on weather radar through its effect over the doppler velocity. Maestría en Ingeniería, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1186/

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