[논문 리뷰] Large Intelligent Surface for Positioning in Millimeter Wave MIMO Systems

Jiguang He, Henk Wymeersch외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 30.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 13인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 위상 제어가 가능한 LIS 요소를 활용하여 고정밀 실내 위치 측정을 위한 대규모 지능형 표면(LIS)-보조 밀리미터파 MIMO 시스템을 제안한다. 이론적 분석과 시뮬레이션 결과, LIS 요소 수를 늘리고 위상 이격을 최적화하면 기존의 직접 연결 시스템 대비 위치 측정 오차 한계가 크게 감소함을 보여준다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) system for the fifth generation (5G) cellular communications can also enable single-anchor positioning and object tracking due to its large bandwidth and inherently high angular resolution. In this paper, we introduce the newly invented concept, large intelligent surface (LIS), to mmWave positioning systems, study the theoretical performance bounds (i.e., Cramér-Rao lower bounds) for positioning, and evaluate the impact of the number of LIS elements and the value of phase shifters on the position estimation accuracy compared to the conventional scheme with one direct link and one non-line-of-sight path. It is verified that better performance can be achieved with a LIS from the theoretical analyses and numerical study.

연구 동기 및 목표

• 대규모 지능형 표면(LIS)이 밀리미터파 MIMO 시스템 내에서 위치 측정 정확도 향상 잠재력을 조사하는 것.
• 위치 및 방향 추정을 위한 Cramér-Rao 하한(CRLB)을 사용한 LIS 보조 위치 측정의 이론적 성능 한계 분석.
• LIS 매개변수—요소 수와 위상 이격 값—이 위치 오차 한계(PEB) 및 방향 오차 한계(OEB)에 미치는 영향 평가.
• LIS 없이 단일 앵커 기반 mmWave MIMO 시스템과의 성능 비교.
• 다중 대역 OFDM 기반 LIS 보조 시스템에서 채널 파rameter 추정 및 위치 측정을 위한 종합적 프레임워크 제공.

제안 방법

• 기지국(BS), 이동국(MS), 및 위상 제어가 가능한 요소를 갖춘 대규모 지능형 표면(LIS)을 포함하는 2차원 mmWave MIMO 시스템 수립.
• 직접 시선(LoS) 링크와 LIS를 통한 반사 링크의 두 가지 전파 경로를 모델링하고, 정규 직교 주파수 분할 multiplexing(OFDM)을 사용해 각 부호대역 별 응답을 정의.
• 도착 시간(ToA), 출발 각도/도착 각도(AoD/AoA), 경로 감도 및 위상 이격 등 채널 파rameter의 등가 Fisher 정보 행렬(FIM) 유도.
• FIM 기반으로 위치 추정(PEB) 및 방향 추정(OEB)의 Cramér-Rao 하한(CRLB) 계산하고, 위상 이격 최적화 통합.
• FIM 행렬의 행렬식을 최대화하는 위상 이격 최적화 전략 도입으로 추정 정확도 향상.
• 복소 채널 응답, 어레이 응답 벡터, 신호 대 잡음비(SNR)를 포함한 FIM 구성 요소의 해석적 표현 사용; 조향 벡터의 편미분에 대한 닫힌 형태 표현 제공.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LIS 요소 수가 mmWave MIMO 시스템에서 위치 오차 한계(PEB)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 위상 이격 값은 사용자 위치 및 방향 추정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LIS 보조 시스템은 기존 단일 앵커 mmWave MIMO 시스템과 비교해 CRLB 성능에서 어떻게 다를까?
• RQ4 LIS 보조 위치 측정 시스템에서 CRLB를 최소화하기 위한 최적의 위상 이격 설정은 무엇인가?
• RQ5 다중 대역 OFDM 신호와 어레이 기하학은 LIS를 통한 실현 가능한 위치 측정 정확도에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• LIS 보조 시스템은 LIS 없이 구현된 기존 시스템보다 위치 오차 한계(PEB)가 현저히 낮으며, 특히 LIS 요소 수가 증가할수록 더욱 두드러진다.
• LIS 요소의 위상 이격 최적화는 CRLB를 크게 감소시켜 지능형 파면 형성의 중요성을 입증한다.
• 위치 추정의 CRLB는 LIS 요소 수 증가에 따라 감소하며, 대형 개구구조 어레이의 강력한 스케일링 이득을 보여준다.
• 방향 오차 한계(OEB) 역시 더 많은 LIS 요소와 최적의 위상 제어로 향상되어 각도 해상도 향상됨을 시사한다.
• 이론적 CRLB 분석 결과, LIS 반사 경로가 다중성 이득을 제공하고 채널 파rameter 식별성 향상에 기여함을 확인한다.
• 수치적 결과는 모든 시험된 SNR 및 어레이 크기 설정에서 LIS 보조 시스템이 기존 시스템을 뛰어넘는 성능을 보임을 검증한다.