TELKOM NIKA , Vol.14, No .1, March 2 0 1 6 , pp. 91~1 0 0   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.2345    91     Re cei v ed  Jul y  18, 201 5; Revi sed  No ve m ber 27, 201 5; Acce pted  De cem ber 1 2 ,  2015   A Robust Range Accuracy Adaptation Criterion Based  on ZZLB for CPS       Xin y ue Fan,  Zhili Li*, Fei  Zhou  Cho ngq in g Ke y L abor ator y   of  Optical Comm unic a tion  and  Net w orks,   Cho ngq in g Uni v ersit y  of Posts  and T e lecom m unic a tions,C hon g w e n  Ro ad , 40006 5, Cho ngq ing, C h in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : lzhl1 225 @1 2 6 .com       A b st r a ct   Cog n itive ra di o (CR) provid es  a   the o retic a fo un datio n t o  ac hiev e t h e  cog n itive  fu n c tion  an d   colla bor ative f unctio n  for t h e  pos ition i n g  n o des. U nder  thi s  trend, th e c o gnitiv e  p o siti on ing  syste m  (C PS)  has e m erge d. But the li mit a ti on of the tra d iti ona l ra n ge acc u racy a daptati on criteri on  ba sed o n  Cra m ér -Ra o   Low er Bo und   (CRLB)  makes  it very d i ffcult to put C PS  i n to practic e s.T o  overc o me th is pro b le m,  it i s   necess a ry to f u rther stu d y th e criteri o n  in  c o mpl e x n o ise   envir on me nt. Based  on  the  ti me  of  arrival  ( T OA)  locati on  esti mation  al gorith m , w e  ana ly z e  t he  perfor m a n c e  of th e ra ng e  accuracy  a d a p tation  al gorit h m w h ich take the  Z i v-Z a kai low e r bou nd i n for m ati on as th e CPS para m ete r  optimi z a t i on  criterion. Si mul a tion   results show  that the bo un d can  prov id e m o r e co mpl e te ra nge acc u racy  ada ptatio n info rmati on co mpa r e d   w i th CRLB. Fu rthermore, w e   can i m prov e the p o si ti oni ng accuracy by means of  e nha n c ing  th syste m   sign al-to-n o ise  ratio (SNR), ad justin g the system  b a n d w i dth  and i n creas in g the observ a tio n  durati on.     Ke y w ords :   cognitive r a dio, cognitive  positioning system , range  acc u ra cy adaptation,  Zi v-Zakai lower   bou nd     Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  With the rapi d developm e n t of mobile comm uni cati on techn o log y , various ap plicatio ns  based on  mo bile termin al  are b oomin g. Over the p a s t few d e cad e s, the d e ma nd for L o cation  Based   Servi c es (LBS) ha s gro w n explo s i v ely.  T he LB S have be co me on e of b a s ic se rvice in  the   curre n t information  so ciet y. So far, there a r e m u ltipl e  types  of wi rele ss po sitio n ing te chn o lo gy.  Ho wever,  ea ch te chn o log y  has  differe nt limit s on   netwo rk sta n dard  or sig n a l mod e , whi c rest rict its po sitionin g  ra ng e and  po sitio n ing a c curacy. Therefo r e,  the po sitioni ng sy stem  wi th   accuracy  ad aptation fun c tion i s  attracting  mo re  and m o re  re sea r che r s’ attention.  The  emergen ce  o f  CR te chnol o g yprovide new pe rs pe ct ive for i n -d ept h an alysi s  of   CPS.Comp are   to the traditional radi o, the CR intro d u c es two ma i n  different feature s , cog n itive cap ability and   reconfigu r a b ility.  And  CR allows sam e  freque nc ba nds tobe  u s e d  si mulan eou sly by p r ima r use r  an d se conda ry user [ 1 ]. In [2] the  CPS- ba se d i ndoo r an d ou tdoor p o sitio n i ng syste m  was  pre s ente d  by  Cele bi, whi c h ca n ad aptively adju s t system paramet ers a c cordi n g  to the variati o n   of the  su rro u nding  enviro n ment. Th eo retically, it   can b e  a pplie d to all  ki nd s of  co mplicated  conditions. That is to say, we  would  e a sily locate e a ch  other  wit h  the level of  meters or  e v en   centimete r s, even in com p lex indoo r e n vironm ent  or in cave s a nd other regi ons  whe r e G P can’t normall y  coverage. In practice, the CPS ca n realize the objective of  positi oning by utilizing  multiple m e a s ureme n t pa rameters,  su ch a s  To A/T D oA, DoAo RSSI [3]. But TOA-b a sed  range   estimation te chn o logy can  achieve  high  positioni ng a c cura cy un de r different e n v ironme n ts, so  most of re sea r ch ers on  CPS tend to sele ct it as the po sitionin g  tech nology.   