[論文レビュー] Power Allocation and Parameter Estimation for Multipath-based 5G Positioning

Anastasios Kakkavas, Henk Wymeersch+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2020

Network Time Synchronization Technologies参考文献 57被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、 multipath チャネルにおける単一アンカー5G位置推定の期待 Cramer-Rao lower bound を最小化するよう、固定 Tx ビームに対する電力割り当て戦略を設計します。NLOS パスからのクロックオフセット情報を活用する gridless compressed sensing ベースの位置推定器も提案します。

ABSTRACT

We consider a single-anchor multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) system with imperfectly synchronized transmitter (Tx) and receiver (Rx) clocks, where the Rx estimates its position based on the received reference signals. The Tx, having (imperfect) prior knowledge about the Rx location and the surrounding geometry, transmits the reference signals based on a set of fixed beams. In this work, we develop strategies for the power allocation among the beams aiming to minimize the expected Cram\\'er-Rao lower bound (CRLB) for Rx positioning. Additional constraints on the design are included to ensure that the line-of-sight (LOS) path is detected with high probability. Furthermore, the effect of clock asynchronism on the resulting allocation strategies is also studied. We also propose a gridless compressed sensing-based position estimation algorithm, which exploits the information on the clock offset provided by non-line-of-sight paths, and show that it is asymptotically efficient.

研究の動機と目的

• mm-Wave と大規模アンテナアレイを用いた高精度な単一アンカー位置決定を5Gで動機づける。
• 事前ジオメトリ知識の下で期待 SPEB を最小化するビーム電力割り当て戦略を開発する。
• LOS 路径検出を高確率で保証し、クロックの非同期性の影響を考慮する。
• グリッドレスなチャネルパラメータ推定と位置パラメータへのマッピングを用いる2段階の位置推定アルゴリズムを提案する。

提案手法

• 固定 Tx ビームコードブックと不完全な Tx-Rx クロック同期を持つ単一アンカー MIMO-OFDM 系をモデル化する。
• ハイブリッドフィッシャー情報に基づく SPEB を定式化し、事前分布上でその期待値を最小化するようビーム電力割り当てを最適化する。
• ESPEB を近似するには cubature ルールを用い、最適電力割り当ての SDP を導出する。
• 次元を削減するため各パスごとの最適化と加重結合による低複雑度の代替手法を導入する。
• マルチパスパラメータの gridless パラメータ推定法を提示し、その後位置とクロックオフセットへのマッピングを行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定ビームコードブック全体にわたる送信電力をどのように割り当てれば multipath 5G チャンネルでの期待位置誤差を最小化できるか。
• RQ2 クロック非同期性が電力割り当てと LOS 検出信頼性に与える影響は何か。
• RQ3 .gridless な compressed sensing ベースの推定器は、位置推定のためのマルチパスパラメータとクロックオフセットを正確に回復できるか。
• RQ4 回収されたチャネルパラメータを不確かな事前ジオメトリの下で2D位置と向きにマッピングするにはどうするべきか。

主な発見

• LOS 検出を考慮した電力割り当て戦略を、ESPEB の最小化を目指して定式化。
• 正定値性と総電力制約の下で電力割り当てを解く SDP を導出。
• 次元削減のためパスごとの最適化と重み付けを用い、ESPEB を近似する低複雑度の手法を提案。
• gridless パラメータ推定アルゴリズムが TOA、AOD、AOA、ゲインを回復し、2段階の位置マッピングを可能にする。
• 推定器は NLOS パスからのクロックオフセット情報を活用して位置決定精度を向上させる。