[論文レビュー] Improving the Performance of OTDOA based Positioning in NB-IoT Systems

Sha Hu, Axel Berg+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2017

Power Line Communications and Noise参考文献 4被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、低サンプリングレート（例：1.92 MHz）におけるNB-IoTシステムのOTDOAベースの位置決定のためのEM-SICアルゴリズムを提案する。この手法は、残留周波数オフセット、多径フェージング、および到着時間（ToA）を同時に推定する。反復的インターフェアレンスキャンセリングと補間に基づくToAの精密化を用いることで、特にセル間干渉および残留周波数オフセット下でも、従来の検出器よりも顕著なSNR向上と位置決定精度の向上を達成する。この性能は、AWGNおよびレイノルズフェージング（ETU-3Hz）チャネルにおいて顕著である。

ABSTRACT

In this paper, we consider positioning with observed-time-difference-of-arrival (OTDOA) for a device deployed in long-term-evolution (LTE) based narrow-band Internet-of-things (NB-IoT) systems. We propose an iterative expectation-maximization based successive interference cancellation (EM-SIC) algorithm to jointly consider estimations of residual frequency-offset (FO), fading-channel taps and time-of-arrival (ToA) of the first arrival-path for each of the detected cells. In order to design a low complexity ToA detector and also due to the limits of low-cost analog circuits, we assume an NB-IoT device working at a low-sampling rate such as 1.92 MHz or lower. The proposed EM-SIC algorithm comprises two stages to detect ToA, based on which OTDOA can be calculated. In a first stage, after running the EM-SIC block a predefined number of iterations, a coarse ToA is estimated for each of the detected cells. Then in a second stage, to improve the ToA resolution, a low-pass filter is utilized to interpolate the correlations of time-domain PRS signal evaluated at a low sampling-rate to a high sampling-rate such as 30.72 MHz. To keep low-complexity, only the correlations inside a small search window centered at the coarse ToA estimates are upsampled. Then, the refined ToAs are estimated based on upsampled correlations. If at least three cells are detected, with OTDOA and the locations of detected cell sites, the position of the NB-IoT device can be estimated. We show through numerical simulations that, the proposed EM-SIC based ToA detector is robust against impairments introduced by inter-cell interference, fading-channel and residual FO. Thus significant signal-to-noise (SNR) gains are obtained over traditional ToA detectors that do not consider these impairments when positioning a device.

研究の動機と目的

• 低サンプリングレートおよび低コストRFハードウェアに制限されるNB-IoTデバイスにおける低複雑性で高精度な位置決定を実現すること。
• OTDOAベースの位置決定において、セル間干渉、残留周波数オフセット（FO）、多径フェージングが引き起こす性能劣化を軽減すること。
• 相関補間を用いて細かい時間分解能を達成しつつ、計算複雑性を低く保つ実用的なToA検出手法を設計すること。
• PRSミューティングが遅延増加のため実用的でない密度の高いセル構成環境でも、堅牢な位置決定を可能にすること。

提案手法

• EM-SICアルゴリズムは、低サンプリングレート（例：1.92 MHz）の時間領域PRS信号を用いて、反復的に残留周波数オフセット、多径チャネルタップ、および最初の到着パスのToAを推定する。
• 2段階のToA検出を実施する：まず、固定回数の反復後、EM-SICを用いて粗いToA推定値を得る。
• 次に、各粗いToAを中心とする小さな探索ウィンドウ内の相関値のみを、ローパス補間を用いて高いレート（例：30.72 MHz）にアップサンプリングして、ToA分解能を向上させる。
• 反復的マルチパス検出（MPD）アルゴリズムは、PRS信号の自己相関関数（ACF）の性質を活用して、最初のパスのToA検出精度を向上させる。
• 強い隣接セルからのセル間干渉を抑えるために、逐次干渉キャンセリング（SIC）を組み込む。
• 最初に方程式12を用いたしきい値ベースの検出ステップを実施してPRSの存在を確認し、その後に反復的精緻化を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コストNB-IoTデバイスに一般的な低サンプリングレート制約下でも、OTDOAベースの位置決定をどのようにして堅牢に実現できるか。
• RQ2 残留周波数オフセットおよびセル間干渉が、NB-IoT位置決定におけるToA推定精度に与える影響は何か。
• RQ3 EM-SICによるフェージングチャネル、残留FO、およびToAの共同推定は、従来の検出器と比較して位置決定性能を向上させ得るか。
• RQ4 計算負荷の増加を伴わずに、低レート相関の補間はToA分解能をどの程度向上させ得るか。
• RQ5 ETU-3Hzのような現実的なフェージングチャネルにおいて、提案手法は理想的なAWGN環境と比較してどの程度の性能を示すか。

主な発見

• 提案されたEM-SIC検出器は、残留周波数オフセット、セル間干渉、フェージングチャネルを考慮しない従来のToA検出器と比較して、顕著なSNR向上を達成する。
• AWGN環境下では、FO補償（FOC）とアップサンプリングの組み合わせにより、ToA推定精度が著しく向上し、推定誤差分散が低減される。
• ETU-3Hzフェージングチャネル下では、ToA推定が悪いためアップサンプリングによる利点は限定的であるが、FOCプロセスによりロケーション比率（定位成功率）が著しく向上する。
• EM-SIC検出器では、特に干渉制限環境下で、非IC検出器と比較してロケーション比率（誤差500 m未満の成功確率）が顕著に高い。
• 粗いToA推定値の周囲の小さな探索ウィンドウに限定して補間を実施することで、全帯域のアップサンプリングを回避し、計算複雑性を低く保つ。