At present, the ran ge a c cu racy  adaptati on re se arch  based o n  CP S is still o n  the initia l   stage  [4]. It is n e cessa r to furthe stu d y the e s tim a tion e r ror l o wer bo und  if we  want to  put  rang accu ra cy ad aptation  into  pra c tice s [5].  T he  bo und  plays a  fundam ental  role fo r eval ua ting  the perfo rma n ce  of a spe c ific T O A-b a sed e s timato r.  In previou s   studie s , the  CRLB inform ation   in transmitter side generally  was utilized as the param e ter op timization  crit erion for range  accuracy  ada ptation theo ry . In [6], Celeb i et al . pro p o s ed a  CR po sit i oning  syste m  with a c curacy  adaptatio n function, an d p u t forwa r d a  CRLB-b as ed  rang e a c cura cy adaptatio n  algorithm,  which   can be reali z ed by dynamically cont rolli ng positio ni n g  param eters in CPS. Compare d  with those   conve n tional  positio ning  systems, the   CPS po sitioni ng no de s h a v e both  cog n i tive feature  and  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  91 – 10 0   92   colla borative feature [7, 8], and whi c h make it possibl e to easily re alize  range a c cu racy  adaptatio n. Celebiet al. ma inly anal yzed  the factors that affect the  positioni ng pre c isi on, su ch a s   disp erse spe c trum a nd SNR.   But  the  p r ev ious  an alysi s   only  limit s on Additive White Gau ssian Noi s e (A WG N)  cha nnel environment s.  Me anwhile,  the  CRLB ca n p r ovide an  accurate th eoretical lo we r bo u nd  only unde r the con d ition o f  high SNRs or long o b se rvation du rati on [9-11], wh ich lea d s to  probl em  th at  the CRLB-b ase d  rang e accuracy   ad aptation  mod e l cann ot giv e  the  compl e te   adaptive i n formation in  enti r e S N R dom a i n or in  mo re  compl e x noi se environm en ts. Obviou sly, it  is un able to  meet the de mand of futu re CPS ap plic ation. So it’s  particula rly importa nt to study  the rang e accuracy ad apt ation pro b le m in mo re complex noi sy environm ent s. Ho wever,  the  que stion is h o w to cho o se a pre c isi o n  lower b oun d  as the para m eter optimi z ation crite r ion  in   su ch ci rcum stance? If we continue to co nsid er CRLB   as the criteri o n, it s inherent  defects  can n o be avoide d. While Ziv-Za kai lo we r bou nd (ZZ L B)  ca n provid e a tighter lo we r li mit than CRL B furthermore, it can  give different th re sho l ds in   d i ffe r ent SN R  do ma in . So  it c a n  ch a r ac ter i ze  the  mean  squ a re d estimatio n   error b e tter. In [12],  Darda r i ha s stu d ied  TOA estim a tion-b a sed e r ror  lowe r b ound  pro b lem in  bro adb and  system  or UWB  syst em un der complex multi pat h   environ ment.  Its resea r ch  result s sh o w  that  ZZLB is more effe ctive in low SNR region t han  CRLB. And in [13], Amigo et al. also  proved  its asymptoticall y   unbi ased f eature.  Hen c e,  con s id erin g that the advantage of ZZL B, this paper   attempt to utilize the accu racy lowe r bo und  informatio n p r ovided by Z Z LB as the  CPS par a m e t er optimization crite r io n unde r co mpl e additive noise environ me nt. The rese arch is the furthe r expan d of the CPS range a ccura cy  adaptatio n theory in AWG N  enviro n me nts.  The rem a ind e r of the pap er is o r ga nized as  follo ws. The system  model is de scrib ed in   se ction 2. Se ction 3  revie w s th e de du ction of t he ZZ LB. In se ction  4, we  analy z e the p r ob abil i ty  of erro r and d e rive asso ciat ed ZZLB for the wide -b and  system. Simulation re sult s are p r e s ent ed  and di scusse d in se ction 5 .  Finally , secti on 6 co ncl u d e s the pa per.       2. The Sy ste m  Model  As d e scri bed  in [6], Fig u re 1  gives th e CPS   arc h it ec ture. In the architec ture, CPS is  mainly comp ose d  of fou r   awa r en ess  e ngine a nd o ne  ad aptive waveform  ge nerato r /proce ssor.  And spe c tru m  awa r en ess engine i s  re spo n si ble for  most of tasks related to dynamic  spe c trum.  