[論文レビュー] Localization Efficiency in Massive MIMO Systems

Masoud Arash, Hamed Mirghasemi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、独立同分布（i.i.d.）の多径成分を有する多ユーザー Massive MIMOシステムにおけるAoA推定のための決定的Cramér-Rao下界（CRLB）を、確率行列理論を用いて導出する。また、CRLBを最小化するアンテナ選択戦略を提案し、性能とエネルギー消費のバランスを取る定位効率（LE）指標を定義。最適なアンテナ選択により、LEが最大220%向上することを示した。

ABSTRACT

In the next generation of wireless systems, Massive MIMO offers high angular resolution for localization. By virtue of large number of antennas, the Angle of Arrival (AoA) of User Terminals (UTs) can be estimated with high accuracy. According to Dense Multipath Component (DMC) channel model, local scatters around UTs can create different multipath signals for each antenna at the Base Station (BS). We obtain a deterministic form for the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) in a multi-user scenario when the contribution of the multipath signals is considered. We do this when the multipath signals are independent and identically distributed (i.i.d) with arbitrary distribution. Then, we redefine a localization efficiency function for a multi-user scenario and numerically optimize it with respect to (w.r.t) the number of antennas. We prove when only a subset of the available antennas is used, CRLB can be minimized w.r.t which set of antennas is used. Then, an antenna selection strategy that minimizes CRLB is proposed. As a benchmark, we apply the proposed antenna selection scheme to the MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) algorithm and study its efficiency. Numerical results validate the accuracy of our analysis and show significant improvement in efficiency when the proposed antenna selection strategy is employed.

研究の動機と目的

• 多径信号が存在する状況下で、アンテナ間で独立同分布（i.i.d.）なチャネル係数を仮定した多ユーザー Massive MIMO における CRLB 分析のギャップを埋める。
• 従来の研究が完全に相関のあるチャネルを仮定するか、分布依存の CRLB メトリクスに依存するという限界を克服する。
• 密度的多径成分（DMC）モデル下で、多径寄与を考慮した決定的かつ閉形式の CRLB 表現を導出する。
• エネルギー消費を組み込んだ、性能とコストのトレードオフ分析を可能にする、洗練された定位効率（LE）指標を提案する。
• CRLB を最小化し、与えられたアクティブアンテナ数において LE を最大化する最適なアンテナ選択戦略を提案・評価する。

提案手法

• 独立同分布（i.i.d.）の多径成分を仮定した多ユーザー Massive MIMO における AoA 推定の決定的 CRLB を、確率行列理論（RMT）を用いて導出する。
• エネルギー消費を包括的に組み込んだエネルギーモデルを用い、定位精度の向上割合とエネルギーコストの比として定位効率（LE）関数を定式化する。
• 数値的に LE 関数を最適化し、エネルギー消費のトレードオフを考慮した際に効率を最大化するアンテナ数を同定する。
• アンテナの空間的分布とチャネル相関特性に基づき、CRLB を最小化するようにアンテナのサブセットを選択するアンテナ選択戦略を提案する。
• 数値的シミュレーションとモンテカルロ解析により、提案された選択スキーム下での MUSIC アルゴリズムの理論的 CRLB 収束を検証する。
• 最初のアンテナ群を選択する戦略と、空間的に最も離れたアンテナ群を選択する戦略の2通りを比較し、後者の優位性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 i.i.d. 多径成分が、多ユーザー Massive MIMO システムにおける AoA 推定の CRLB に与える影響は何か？
• RQ2 多径信号を考慮し、アンテナ間でチャネル係数が独立同分布（i.i.d.）である場合に、AoA 推定のための決定的かつ閉形式の CRLB を導出可能か？
• RQ3 エネルギー消費を考慮した場合、定位効率（LE）を最大化するための最適なアンテナ数は何か？
• RQ4 アンテナ選択は、多ユーザー Massive MIMO 定位における CRLB と LE にどのように影響を与えるか？
• RQ5 提案されたアンテナ選択戦略は、従来の手法（例：最初のアンテナ選択）に比べ、LE の向上と CRLB の最小化の両面で優れているか？

主な発見

• i.i.d. 多径成分を有する DMC モデル下では、中程度のアンテナ数であっても、AoA 推定の CRLB が決定的かつ閉形式の表現に収束することが確認された。
• 提案された定位効率（LE）指標は、アクティブアンテナ数に非単調な関係を示し、エネルギー消費のトレードオフにより最適なアンテナ数が存在し、LE を最大化することが判明した。
• 空間的分離に基づくアンテナ選択（最も離れたアンテナ群）は、最初のアンテナ群を選択する手法に比べ、顕著に低い CRLB と高い LE を達成しており、一部のシナリオで最大220%の向上を示した。
• ユーザー数 K が増加するに従い、LE を最大化するための最適なアンテナ数は急速に減少し、ある点で飽和に達する。この時点で、アンテナ数の増加は効率を低下させる。
• 最も離れたアンテナを選択する戦略の CRLB は、最初のアンテナ選択戦略よりも常に低く、全テスト設定で優位性が確認された。
• MUSIC アルゴリズムのモンテカルロシミュレーションにより、多径寄与を無視した場合でも、提案されたアンテナ選択戦略が LE を向上させることを確認。これにより、そのロバスト性と実用的応用可能性が裏付けられた。