[논문 리뷰] Multipath Error Correction in Radio Interferometric Positioning Systems

Cheng Zhang, Wangdong Qi외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 18.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 네 개의 다른 거리 측정 채널을 통해 다중경로 프로파일을 추정하고 보정하기 위해 미사용된 진폭 정보를 활용하여 라디오 간섭측위 시스템(RIPS)의 다중경로 오차 보정 방식을 제안한다. 위상과 진폭 왜곡을 함께 모델링함으로써, 중간 정도의 조건에서 다중경로로 인한 위상 오차를 수신기 노이즈 수준으로 줄여, 실내 또는 지상에 배치된 환경에서의 거리 측정 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

The radio interferometric positioning system (RIPS) is an accurate node localization method featuring a novel phase-based ranging process. Multipath is the limiting error source for RIPS in ground-deployed scenarios or indoor applications. There are four distinct channels involved in the ranging process for RIPS. Multipath reflections affect both the phase and amplitude of the ranging signal for each channel. By exploiting untapped amplitude information, we put forward a scheme to estimate each channel's multipath profile, which is then subsequently used to correct corresponding errors in phase measurements. Simulations show that such a scheme is very effective in reducing multipath phase errors, which are essentially brought down to the level of receiver noise under moderate multipath conditions. It is further demonstrated that ranging errors in RIPS are also greatly reduced via the proposed scheme.

연구 동기 및 목표

• 지상에 설치되거나 실내에 사용되는 라디오 간섭측위 시스템(RIPS)에서 다중경로를 주요 오차 원인으로 다루기 위해.
• 네 개의 거리 측정 채널에서 얻은 미사용된 진폭 정보를 활용하여 다중경로 프로파일을 추정하기 위해.
• 다중경로 반사로 인한 위상 오차를 줄이기 위한 보정 체계를 개발하기 위해.
• 다중경로로 인한 위상 왜곡을 보완함으로써 RIPS의 총 거리 측정 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• RIPS 거리 측정에 관여하는 네 개의 별개 채널을 모델링하며, 각 채널은 위상과 진폭 양면에서 다중경로 영향을 받는다.
• 각 채널의 위상 및 진폭 측정값을 이용해 다중경로 프로파일을 공동으로 추정하는 수식을 구성한다.
• 직접 경로와 반사 경로의 초합으로 표현되는 복합 신호를 나타내는 신호 모델을 수립한다. 여기서 이득과 시간 지연은 미지수이다.
• 관측된 신호와 모델링된 신호 간 오차를 최소화하는 최적화 기법을 통해 다중경로 프로파일을 추정한다.
• 추정된 다중경로 프로파일을 이용해 거리 측정 과정에서 위상 측정값을 보정한다.
• 보정을 위상 기반 거리 측정 알고리즘에 적용함으로써 다중경로로 인한 위상 오차를 효과적으로 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIPS에서 다수의 채널에서 얻은 진폭 정보를 어떻게 활용하여 다중경로 프로파일을 추정할 수 있는가?
• RQ2 RIPS에서 위상과 진폭을 함께 모델링함으로써 다중경로로 인한 위상 오차를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 제안된 방법이 중간 정도의 다중경로 조건 하에서 RIPS의 거리 측정 오차를 수신기 노이즈 수준으로 낮출 수 있는가?
• RQ4 다양한 다중경로 환경에서 보정 체계의 성능은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 중간 정도의 다중경로 조건 하에서 다중경로로 인한 위상 오차를 수신기 노이즈 수준으로 줄였다.
• 시뮬레이션 결과, 보정 체계가 다중경로 반사로 인한 위상 오차를 효과적으로 억제함을 입증하였다.
• 다중경로 보정 체계를 적용한 후 RIPS의 거리 측정 오차가 크게 감소하였다.
• 진폭 정보의 활용으로 네 개의 모든 채널에서 다중경로 프로파일을 정확하게 추정할 수 있었다.
• 강한 다중경로 성분이나 서로 가까이 위치한 성분이 존재하는 상황에서도 방법이 강인함을 유지하였다.
• 결과적으로 위상과 진폭을 함께 모델링하는 방법이 기존의 위상 전용 보정 기법보다 우수한 성능을 보였다.