Similarly, the main  responsibility of environm ent awareness engine i s  to  capture i n form ation   su ch a s  cha nnel attenu ation and tim e  delay. In  ad dition, locatio n  aware n e s s engine  mai n ly  handl e tasks  related to po sitioning information.      nv i r o n m e nt E S e nsing I n ter f a ce E n v i ronm en t A w a r eness E ngi ne Spe c t r um A w ar e n es s E ngi n e L o c a tio n A w ar e n es s E ngi n e Cognit i v e E ngi n e A d ap t i ve W a vef o r m Ge n e r a t o r A d ap t i ve Wa vef o r m Pr o c e s so r Tx Rx     Figure 1. Simplified blo ck d i agra m  for CPS     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Robu st Ra nge Accu ra cy Adaptation Criter io n Base d on ZZLB for CPS (Xinyu e  Fan)  93 Most impo rta n tly, cognitive engine  su pe rvise all t he  o t her en gine to effectively reali z e the g o a driven  and  a daptively pro c e s s the  rela ted tasks , th en the  en gin e  auto nomo u s ly sele cts t he  optimal syste m  param eters by usin g the in formatio n colle cted fro m  other en gin e s.   Based o n  the  above archit ecture, we co nsid er  utilizi n g the Secon d - De rivative G aussian   pulse as the  base ban d si gnal s t and through a  singl e-path  additi ve noise  co mmuni catio n   cha nnel, the receive d  sig n a l  can be exp r essed a s :       rt s t n t      (1)     Whe r e  and    corre s p ond t o  the ch anne l attenuation  factor a nd th e time delay, respe c tively.  We  assu me t hat the  pa ra meter   i s   kno w n. T he  TOA    i s  the  only  para m eter th at nee d b e   estimated,  which  unifo rml y  distrib u tes i n  interval   0, a T nt  denote th e ad ditive indep e ndent   band -limited noise.  And  s t  is    22 1 14 e x p 2 3/ 8             ss s tt st TT T  (1)     Whe r e s T is a va riable th at affect the wi dth of the  transmi tted pulse. N o w  ou r goal i s   to obtain the  es timation ˆ of   by obse r ving  the received  sign al rt in interval 0, ob T , where   ob a s TT T     3. The Ziv - Zakai Lo w e Bound   The  re sea r ch  on th e lo we r bou nd  of a c curacy  provid es  more  com p lete rang e a c cura cy  adaptive info rmation for  CPS. In this section  we  p r e s ent a  sho r t review of the  ZZLB ba sed  on   [14]. The expre ssi on of the bou nd is  comp uted by  subtly conv erting the rel a ted issue in to a   binary d e tect ion proble m . And in the  pape r we util ize bi nary d e t ection to p r oce s s the T O es timation bet wee n  the p r i m ary u s e r  a nd the  se co ndary  user.  No w con s ide r  the follo win g   binary hypoth e si s tests.        0 1 :; :;     ar t s t n t a ah r t s t n t ah H H  (2)     We a s sume  that 0 h and  ,[ 0 , ]  a aa h T . Co nsid er no w the followin g  sub optimal d e tection  criteria.     1 0 ˆˆ   aa h ¤ H H    (3)   That is if ˆˆ   aa h , we deci de on  a . O t herwi se, we deci de on ah .Henc e , the minimum   error p r ob abil i ty is given by:      11 ˆ ˆ /2 | / 2 | 22   pa h a pa h h a h  (4)   The first term  of (5) means t he probabilit with deciding  on  1 H  wh en  0 H  i s  true. An d th se con d  term   mean s the  probability with  deci d ing  on 0 H whe n   1 H  is  tr ue. L e t    , e pa a h den ote  the minimum  attainable p r o bability of error for de cidi n g  betwe en  0 H  and 1 H . Therefore :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  91 – 10 0   94      11 ,/ 2 | / 2 | 22   e pa a h p h a p h a h  (5)   Whe r  is the  estimatio n  error, a nd  ˆ  . By integratin g (6) over the i n te rval  0, a Th , we  have:          00 0 0 11 (, ) [ / 2 | / 2 | ] 22 11 /2 | | | / 2 | 22 1 +/ 2 | 2 1 || / 2 | 2          aa a a a a Th Th e Th h h T Th T pa a h d a p h a p h a h d a ph a d a p h a d a ph a d a ph a d a   (6)     For conveni e n ce, we defin e the followin g  function:       0 1 a T a Fx p x a d a T    (7)   Whe r a obey u n iformly distrib u tion o v er  0, a T . And  F x  denot es th e average   of  p xa . Then from (7) we h a ve:   0 (, ) / 2 2  a Th a e T pa a h d a F h    (8)   From  (9 ) we  can  se e that i