[論文レビュー] Harnessing NLOS Components for Position and Orientation Estimation in 5G mmWave MIMO

Rico Mendrzik, Henk Wymeersch+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 35被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、5G mmWave MIMOシステムにおける非視線（NLOS）多重パス成分を活用して、位置および姿勢推定を向上させることを提案する。フィッシャー情報理論を用いて、高い時間的・空間的分解能がNLOS成分による局所化精度の向上を一貫して可能にすることを示し、情報の増加は反射体の幾何構造およびビーム幅に依存する。

ABSTRACT

In the past, NLOS propagation was shown to be a source of distortion for radio-based positioning systems. Every NLOS component was perceived as a perturbation which resulted from the lack of temporal and spatial resolution of previous cellular systems. Even though 5G is not yet standardized, a strong proposal, which has the potential to overcome the problem of limited temporal and spatial resolution, is the massive MIMO millimeter wave technology. Based on this proposal, we reconsider the role of NLOS components for 5G position and orientation estimation purposes. Our analysis is based on the concept of Fisher information. We show that, for sufficiently high temporal and spatial resolution, NLOS components always provide position and orientation information which consequently increases position and orientation estimation accuracy. We show that the information gain of NLOS components depends on the actual location of the reflector or scatter. Our numerical examples suggest that NLOS components are most informative about the position and orientation of a mobile terminal when corresponding reflectors or scatterers are illuminated with narrow beams.

研究の動機と目的

• 従来、歪みと見なされてきたNLOS成分が位置推定に寄与する可能性を評価することで、5G mmWave MIMOにおけるNLOS成分の役割を再評価すること。
• mmWave MIMOにおける高い時間的・空間的分解能が、NLOS成分から有用な情報を抽出可能かどうかを調査すること。
• フィッシャー情報理論を用いて、NLOS成分が位置および姿勢推定精度に与える寄与を定量化すること。
• 反射体の幾何構造およびビーム幅がNLOS成分からの情報増加に与える影響を分析すること。

提案手法

• 著者らは、mmWave MIMOシステムにおけるNLOS成分の情報含量をモデル化するためにフィッシャー情報行列（FIM）解析を採用する。
• 到着角、遅延、電力などのチャネルパラメータを用いて、各NLOS成分のフィッシャー情報寄与を導出する。
• 各NLOSパスの情報寄与をランク1行列としてモデル化し、固有値解析により支配的である情報保持方向を特定する。
• 主要な式（39）は、幾何的および信号パラメータを関数としてNLOS成分からの総情報増加量を表す。
• フィッシャー情報成分における方位分散項を用いて、送信機および受信機におけるビームフォーミングの指向性を考慮する。
• NLOS情報行列の非ゼロ固有値に対応する固有ベクトルが、位置/姿勢感度の支配的方向を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高時間的・空間的分解能下で、5G mmWave MIMOにおけるNLOS成分が位置および姿勢推定に有用な情報を提供できるか？
• RQ2 反射体の幾何構造（例：距離および角度）がNLOS成分の情報含量に与える影響は何か？
• RQ3 ビーム幅および指向性がNLOS成分からの情報抽出を最大化するために果たす役割は何か？
• RQ4 NLOS成分からのフィッシャー情報は、LOS成分と比較して、局所化精度の観点でどの程度の差異を示すか？
• RQ5 どのような条件下でNLOS成分がLOS成分よりもより多くの情報を寄与するか？

主な発見

• 時間的・空間的分解能が十分に高い限り、NLOS成分は従来の仮定とは対照的に、常に位置および姿勢推定に寄与する。
• 反射体が狭いビームで照らされる場合に、NLOS成分からの情報増加が最大となる。これは方位分解能の向上に寄与する。
• 各NLOS成分のフィッシャー情報寄与は、ランク1行列として表され、非ゼロ固有値は式（63）で与えられる。
• 位置および姿勢感度の支配的方向は、式（64）に示される固有ベクトルによって捉えられ、これは到着角およびパスロスに依存する。
• NLOS成分からの総情報増加量は、信号電力、ビーム指向性、および幾何的距離項の積に比例する。
• 数値結果から、NLOS成分は特に散乱が豊富な都市部や屋内環境において、推定精度を顕著に向上させうることが示唆されている。