[논문 리뷰] Harnessing NLOS Components for Position and Orientation Estimation in 5G mmWave MIMO

Rico Mendrzik, Henk Wymeersch외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 05.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 35인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 5G mmWave MIMO 시스템에서 비선형 시선(NLOS) 다중 경로 성분을 활용하여 위치 및 방향 추정 성능을 향상시키는 것을 제안한다. 피셔 정보 이론을 통해 고시간 해상도 및 고공간 해상도가 NLOS 성분이 일관되게 정밀도를 향상시킬 수 있음을 입증하며, 정보 수득은 반사체 기하학적 구조와 빔 폭에 따라 달라진다.

ABSTRACT

In the past, NLOS propagation was shown to be a source of distortion for radio-based positioning systems. Every NLOS component was perceived as a perturbation which resulted from the lack of temporal and spatial resolution of previous cellular systems. Even though 5G is not yet standardized, a strong proposal, which has the potential to overcome the problem of limited temporal and spatial resolution, is the massive MIMO millimeter wave technology. Based on this proposal, we reconsider the role of NLOS components for 5G position and orientation estimation purposes. Our analysis is based on the concept of Fisher information. We show that, for sufficiently high temporal and spatial resolution, NLOS components always provide position and orientation information which consequently increases position and orientation estimation accuracy. We show that the information gain of NLOS components depends on the actual location of the reflector or scatter. Our numerical examples suggest that NLOS components are most informative about the position and orientation of a mobile terminal when corresponding reflectors or scatterers are illuminated with narrow beams.

연구 동기 및 목표

• 기존에 왜곡으로 간주되던 NLOS 성분이 위치 추정에 기여할 잠재력을 평가하여 5G mmWave MIMO에서 NLOS 성분의 역할을 재평가하고자 한다.
• mmWave MIMO에서 고시간 및 고공간 해상도가 NLOS 성분으로부터 유용한 정보를 추출할 수 있는지 조사하고자 한다.
• 피셔 정보 이론을 사용하여 NLOS 성분이 위치 및 방향 추정 정밀도에 기여하는 정도를 정량화하고자 한다.
• 반사체 기하학적 구조와 빔 폭이 NLOS 성분으로부터의 정보 수득에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

제안 방법

• 저자들은 mmWave MIMO 시스템에서 NLOS 성분의 정보 내용을 모델링하기 위해 피셔 정보 행렬(FIM) 분석을 사용한다.
• 도착 각도, 지연, 전력 등의 채널 파rameter를 활용하여 각 NLOS 성분의 피셔 정보 기여도를 유도한다.
• 각 NLOS 경로의 정보 기여를 순위-일치 행렬 표현을 통해 모델링하며, 고유값 분석을 통해 주요 정보 수반 방향을 결정한다.
• 핵심 식 (39)는 기하학적 및 신호 파rameter에 따라 NLOS 성분으로부터의 총 정보 수득을 함수로 표현한다.
• 피셔 정보 구성 요소에 각도 분산 항을 통해 송신기 및 수신기의 빔포밍 직접성(beamforming directivity)을 고려한다.
• NLOS 정보 행렬의 비영인 고유값에 해당하는 고유벡터는 위치/방향 민감도의 주요 방향을 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고시간 및 고공간 해상도 조건에서 5G mmWave MIMO의 NLOS 성분이 위치 및 방향 추정에 유용한 정보를 제공할 수 있는가?
• RQ2 반사체의 기하학적 구조(예: 거리 및 각도)가 NLOS 성분의 정보 수용 능력에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 NLOS 성분으로부터 추출하는 정보를 최대화하기 위해 빔 폭과 직접성의 역할은 무엇인가?
• RQ4 NLOS 성분의 피셔 정보는 선형 시선(LOS) 성분과 비교해 위치 정밀도 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ5 어떤 조건에서 NLOS 성분이 LOS 성분보다 더 많은 정보를 기여하는가?

주요 결과

• 기존의 가정과는 달리, 고시간 및 고공간 해상도 조건이 확보될 경우 NLOS 성분은 항상 위치 및 방향 추정에 기여한다.
• 반사체가 좁은 빔으로 조명될 경우 NLOS 성분의 정보 수득이 최대화되며, 이는 각도 해상도 향상과 관련이 있다.
• 각 NLOS 성분의 피셔 정보 기여도는 단일 비영인 고유값을 가진 순위-일치 행렬로 표현되며, 식 (63)에 의해 기술된다.
• 위치 및 방향 민감도의 주요 방향은 식 (64)의 고유벡터에 의해 캡처되며, 이는 수신 각도와 경로 손실에 따라 달라진다.
• NLOS 성분으로부터의 총 정보 수득은 신호 전력, 빔 직접성 및 기하학적 범위 항의 곱에 비례한다.
• 수치 결과는 NLOS 성분이 특히 풍부한 산란이 발생하는 도심 또는 실내 환경에서 추정 정밀도를 크게 향상시킬 수 있음을 시사한다.