t  is mea n ingf ul only when   a hT . Becau s e th e integ r al val ue  is ne gative if  a hT , in this ca se  zero is th e b e st lo wer  bou nd. Multiplyin g both  side of (9)  by 2/ a hT  and integrating it over  0, a T , we have:  00 0 /2 0 0 22 0 0 2 (, ) d d ( / 2 ) 4( ) 4( ) 2( x ) | 2 ( x )    aa a a a a a TT h T e T T T T hp a a h a h h F h d h T xF x d x xF x d x xF x d F   (9)   It is obvious that  0 a FT . Let us define   22 0  a T x dF x and  sub s titute it into (10), we h a ve:    2 00 1 (, ) d d   aa TT h e a hp a a h a h T    (10 )   In particular, if   ,  ee pa a h p h , that is, the minimum erro r probability is  independent  of  a . We can si mplify (11) an d obtain:      2 0 1 d  a T ae a hT h p h h T    (1 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Robu st Ra nge Accu ra cy Adaptation Criter io n Base d on ZZLB for CPS (Xinyu e  Fan)  95 Inequality (1 2) i s  the exp r essio n  of th e ba sic l o we r bou nd n a m ed ZZLB. Th e bou nd   provide s  a fundam ental l o we r limit model for t he positio ning e s timation error re sea r che s  in  different  kind s of n o ise  en vironme n ts.  Different  with  CRLB, ZZLB  can  give a ti ghter l o we r b ound   in any SNR region. That i s  to say, the ZZL B-ba se d  adaptive mo del ca n provi de more perf e ct  adaptive info rmation for CPS, and it wil l  be very  h e l p ful for u s  to  study h o w t he different  SNR  value influen ce the positio n i ng accu ra cy.      4. Analy s is o f  The ZZL B for Wide-Ba n d Sy stem  In this se ctio n, we mainly con c e n trate o n  the dedu cti on of the minimum error p r obability e ph in (12) u nde r compl e x additive noise  environme n ts. To con s id er the bina ry detectio n   probl em p r e s ente d  by (3), we  defin e the Lo g L i kelih ood  Rat i o Test  (LL R T) bet wee n   the   hypothe sis  0 H  and  1 H as  follows     1 0 ln p l p H H | | r r r    (12 )     Whe r i p H | r is the conditio nal  proba bility  den sity of th e received d a ta vector r  under  hypothe sis  i H . It is necessa ry noted that , we may ob tain  r by dire ctly sampling  from the   received  sig nal und er A W G N  enviro n ment si nc e  the sampli n g  data of re ceived  sign al  is   unrel ated. Howeve r, und er additive g aussia n  non -white noi se  environ ment s, the same d i rect  way  can not  be utili zed  to  obtain  the  condition al  p r obability d e n s ity due  to th e rel a ted fe a t ure   betwe en the  sampli ng dat a. So in this situation,  we firstly must figure  out ho w to process the   decorrelation  or white n ing t o  the re ceive d  sign al.  To obtain th e  con d itional p r oba bility den sity  of received si gnal m a trix, we ma ke  use  of   Karhu nen -Lo é ve expa nsio n [15], a  cla s sical d e correl ation  way, to  pro c e s s the  receive d   signa l in   the interval  ob 0 T u s ing a suitabl e compl e te o r thono rmal b a si   1 M m m t ,  which  sat i sf ie s t he  condition:     21 2 2 1 0 (t ) R n(t t ) d t ( t )  ob T jj j    (13 )     Whe r 12 Rn ( t t ) is th e ke rn el fun c tion of th e  integral eq uation.  (t ) j corre s po nd s to th cha r a c teri stic function  of the integ r al e quation.  j den otes the  eige nvalue s, whi c h also is the   varian ce of correspon ding  expan sion  co efficients. No w we h a ve:       11 ,    MM mm mm mm rt r t n t n t    (14 )     Whe r e the ex pan sion  coeff i cient s ca n be  expresse d a s  follows:       0  ob T mm rr t t d t    (15 )     Clea rly, throu gh a serie s  o f  relat ed op erations, the e x pansi on coe fficients   m r are not  the dire ct sa mpling valu e s  of the recei v ed sig nal  rt But  thes e c o effic i ents  c o mpletely  retain  the whol e ch ara c teri stic o f  the original  re ceived sig nal, and the  Gaussia n  random va ria b le   element of th e data vecto r  is inde pen d ent. In ot her  words, the d a ta vector i s  equal to di rect  sampli ng  sample s of  the recep t ion. Now  rt  and  nt coul d be de no ted by Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  91 – 10 0   96    12 =, , , T M M