[논문 리뷰] Improving the Performance of OTDOA based Positioning in NB-IoT Systems

Sha Hu, Axel Berg외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 18.

Power Line Communications and Noise참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저속도 샘플링(예: 1.92 MHz) 조건에서 NB-IoT 시스템의 OTDOA 기반 위치 결정을 위한 EM-SIC 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘은 잔류 주파수 오프셋, 다중 경로 fading, 도착 시간(ToA)을 동시에 추정한다. 반복적 간섭 제거와 보간 기반 ToA 정밀 조정을 통해 SNR 향상과 위치 결정 정확도 향상을 달성하며, 특히 이웃 셀 간섭과 잔류 주파수 오프셋 상황에서 기존 검출기보다 뛰어난 성능을 보인다. 이는 AWGN 및 Rayleigh fading(ETU-3Hz) 채널 모두에서 성능이 향상된다.

ABSTRACT

In this paper, we consider positioning with observed-time-difference-of-arrival (OTDOA) for a device deployed in long-term-evolution (LTE) based narrow-band Internet-of-things (NB-IoT) systems. We propose an iterative expectation-maximization based successive interference cancellation (EM-SIC) algorithm to jointly consider estimations of residual frequency-offset (FO), fading-channel taps and time-of-arrival (ToA) of the first arrival-path for each of the detected cells. In order to design a low complexity ToA detector and also due to the limits of low-cost analog circuits, we assume an NB-IoT device working at a low-sampling rate such as 1.92 MHz or lower. The proposed EM-SIC algorithm comprises two stages to detect ToA, based on which OTDOA can be calculated. In a first stage, after running the EM-SIC block a predefined number of iterations, a coarse ToA is estimated for each of the detected cells. Then in a second stage, to improve the ToA resolution, a low-pass filter is utilized to interpolate the correlations of time-domain PRS signal evaluated at a low sampling-rate to a high sampling-rate such as 30.72 MHz. To keep low-complexity, only the correlations inside a small search window centered at the coarse ToA estimates are upsampled. Then, the refined ToAs are estimated based on upsampled correlations. If at least three cells are detected, with OTDOA and the locations of detected cell sites, the position of the NB-IoT device can be estimated. We show through numerical simulations that, the proposed EM-SIC based ToA detector is robust against impairments introduced by inter-cell interference, fading-channel and residual FO. Thus significant signal-to-noise (SNR) gains are obtained over traditional ToA detectors that do not consider these impairments when positioning a device.

연구 동기 및 목표

• 저속도 샘플링과 저비용 RF 하드웨어로 제약을 받는 NB-IoT 디바이스에서 저복잡도이면서 고정확도 위치 결정 문제를 해결하기 위해.
• OTDOA 기반 위치 결정에서 이웃 셀 간섭, 잔류 주파수 오프셋(FO), 다중 경로 fading으로 인한 성능 저하를 완화하기 위해.
• 상관 보간을 통해 세밀한 시간 해상도를 확보하면서도 저연산 복잡도를 유지하는 실용적인 ToA 검출 방법을 설계하기 위해.
• PRS 무음 처리가 지연 증가로 인해 비현실적인 밀도 높은 셀룰러 환경에서의 강인한 위치 결정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• EM-SIC 알고리즘은 저속도 샘플링(예: 1.92 MHz) 시간 도메인 PRS 신호를 사용하여 잔류 주파수 오프셋, 다중 경로 채널 탭, 첫 번째 도착 경로의 ToA를 반복적으로 추정한다.
• 이 방법은 두 단계의 ToA 검출을 수행한다: 첫째, 고정된 반복 횟수 후 EM-SIC를 통해 거친 ToA 추정치를 확보한다.
• 둘째, 각 거친 ToA 중심의 작은 검색 윈도우 내의 상관값만 저역통과 보간을 사용하여 높은 속도(예: 30.72 MHz)로 업샘플링하여 ToA 해상도를 정밀 조정한다.
• 반복적 다중 경로 검출(MPD) 알고리즘은 PRS 신호의 자기상관함수(ACF) 특성을 활용하여 첫 번째 도착 경로의 ToA 검출 정확도를 향상시킨다.
• 강력한 이웃 셀 간섭을 억제하기 위해 순차적 간섭 제거(SIC)를 통합한다.
• 초기에는 식(12)를 사용한 임계값 기반 검출 단계를 적용하여 PRS 존재를 확인한 후, 반복적 정밀 조정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 NB-IoT 디바이스에서 일반적인 저속도 샘플링 제약 조건 하에서 OTDOA 기반 위치 결정을 어떻게 강인하게 만들 수 있는가?
• RQ2 잔류 주파수 오프셋과 이웃 셀 간섭이 NB-IoT 위치 결정에서 ToA 추정 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 EM-SIC를 통한 페이딩 채널, 잔류 FO, ToA의 동시 추정이 기존 검출기 대비 위치 결정 성능 향상에 기여하는가?
• RQ4 저속도 상관값의 보간이 계산 부담을 증가시키지 않으면서도 ToA 해상도 향상에 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 실제 페이딩 채널(예: ETU-3Hz) 조건에서 이상적인 AWGN 조건 대비 제안된 방법의 성능은 어떻게 되는가?

주요 결과

• 제안된 EM-SIC 검출기는 잔류 주파수 오프셋, 이웃 셀 간섭, 페이딩 채널을 고려하지 않는 전통적 ToA 검출기보다 상당한 SNR 향상을 달성한다.
• AWGN 조건에서는 FOC와 업샘플링의 조합이 ToA 추정 정확도를 크게 향상시켜 추정 오차 분산을 감소시킨다.
• ETU-3Hz 페이딩 채널에서는 낮은 ToA 추정 정확도로 인해 업샘플링의 이점이 미미하지만, FOC 과정은 여전히 국소화 비율을 크게 향상시킨다.
• 국소화 비율(오차 <500m인 성공률)은 EM-SIC 검출기가 비-IC 검출기보다 뚜렷이 높으며, 특히 간섭 제한 상황에서 두드러진다.
• 거친 ToA 추정치 주변의 작은 검색 윈도우에 국한하여 보간을 수행함으로써 전체 대역폭 업샘플링을 피함으로써 저복잡도를 유지한다.