[논문 리뷰] Joint Frequency-and-Phase Modulation for Backscatter-Tag Assisted Vehicular Positioning

Kaifeng Han, Seung‐Woo Ko외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 17.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 도플러 이동에 의해 영향을 받는다 하더라도 차량과 도로변에 설치된 태그 사이의 상대 거리 및 각도 추정을 가능하게 하는 백스캐터 태그 보조 차량 위치 측정를 위한 연속 주파수-위상 변조(JFPM) 웨이브폼을 제안한다. 백스캐터 채널의 최대 자유도를 활용함으로써, 고속 주행 조건에서도 0.1m까지의 초미터 수준의 정밀도를 달성하며, 저속 및 고속 웨이브폼 간의 오차 차이가 해상도의 상충으로 인해 0.05m에 그친다.

ABSTRACT

Autonomous driving (auto-driving) has been becoming a killer technology for next generation vehicles, whereas some fatal accidents grow concerns about its safety. A fundamental function for safer auto-driving is to recognize the vehicles' locations, termed vehicular positioning. The state-of-the-art vehicular positioning is to rely on anchors that are stationary objects whose locations are known, i.e. satellites for GPS and base stations for cellular positioning. It is important for reliable positioning to install anchors densely, helping find enough anchors nearby. For the deployment to be cost-effective, there are some trials to use backscatter tags as alternative anchors by deploying them on a road surface, but its gain is limited by several reasons such as short contact time and difficulties in maintenance. Instead, we propose a new backscatter-tag assisted vehicular positioning system where tags are deployed along a roadside, which enables the extension of contact duration and facilitates the maintenance. On the other hand, there is a location mismatch between the vehicle and the tag, calling for developing a new backscatter transmission to estimate their relative position. To this end, we design a novel waveform called joint frequency-and-phase modulation (JFPM) for backscatter-tag assisted vehicular positioning where a transmit frequency is modulated for the distance estimation assuming that the relevant signal is clearly differentiable from the others while the phase modulation helps the differentiation. The JFPM waveform leads to exploiting the maximum Degree-of-Freedoms (DoFs) of backscatter channel in which multiple-access and broadcasting channels coexist, leading to more accurate positioning verified by extensive simulations.

연구 동기 및 목표

• 자율 주행의 안전성 한계를 해결하기 위해 차량 위치 측정 정밀도를 향상시키기 위해.
• 도로에 설치된 백스캐터 태그의 짧은 접촉 시간과 유지보수 과제를 극복하기 위해.
• 고속 주행 중 차량과 도로변에 설치된 백스캐터 태그 간의 정확한 상대 위치 측정을 가능하게 하기 위해.
• 수동 태그와 최소한의 리더 하드웨어를 사용하여 저비용이고 확장 가능한 백스캐터 기반 위치 측정 시스템을 설계하기 위해.
• 새로운 웨이브폼 설계를 통해 채널의 자유도를 극대화하여 고정밀도 위치 측정을 달성하기 위해.

제안 방법

• 거리 추정을 위해 입사된 RF 파형의 주파수를 변조하고, 신호 식별을 위해 위상을 변조하는 연속 주파수-위상 변조(JFPM) 웨이브폼을 설계한다.
• 접촉 시간을 연장하고 내구성을 향상시키기 위해 도로 표면이 아닌 도로변에 백스캐터 태그를 설치한다.
• 두 가지 웨이브폼 유형을 사용한다: 저속 주행을 위한 Type I(도플러 없음)와 고속 주행을 위한 Type II(도플러 이동 보정을 위해 홀수 및 짝수 스윕을 별도로 처리)
• 홀수 및 짝수 스윕에서 유도된 비트 신호에 2차원 푸리에 변환을 적용하고, 피크 좌표의 차이를 계산하여 도플러에 의해 유도된 위상 이동을 보상한다.
• 고비용의 어레이 처리를 피하기 위해 리더에 최소 두 개의 안테나를 사용하여 상대 각도를 추정한다.
• 라인오브사이트(LOS) 및 비라인오브사이트(NLOS) 조건을 모두 고려한 신호 모델을 유도하며, 도플러 이동 및 위상 변조 효과를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도로 표면에 태그를 설치하는 것보다 도로변에 설치함으로써 접촉 시간을 연장하고 유지보수 비용을 감소시킬 수 있는 백스캐터 태그 시스템이 신뢰성 있는 차량 위치 측정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 고속 주행 중 도플러 이동이 발생하더라도, 고속 주행 차량과 도로변에 설치된 백스캐터 태그 간의 상대 거리 및 각도를 정확히 추정할 수 있는가?
• RQ3 어떤 웨이브폼 설계가 백스캐터 채널의 자유도를 극대화하여 동시에 다중 액세스 및 브로드캐스트 이득을 지원할 수 있는가?
• RQ4 고속 주행 환경에서 해상도와 도플러 보정 간의 상충 관계가 위치 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 JFPM 웨이브폼을 사용할 때 정확한 상대 위치 측정을 달성하기 위해 필요한 리더 안테나의 최소 수는 얼마인가?

주요 결과

• 제안된 JFPM 시스템은 위치 측정 오차를 최소 0.1미터까지 낮추어 3GPP 차량 위치 측정 요구사항을 충족한다.
• 리더 안테나의 수가 증가할수록 오차가 감소함을 확인하여, 다중 안테나 다이버시티에서 기인한 MAC 및 BC 이득을 입증한다.
• 고속 주행을 위한 것으로 설계된 Type II 웨이브폼은 해상도를 절반으로 줄여 처리함으로써 Type I 대비 0.05m 높은 오차를 보였지만, 40m/s까지 정확도를 유지한다.
• 차량 속도가 15m/s일 때, 도플러 보정 기능이 있는 Type II 웨이브폼의 성능이 도플러 보정이 없는 Type I를 초월함을 확인하여 성능 교차점이 존재함을 시사한다.
• Type II 웨이브폼에서 신호 식별을 보장하기 위해, 스윕 수(L)가 안테나 수(N)의 두 배 이상이어야 한다(L > 2N)는 수정된 설계 기준을 도출하였다.