rr r R r and   12 ,, ,  T M M nn n R n , res p ectively. In a s i milar  way, we have  the expan si on co efficie n ts   12 ,, ,  T N N ss s s= of the sen d ing  sign al s( t ) , where  21 2 1    ob s MW T N W T . Since  s ob TT , we c an obtain NM Expression (1) ca be  written eq uivalently as:     () r= H s + n    (16 )     Whe r () M N × H represent the transf o rm matrix rel a ted  to the TOA values. And the con d itional   probability density function  of  r is:       *1 1 =e x p 0 , 1 de t  ii i pi H | rr r  (17 )     Whe r * r mean s co njug ate transpo se matrix of  r Assu ming t hat the hypothe sis  0 H  and  1 H are equ ally likely to occu r (i. e .,  01 1/ 2  pp HH ). The n   we  can  draw th at the th re sh old of  LL RT  is  ze ro  accordin g to   estimation th eory. That is to say, we deci de on  1 H  if  0 l r , otherwi se, we de cid e  o n   0 H Hen c e, we ha ve:         0 01 0 11 22    e p h pl d l pl d l HH || rr   (18 )     Now s u bs titut i ng (18) into (19), we have:        ex p 2    e p h a h bh e r f c bh    (19 )     The detaile d arithmeti c  ca n be found in  [16]. If  we assume that tra n smitter a nd  receiver  are  synchro n ous, the time  differen c e of  arriva l (TDO A) informatio n can  be rep l ace d  by TO informatio n. So we have:       0 ln 1 , 2     ob T ah h d  (20 )       0 , 21 ,   ob h T bh d h  (21 )          2 2 / ,s i n / 2 12 /       SN hh SN  (22 )      2 /2 1 2 t x erf c x e dt    (23 )     Without lo ss of gene ralit y, there is  an a s sumpti on that the  studie d  si gn al po wer  s p ec tr um an d th e  no is e p o w e r sp ec tr u m  a r e a p p r oxim ately flat in th e targ et ba nd . That is,  S   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Robu st Ra nge Accu ra cy Adaptation Criter io n Base d on ZZLB for CPS (Xinyu e  Fan)  97 and   N  can be  rep r e s ente d  by  S  and  N , respectively. Simplifying (23 )  and su bstitut i ng it  into (21 )  and  (22 )  immedi ately yields:    2 ln 1 s i n / 2 2    ob W T ah S N R h d    (24 )       2 2 sin / 2 21 s i n / 2   ob W SNR h T bh d SNR h    (25 )     Whe r e,     2 / 12 / SN SN R SN    (26 )     Note that the SNR in (27 )  is no longe r t he conventi onal Signal to Noise Rati o. Now  sub s tituting (25) a nd (26 )  into (20 )  an d (20 )   into  (12)  su ccessi vely, ZZLB expressio n  ca n be  written a s :         2 2 /2 12 /2 12 1 /2 /2      a ob ob ob ob T WT S N R ZZLB t h r e s h o l d W T S NR WT SN R WT S N R W   (27 )     For the  conv enien ce of a nalysi s , we  may define /2 ob WT SN R as the post-i n te gration  SNR. In  (2 8) there  is an   appa rent t r a n sition  re gio n  for  ZZLB,  whi c divide s the  entire  SNR  regio n  into two un relate d  parts. Esse ntially , the b ound vari es  expone ntially with the post- integratio n S NR i n  the th reshold  re gio n . Whe n /2 ob WT S N R , noise i s  d o mina nt in the   received si gn al. We ca n only dra w  the con c lu si o n  that the TOA estimation  includ ed in  the  interval 0, a T . When   /2 ob WT S N R , the e s timation pe rform ance is  clo s e l y cha r acte ri zed   by the CRLB.  Now  we illustrate  the result  in Figure 3.    and  are the  lower a nd u pper limits of  the thresh ol d regio n , respectively. And corre s p ond s to the point whe r e th e perfo rma n c e level of 2 /1 2 a T drop d o wn  3 d B. It is   approximatel y equal to 0.92 or e qual t o  -0.36 d B. Similarly,  is def ined a s  the p o int whe r e th lowe r b oun is 3 d B ab ove  the pe rform ance level  de scribe d by th e third  line  of  (28 ) . Th e p o i n t   determi ne s the bou nda ry betwe en the  small a nd la r ge e s timation  errors, so it  is an im porta nt  factor to affe ct the compo s i t e bou nd  pre s ente d  by  (28 ) . And  is th approximate  solutio n  to th e   followin g  equ ation:        2 /2 /2 6 /  a er f c W T    (28 )       5. Simulations Res u lts a nd Discu ssi on  In this  sectio n we  co ndu ct  relate d comp uter  simulatio n s. All re sult s are  discu s se d und er  the assum p tion that the in volved baseb and si gnal  an d the additive  noise  model  have nea rly flat  power  sp ectrum in ta rget  band. O b viou sly, the  AWG N  me et the a bove de man d , and it i s  al so   valid for those comm on G aussia n  non -white noi se su ch a s  pin k  noise or red n o ise, etc.