[論文レビュー] Single-Anchor Two-Way Localization Bounds for 5G mmWave Systems: Two Protocols.

Zohair Abu‐Shaban, Henk Wymeersch+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2018

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、5G mmWaveシステムにおけるビームフォーミングを用いて、きびしい時間同期を要しないセンチメートルレベルの精度を達成する、2方向同期フリーの2次元局所化プロトコル2つ——分散型局所化プロトコル（DLP）と集中型局所化プロトコル（CLP）——を提案する。CLPはDLPを著しく上回り、局所化精度は主に角度推定誤差に制限され、タイミングに依存しない。また、基地局のアンテナアレイを増加させることで、さらに高い性能が得られる。

ABSTRACT

Recently, mmWave 5G localization has been shown to be a promising technology to achieve centimetre-level accuracy. This generates more opportunities for location-aware communication applications. One assumption usually made in the investigation of localization methods is that the user equipment (UE) and the base station (BS) are synchronized. However, in reality, communications systems are not finely synchronized to a level useful for localization. Therefore, in this paper, we investigate two-way localization protocols that avoid the prerequisite of tight time synchronization. Namely, we consider a distributed localization protocol (DLP), whereby the BS and UE exchange signals in two rounds of transmission and then localization is achieved using the signal received in the second round. On the other hand, we also consider a centralized localization protocol (CLP), whereby localization is achieved using the signals received in the two rounds. We derive the position (PEB) and orientation error bounds (OEB) applying beamforming at both ends and compare them to the traditional one-way localization. Our results obtained using realistic system parameters show that mmWave localization is mainly limited by angular rather than temporal estimation and that CLP significantly outperforms DLP. Our simulations also show that it is more beneficial to have more antennas at the BS than at the UE.

研究の動機と目的

• 高精度な局所化を実現するための、現実の5G mmWaveシステムにおいてきびしい時間同期が不切実であるという問題を解決する。
• ユーザー設備（UE）と基地局（BS）の間で正確な時間同期を必要としない2方向局所化プロトコルの開発。
• 現実のmmWaveシステムパラメータ下での、分散型（DLP）と集中型（CLP）局所化プロトコルの性能を比較する。
• ビームフォーミングとアレイサイズがmmWave局所化における位置誤差と姿勢誤差の上限に与える影響を分析する。

提案手法

• UEとBSが2ラウンドの信号を交換する分散型局所化プロトコル（DLP）を提案。局所化は主に2回目のラウンドの信号のみを用いて計算される。
• 両ラウンドの信号を中央プロセッサで統合して利用する集中型局所化プロトコル（CLP）を提案。
• 統計的信号処理とビームフォーミング利得モデルを用いて、位置誤差上限（PEB）と姿勢誤差上限（OEB）を導出する。
• UEとBSの両方で方向性ビームフォーミングを適用し、現実の5Gシステム動作を反映するmmWaveチャネルモデルを構築する。
• mmWaveの中心周波数、帯域幅、アレイ素子構成などの現実的システムパラメータを用いて性能を評価する。
• 得られた上限と従来の1方向局所化を比較し、2方向プロトコルによる利点を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 きびしい時間同期が存在しない場合、mmWave 5Gシステムにおける局所化精度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 位置誤差上限と姿勢誤差上限の観点から、DLPとCLPの性能差は何か？
• RQ3 mmWave局所化は、角度推定誤差とタイミング誤差のどちらに主に制限されるのか？
• RQ4 基地局とユーザー設備におけるアンテナ数の増加が、局所化精度に与える影響はどの程度か？
• RQ5 両端でのビームフォーミングは、2方向プロトコルにおける局所化性能を著しく向上させるか？

主な発見

• 現実のシステム条件下では、mmWave局所化は主に角度推定誤差に制限され、時間的推定誤差に依存しない。
• 集中型局所化プロトコル（CLP）は、位置誤差上限および姿勢誤差上限の両面で、分散型局所化プロトコル（DLP）を著しく上回る。
• 基地局のアンテナ数を増加させることで、ユーザー設備のアンテナ数を増加させるよりも、より顕著な局所化精度の向上が得られる。
• 2方向局所化プロトコルは、きびしい時間同期の必要性を排除するため、現実の5G展開においてより実用的である。
• mmWaveシステムでセンチメートルレベルの局所化精度を達成するには、基地局およびユーザー設備の両端でのビームフォーミングが不可欠である。
• 導出されたPEBおよびOEBは、将来的なmmWave局所化システムの設計とアンテナ割り当てを支援する理論的上限を提供する。