[논문 리뷰] Beamspace Multidimensional ESPRIT Approaches for Simultaneous Localization and Communications

Fan Jiang, Fuxi Wen외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 14.

Direction-of-Arrival Estimation Techniques참고 문헌 27인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 고차원 mmWave 시스템에서 동시 위치 결정 및 통신(SLAC)을 위한 저복잡도 빔스페이스 다차원 ESPRIT 방법을 제안한다. 빔스페이스 처리와 효율적인 특이값 분해를 활용하여 계산 복잡도를 감소시키면서도 채널 추정, 위치 결정 및 통신 성능의 높은 정확도를 유지한다. 이는 섭동 분석과 텐서 ESPRIT와의 비교를 통해 검증되었다.

ABSTRACT

Modern wireless communication systems operating at high carrier frequencies are characterized by a high dimensionality of the underlying parameter space (including channel gains, angles, delays, and possibly Doppler shifts). Estimating these parameters is valuable for communication purposes, but also for localization and sensing, making channel estimation a critical component in any joint communication and localization or sensing application. The high dimensionality make it difficult to use search-based methods such as maximum likelihood. Search-free methods such as ESPRIT provide an attractive alternative, but require a complex decomposition step in both the tensor and matrix version of ESPRIT. To mitigate this, we propose, develop, and analyze a reduced complexity beamspace ESPRIT method. Complexity is reduced both by beampace processing as well as low-complex implementation of the singular value decomposition. A novel perturbation analysis provides important insights for both channel estimation and localization performance. The proposed method is compared to the tensor ESPRIT method, in terms of channel estimation, communication, localization, and sensing performance, further validating the perturbation analysis.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 그 이상의 mmWave 시스템에서 대량 MIMO와 OFDM를 적용할 경우 발생하는 고차원 매개변수 공간 문제를 해결하기 위해.
• 원소 공간 대신 빔스페이스에서 운영하여 다차원 ESPRIT 기반 채널 추정의 계산 복잡도를 감소시키기 위해.
• 채널 매개변수인 각도, 지연 및 도플러 이동을 동시 추정함으로써 동시 위치 결정 및 통신(SLAC)을 가능하게 하기 위해.
• 추정 오차가 위치 결정 및 통신 성능에 미치는 영향을 연결하는 엄밀한 섭동 분석을 제공하기 위해.
• 채널 추정, 통신 속도, 위치 결정 정확도 및 감지 성능 측면에서 제안된 방법을 텐서 ESPRIT와 비교하여 검증하기 위해.

제안 방법

• 수정된 선택 행렬을 사용한 빔스페이스 도메인에서의 행렬 기반 다차원 ESPRIT 알고리즘을 개발한다.
• 빔스페이스 처리를 위한 저복잡도 구현 방식의 특이값 분해(SVD)를 도입한다.
• 임의의 전치질서 랭크를 가진 예측 및 복합 행렬을 사용하여 어레이 구성에 대한 유연성을 확보한다.
• 원소 공간 MD-ESPRIT의 자동 쌍화 성질을 빔스페이스에서도 유지하여 차원 간 다중 경로 매개변수의 정확한 정렬을 보장한다.
• 각도, 지연 및 도플러 추정 오차가 채널 이득 및 위치 추정 오차에 미치는 영향을 연결하는 새로운 섭동 분석을 유도한다.
• 실제 mmWave 시스템 모델링을 위해 균일 직사각형 어레이(URAs)와 OFDM 웨이브폼을 사용한 빔스페이스 채널 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빔스페이스 처리가 고차원 mmWave 시스템에서 다차원 ESPRIT의 계산 복잡도를 어떻게 감소시키는가?
• RQ2 빔스페이스 변환은 SLAC 시스템에서 채널 추정, 위치 결정 및 통신 성능의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 각도, 지연 및 도플러 이동의 추정 오차가 위치 및 채널 이득 추정에 어떻게 전파되는가?
• RQ4 신호 매개변수의 섭동과 위치 결정 및 통신 성능에 발생하는 오차 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 제안된 빔스페이스 MD-ESPRIT는 성능 및 복잡도 측면에서 텐서 ESPRIT와 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 제안된 빔스페이스 MD-ESPRIT는 정확도를 유지하면서도 텐서 ESPRIT에 비해 상당한 복잡도 감소를 달성한다.
• 섭동 분석은 각도, 지연 및 도플러 추정 오차가 위치 및 채널 이득 추정 오차에 어떻게 연결되는지를 성공적으로 규명하여 성능 예측이 가능하게 한다.
• 이 방법은 빔스페이스에서도 MD-ESPRIT의 자동 쌍화 성질을 유지하여 다중 경로 매개변수의 정확한 정렬을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 채널 추정, 통신 속도, 위치 결정 및 감지 성능 측면에서 텐서 ESPRIT와 동일하거나 이를 초월함을 확인한다.
• 유도된 1차 섭동 모델은 각도, 지연 및 도플러 추정 오차에 따라 위치 추정 오차를 정확하게 예측할 수 있다.
• 저복잡도 SVD 구현은 대량 MIMO mmWave 시스템에서 실시간 적용 가능성을 보장한다.