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  91 – 10 0   98     Figure 2.  ver s us   a WT / 2       In fact, it is difficult for u s  to obtain t he exact  sol u tion abo ut  . For conveni ence to  analysi s , Fig u re 2  gives th e value   as a  function  of  /2 a WT . From th e figu re we can  se e that   whe n   /2 a WT is great er than 50, th e point approx imately varies from 12dB to  15dB.  In (28 ) , the r are  so me  rela ted pa ramete rs th at affect t he pe rfo r man c of the p o si tionin g   accuracy  such a s  th e SNR, the  system   band width   an d the  ob se rva t ion du ration.   In wh at follo ws,  we would a n a l yze the effects of these pa ramete rs a n d  give related  comp uter  sim u lation s.  (1)  In  Fig u re 3,  the simulat i on  e n viron m ents set as, (i ) 7/ 2 3 0  ob dB W T SNR d B . (ii)  The sy stem b and width is  50 WM H Z (iii) The T O A prior distri buti on interval is  01 s For  comp ari s on, Figu re 3  simultan eou sl sho w th e MSE  curve s  predi cted by  CRLB  and ZZ LB. We  can  ob serve that the r e i s  a  di stin ct se gme n tation ph enom e non a bout Z Z LB,  whi c can  provide a tight er a nd mo re  reali s ti c lo we r bo und th an  CRLB in m o derate  an d l o SNR region.  We next ob serve that Z Z LB quick ly approa che s  the perfo rma n ce p r edi cte d  by  CRLB in  high  SNR re gion.  And the  re a s on  is th at th e re ceive d   si gnal i s   com p letely domin ated  by noise i n  l o w SNR regi on and th estimate  e r ro r dep end s o n ly on the p r iori  distri buti o n   domain. Fu rt herm o re, the  point   can af fect the  bou n dary of the th reshold  regi o n . And the po in can b e  adju s t ed by the system band widt h.  Aimed at ZZLB, We have  the concl u si on that  unde r the same  condition, the estimate   value only d epen ds o n  the pri o r di stribution  of th e TOA in lo w SNR re gio n . And the MSE  approximatel y equal to  th e value s  p r e d icted  by CRLB in hi gh S N R re gion,  which  is  an  op timal  estimation in  this ca se. Fo r the thresh old  area  the TO A estimation  error de crea ses expo nenti a lly  with the SNR.       Figure 3. The  Ziv-Zakai co mposite lo we r boun d     0 50 100 15 0 200 250 300 350 400 450 500 WT a /2 [d B ] 12 dB 15 dB -5 0 5 10 15 20 25 30 10 -8 10 -7 10 -6 M SE[ s ] (W T ob /2 )S NR [ d B ] T a 2 /1 2 T H R E S H O L D CR L B ZZ L B CR L B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Robu st Ra nge Accu ra cy Adaptation Criter io n Base d on ZZLB for CPS (Xinyu e  Fan)  99 (2) As  we a ll know, si nce the available frequ en cy bandwidth  among the  dynamic  spe c tru m  resource s a r ra ndom in  CPS .  As a resu lt, the CR u s e r s can  always fl exibly utilize t he  dynamic spe c trum  re so urce s det e c ted  by the sy stem a c cordi n g to the giv en a c curacy.  To  illustrate th relation shi p   betwe en the  freque ncy b and width a n d  estimatio n   MSE in different  SNR re gion,  we set the si mulation envi r onm ent s a s , (i) the SNR  are 5dB, 15d B, 25dB, 35dB,  respe c tively. (ii) the ob servation d u ration is  2 ob Ts . (iii) the interv al of the freque ncy  band width i s 30 1 3 0 M HZ MH Z The sim u lation result is illustrated in Fi gure 4.   From Fi gure  4 it appea rs that the p o sitioni ng a c curacy ten d s to improve  with the  increa sing of  the system b and wi dth, especi a lly for the high SNRs . How e v e r, in  low SN R re gi on   the tre nd i s   n o t very o b vio u s. T herefore ,  for  the   seve re ch annel   e n v ironme n ts, we ca nnot si mply  rely on  incre a sin g  the  sy stem b and wi dth to  imp r o v e the po siti oning  accu ra cy. Actually,  we  sho u ld ten d   to improve t he chan nel  environ ment   or en han ce t he tran smitte d sig nal p o wer.  