[論文レビュー] Large Intelligent Surface for Positioning in Millimeter Wave MIMO Systems

Jiguang He, Henk Wymeersch+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、位相制御可能なLIS素子を活用してチャネル推定と局所化を向上させることで、高精度な屋内定位を実現する大規模インテリジェントサーフェス（LIS）支援ミリ波MIMOシステムを提案する。理論的解析とシミュレーションの結果、従来の直接リンク系と比較して、LIS素子の数を増やすことや位相シフトを最適化することで、定位誤差の下限が顕著に低減することが示された。

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) system for the fifth generation (5G) cellular communications can also enable single-anchor positioning and object tracking due to its large bandwidth and inherently high angular resolution. In this paper, we introduce the newly invented concept, large intelligent surface (LIS), to mmWave positioning systems, study the theoretical performance bounds (i.e., Cramér-Rao lower bounds) for positioning, and evaluate the impact of the number of LIS elements and the value of phase shifters on the position estimation accuracy compared to the conventional scheme with one direct link and one non-line-of-sight path. It is verified that better performance can be achieved with a LIS from the theoretical analyses and numerical study.

研究の動機と目的

• 大規模インテリジェントサーフェス（LIS）がミリ波MIMOシステム内の定位精度を向上させる可能性を調査すること。
• 位置および姿勢推定に用いるCramér-Rao下限（CRLB）を用いたLIS支援定位の理論的性能限界を分析すること。
• LISのパrameter—素子数および位相シフタ値—が定位誤差下限（PEB）および姿勢誤差下限（OEB）に与える影響を評価すること。
• LISを備えたシステムとLISなしの従来の単一アンカー型mmWave MIMOシステムの性能を比較すること。
• マルチキャリアOFDMに基づくLIS支援システムにおけるチャネルパラメータ推定および定位の包括的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 基地局（BS）、移動局（MS）、および位相制御可能な素子を備えた大規模インテリジェントサーフェス（LIS）を有する2次元mmWave MIMOシステムを定式化する。
• 直線視線（LoS）リンクとLISを介した反射リンクの2つの伝搬経路をモデル化し、直交周波数分割多重（OFDM）を用いて周波数帯域ごとの応答を表現する。
• 到着時間（ToA）、送信・受信の角度（AoD/AoA）、パスゲイン、および位相シフトを含むチャネルパラメータの等価フィッシャー情報行列（FIM）を導出する。
• FIMに基づいて位置推定のためのCramér-Rao下限（CRLB）（PEB）および姿勢推定のためのCRLB（OEB）を計算し、位相シフト最適化を組み込む。
• FIMの行列式の行列式を最大化するように位相シフト最適化戦略を導入し、推定精度を向上させる。
• 複素チャネル応答、アレイ応答ベクトル、および信号対雑音比（SNR）を含むFIM成分の解析的表現を用い、スティービングベクトルの偏微分の閉形式表現を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LIS素子の数がmmWave MIMOシステムにおける定位誤差下限（PEB）に与える影響は何か？
• RQ2 位相シフタ値の影響は、ユーザーの位置および姿勢の推定精度にどのように現れるか？
• RQ3 LIS支援システムは、従来の単一アンカー型mmWave MIMOシステムと比較して、CRLB性能でどのように差をつけるか？
• RQ4 LIS支援定位システムにおけるCRLBを最小化する最適な位相シフト設定は何か？
• RQ5 マルチキャリアOFDM信号およびアレイジオメトリがLISを用いた実現可能な定位精度にどのように寄与するか？

主な発見

• LIS支援システムは、LISなしの従来システムと比較して、特にLIS素子数が増加するにつれて顕著に低い定位誤差下限（PEB）を達成する。
• LIS素子の位相シフトを最適化することでCRLBが著しく低減され、知的な波面整形の重要性が示された。
• LIS素子数が増加するにつれて位置推定のCRLBは低下し、大口径アレイによる強いスケーリングゲインが確認された。
• より多くのLIS素子と最適な位相制御により、姿勢誤差下限（OEB）も改善され、角分解能の向上が示された。
• 理論的CRLB解析により、LIS反射経路がダイバーシティゲインを提供し、チャネルパラメータの同定可能性が向上することが確認された。
• 数値結果により、LIS支援システムが、全テスト対象のSNRおよびアレイサイズ設定において、従来システムを上回ることが検証された。