[論文レビュー] Joint Frequency-and-Phase Modulation for Backscatter-Tag Assisted Vehicular Positioning

Kaifeng Han, Seung‐Woo Ko+3 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2019

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ドップラー周波数変動に対しても、相対距離および角度の高精度推定を可能にするバックスキャター・タグ支援車両位置決めのための連合周波数・位相変調（JFPM）波形を提案する。バックスキャターチャネルにおける最大の自由度を活用することで、高速走行時でも0.1 mまでのサブメートルレベルの位置決め精度を達成し、低速・高速走行用波形間の誤差差は0.05 mにとどまる。

ABSTRACT

Autonomous driving (auto-driving) has been becoming a killer technology for next generation vehicles, whereas some fatal accidents grow concerns about its safety. A fundamental function for safer auto-driving is to recognize the vehicles' locations, termed vehicular positioning. The state-of-the-art vehicular positioning is to rely on anchors that are stationary objects whose locations are known, i.e. satellites for GPS and base stations for cellular positioning. It is important for reliable positioning to install anchors densely, helping find enough anchors nearby. For the deployment to be cost-effective, there are some trials to use backscatter tags as alternative anchors by deploying them on a road surface, but its gain is limited by several reasons such as short contact time and difficulties in maintenance. Instead, we propose a new backscatter-tag assisted vehicular positioning system where tags are deployed along a roadside, which enables the extension of contact duration and facilitates the maintenance. On the other hand, there is a location mismatch between the vehicle and the tag, calling for developing a new backscatter transmission to estimate their relative position. To this end, we design a novel waveform called joint frequency-and-phase modulation (JFPM) for backscatter-tag assisted vehicular positioning where a transmit frequency is modulated for the distance estimation assuming that the relevant signal is clearly differentiable from the others while the phase modulation helps the differentiation. The JFPM waveform leads to exploiting the maximum Degree-of-Freedoms (DoFs) of backscatter channel in which multiple-access and broadcasting channels coexist, leading to more accurate positioning verified by extensive simulations.

研究の動機と目的

• 自動運転の安全性の制限要因を解消するため、車両位置決め精度を向上させること。
• 道路に設置されたバックスキャター・タグの接触時間短縮および保守の難易度を克服すること。
• 高速走行中の車両とレーン側に設置されたバックスキャター・タグ間の正確な相対位置決めを可能にすること。
• 受信機のハードウェアを最小限に抑え、受動タグを用いた低コストでスケーラブルなバックスキャター基盤の位置決めシステムを設計すること。
• 新規波形設計によりチャネルの自由度を最大限に活用することで、高い位置決め精度を達成すること。

提案手法

• 入射RF波の周波数を変調して距離推定に、位相を変調して信号の識別に用いる連合周波数・位相変調（JFPM）波形を設計する。
• 接触時間の延長と耐久性の向上を目的として、道路表面ではなくレーン側にバックスキャター・タグを設置する。
• 2種類の波形を用いる：低速走行用（ドップラーなし）のタイプIと、ドップラー周波数変動を補償するための別々の処理を施した高速走行用のタイプII。
• 奇数スイープおよび偶数スイープからのビート信号に2次元フーリエ変換を適用し、ピーク座標の差分を計算することでドップラーに起因する位相シフトをキャンセルする。
• アレイ処理のコストを回避するため、受信機に最低2本のアンテナを設置して相対角度を推定する。
• 視線内（LOS）および視線外（NLOS）の状態を考慮した信号モデルを導出する。ドップラー周波数変動および位相変調の影響を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 道路に設置されたタグと比較して、接触時間の延長と保守コストの低減を実現できるバックスキャター・タグシステムは、信頼性のある車両位置決めを可能にするか？
• RQ2 ドップラー周波数変動が存在する状況下でも、高速走行中の車両とレーン側に設置されたバックスキャター・タグ間の相対距離および角度を正確に推定することは可能か？
• RQ3 どのような波形設計が、バックスキャターチャネルにおける自由度を最大限に活用し、同時に複数アクセス利得およびブロードキャスト利得を達成できるか？
• RQ4 高速走行状況下における分解能とドップラー補償のトレードオフが、位置決め精度に与える影響は何か？
• RQ5 提案されたJFPM波形を用いた場合、正確な相対位置決めを達成するために必要な受信機アンテナの最小数はいくつか？

主な発見

• 提案されたJFPMシステムは、位置決め誤差が最小0.1 mまで達し、3GPPの車両位置決め要件を満たす。
• 受信機アンテナ数の増加に伴い位置決め誤差が減少し、複数アンテナダイバーシチのMACおよびBC利得が実証された。
• 高速走行用に設計されたタイプII波形は、半分の分解能処理によるためタイプIと比較して0.05 mの誤差が大きくなるが、40 m/sまでの速度でも精度を維持する。
• 車両速度が15 m/sのとき、ドップラー補償を施したタイプII波形の性能が非補償タイプI波形を上回り、性能のクロスオーバー点が存在することが示された。
• タイプII波形において信号の識別を確実にするため、スイープ数Lはアンテナ数Nの2倍以上（L > 2N）である必要がある。これは見直された設計基準に基づく。