Furthe rmo r e we  ca n im prove th e p e rform a n c of po si tio n i ng  ac cu r a c y   b y  in cr e a s i ng  the  system bandwidth. Neve rt heless, excessive b andwi dth will need higher requi r ements for t h e   positio ning  sy stem. How to  achieve the   optimal  b a lan c e between  t he system co mplexity  and the  positio ning a c curacy  still re mains a s  an  open q u e s tio n (3)  Figu re 5  sho w s the  relation shi p  betwe en th e ob se rvation du ration  and th e   positio ning  e s timation  MSE. The  simul a tion e n viron m ents  set  as, (i) th e SNR are  5dB, 1 5 d B,  25dB, 35dB,  respe c tively. (ii) the  syste m  band width  is 30 MH Z . (iii) the interval of observation   duratio n is  24  s s   Figure 4. The  band width versus e s timat i on  MSE  Figure 5. The  obse r vation  duratio n versus  estimation M SE      From Fig u re  5, it can be n o ticed that in cr e a si ng the  observation d u ration i s  ben eficial to  improvin g th e po sitioni ng  accu ra cy e s pe cia lly i n   high S N Rs.  Ho wever,  th e imp r ovem ent  introdu ce d by  increa sing t he ob se rvatio n duration  i s   not as  obvio us a s  in crea sing th e sy stem  band width. M ean while, we   ca n also se that  th e p o s itionin g  a ccura cy ten d s to imp r ove  al ong  with the  imp r ovement of t he SNR. In f a ct, if  we  wa nt to de crea se the T O A-b a se d e s timati on   error fro m  th e level of  7 10  to  8 10 at the SNR  level of 15 d B  (i.e., incre a sin g  the po sitionin g   accuracy f r o m  the level  o f  30m to  3m).  We   ne ed  expand  the  ob servation  du ra tion by a bout  10  times, that is, extending  the obser v a tion duratio n from the level of  2 s  to 20 s . More   importa ntly, the a c tual  po sitioning  syste m s n eed   cont inuou sly e s timate an d u p date the  locat i on   informatio n o f  a mobile te rminal fro m  a  seri es  of me asu r em ent value s . And it  is si gnificant  for  the  re al-time requi rem ents of  the  sy stem . So it is un re aso nabl e to b lindly extend t he ob se rvatio duratio n.   Obviou sly, from Figu re 4  and 5 we can  dra w  the  co nclu sio n  that it is difficult to achi eve  signifi cant i m provem ent of  po sitionin g   accuracy  onl y by in cre a si ng the   syste m  ba nd width  or  extending th e  ob servatio duratio in l o w SNR  environment. In fa ct we shoul d  firstly focus  on   improvin g the system SNR, and t hen consi der the i n fluen ce of ot her facto r s. In summa ry, we   sho u ld t a ke t hes e f a ct o r s i n t o  co mpr e h ensiv co nsi deratio n a c co rding t o  the t a rget  po sition ing   accuracy  in pra c tical appl ication. Con s eque ntly , we  can  acquire  a goo d bal an ce b e twe en t he  positio ning a c curacy an d system imple m entation co mplexity.  30 40 50 60 70 80 90 100 11 0 120 13 0 10 -10 10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 B a nd wi dt h[ M H Z ] MS E [ s ] SN R = 5 d B S N R= 15 dB S N R= 25 dB S N R= 35 dB 2 2. 5 3 3. 5 4 10 -8 10 -7 10 -6 T ob [ s] M SE[ s ]     S N R = 5dB S N R = 15d B S N R = 25d B S N R = 35d B Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  91 – 10 0   100 6. Conclusio n   This paper ut ilizes the TOA estimation-based  Z Z LB information  i n   transmitter side  as  the param ete r  optimizatio n  criterio n for CPS, whic can improve t he sho r tcomi ngs of takin g  the   CRLB inform ation as the  criteri on. Mean wh ile, we  extend the range a c cu racy ad aptati o n   resea r ch to t he mo re  co m p lex additive  noise envi r on ments. F u rth e rmo r e, the   main fa ctors  that  affect the performan ce of the po sitionin g  accura cy a r e also a nalyzed. Finally, simulation resu lts  sho w  that  by adju s ting th e  system  ban d w idth, t he t r a n smitted  po wer level  and  the ob se rvatio n   duratio n, the  CPS ca n cog n itively optimize the  par am eter  configu r ation an d a c h i eve the de sired  positio ning a c cura cy with  the minimum cost. Even though taking ZZLB informatio n as  the   parameter optimization crit erion  woul d increase t he computation  complexity, it  woul d still play  a   key role in p u tting positioni ng accu ra cy adaptatio n into pra c tice s fo r CPS.      Ackn o w l e dg ements   This wo rk was su ppo rte d   by  the   National Natu ral  Scie nce Found ation of  Chi na  (614 710 77,  6130 1126 ), the Fun dam e n tal and F r ontier  Re se arch Proj ect  of Cho ngqi ng  (cstc2013j cyj A 40034, cstc 2013j cyjA400 41), the  Scie nce  and  Te chnolo g y Proj ect of  Cho n g q ing   Munici pal Ed ucatio n Com m issi on (K J1 4004 13).       Referen ces   [1]    Agus S u b e kti,  Sugi harto no, N ana  Rac h ma n a  S,  An dri y a n   B.Suksmono.  A Co gnitiv e  R a dio  Spectru m   Sensi ng Al gorit hm to Improve Energ y  D e tecti on at Lo w  SN R .   TELKOMNIK A 2014; 12( 3): 717-7 24.   [2]    Cele bi  H, Arsla n  H. C ogn itive  Positio n in g S ystems.  IEEE  Transactions on Wireless Comm unic ations 200 7; 6(12): 44 75-4 483.   [3]    Shao pin g  Z h a ng, H o n g  Pe i. A T w o- hop  C o lla bor ative  Lo calizati o n  Al go rithm for W i re l e ss Se nso r   Net w orks.  TELKOMNIKA.   2013; 11(5): 2 432 -244 1.  [4]    Dard ari D, Ch ong C, W i M. Z . Improve d  Low er Boun d s  on T i me- o f-Arrival Esti mat i on Error i n   Real istic UW B Chan nels . IEEE Internatio n a l Co nferenc e  on  Ultra-Wide ban d. Waltha m MA. 2006:   531- 537.   [5]    Cele bi H, Arslan H.  Ada p ti ve Positio n in g  Systems for Cognitiv e  R adi os . IEEE International  S y mp osi u m on  Ne w  F r o n tiers  in D y n a mic Sp ectrum Access  Net w o r ks. Du blin. 2 0 0 7 : 78- 84.   [6]    Cele bi H. Loc a t ion A w ar enes s in Cog n itive  Radi Net w o r k s . Ph.D. dissertation. Univ ersi t y  of South   F l orida; 2 0 0 8 [7]    Yuan Sh en, M a zue l as S, W i n MZ . Net w ork  Navig a tion: T heor y a nd Inte rpretatio n IEEE Journal on  Selecte d  Areas  in Co mmu n ica t ions . 201 2; 30 (9): 1823- 18 34 [8]    Yuan  She n W y meersc h H ,  W i n MZ . F und ament al  Li mits of W i de ban d L o ca liza t ion—Part II:   Coo perativ e N e t w o r ks.  IEEE Transactio n s o n  Information T heory . 20 10; 5 6 (10): 49 81- 50 00.   [9]    Xi ao xiao  Xu, Pinak i Sard er, Nali nika nth K o t agir i . Performance An al ysi s  and D e sig n  of Position- Encod e d  Micr osph ere  Arra ys Usi ng t he Z i v-Z a kai  Bou n d . IEEE Transactions  on Nanobioscience 201 3; 12(1): 29 -40.  [10]    Gusi Amigo A ,  Closas P, Mallat L.  Z i v-Z a kai low e r bo u nd for UW B based T O A estimati on w i th   unkn o w n  interf erenc e . IEEE International Conference  on  Acous tics, Speech and S i gnal Processing  (ICASSP). Florence. 20 14: 65 04-6 508.   [11]    Driusso  M, Co misso M, Ba bi ch F .  Perform ance   Analy s is  of T i me of Ar rival Estim a tion on OFDM   Sign als.  IEEE Signal Process i ng Letters . 20 15; 22(7): 9 83- 987.   [12]    Dard ari D, Win  MZ.  Z i v-Z a kai bou nd  on ti me-of-arriva l esti mati on w i th st atistical c h a n n e l kn ow led g e   at the receiver . IEEE internation a l confer en ce on Ultra - w i deb an d (ICUWB). Vancouver  BC. 2009 :   624- 629.   [13]    Gusi Amigo A,  Vand en dorp e   L.  Z i v-Z a kai lo w e r boun d for UW B based T O A estimati on  w i th multi u ser   interfere n ce . IEEE Internatio nal C onfer enc e on Ac ousti cs , Speech  and  Sign al Proc ess i ng (ICASSP) .   Vanco u ver BC.  2013: 4 933- 49 37.   [14]    Chaz an D, Z a kai M, Z i v J. Improved  L o w e r Bo unds  on Sign al P a rameter Esti mation.  IEEE  T r ansactio n s o n  Information T heory . 19 75; 2 1 (1): 90-9 3 [15]    Decarl i N, Dar dari D.  Z i v-Z a kai bo un d for time d e l a y esti mati on of unk now n deter mi n i stic sign als IEEE Internati ona l Conf eren ce on Aco u sti cs, S peech a n d  Sign al Proc essin g  (ICASSP). Florence.   201 4: 467 3-46 77.   [16]    W e instei n E, W e iss AJ. F undame n tal L i mitations  i n  Passi ve T i me-Dela y  Estimation-Pa rt II: W i de- Band S y stems.   IEEE Transactions on Aco u s t ics, Speech a nd Sig nal Proc essin g . 198 4; 32(5): 10 64- 107 8.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.