[논문 리뷰] Power Allocation and Parameter Estimation for Multipath-based 5G Positioning

Anastasios Kakkavas, Henk Wymeersch외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 02.

Network Time Synchronization Technologies참고 문헌 57인용 수 30

한 줄 요약

본 논문은 다중 경로 채널에서 단일 앵커 5G 위치추정의 기대 크래머-라이버 한계를 최소화하기 위해 고정 송신 빔에 대한 전력 할당 전략을 설계한다. 또한 NLOS 경로의 시계 오프셋 정보를 활용하는 그리드리스 압축센싱 기반 위치 추정기를 제안한다.

ABSTRACT

We consider a single-anchor multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) system with imperfectly synchronized transmitter (Tx) and receiver (Rx) clocks, where the Rx estimates its position based on the received reference signals. The Tx, having (imperfect) prior knowledge about the Rx location and the surrounding geometry, transmits the reference signals based on a set of fixed beams. In this work, we develop strategies for the power allocation among the beams aiming to minimize the expected Cram\\'er-Rao lower bound (CRLB) for Rx positioning. Additional constraints on the design are included to ensure that the line-of-sight (LOS) path is detected with high probability. Furthermore, the effect of clock asynchronism on the resulting allocation strategies is also studied. We also propose a gridless compressed sensing-based position estimation algorithm, which exploits the information on the clock offset provided by non-line-of-sight paths, and show that it is asymptotically efficient.

연구 동기 및 목표

• mm-Wave 및 대형 안테나 배열을 활용한 5G에서 고정밀 단일 앵커 위치추정을 촉진한다.
• 사전 기하학 지식을 전제로 기대 SPEB를 최소화하기 위한 빔 전력 할당 전략을 개발한다.
• 시계 비동기화 효과를 포함하고 LOS 경로 검출을 높은 확률로 보장한다.
• 그리드리스 채널 매개변수 추정과 위치 매개변수로의 매핑을 이용한 2단계 위치추정 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

• 고정된 Tx 빔 코드북과 불완전한 Tx-Rx 시계 동기화를 가지는 단일 앵커 MIMO-OFDM 시스템을 모델링한다.
• 하이브리드 피셔 정보 기반의 SPEB를 형식화하고 사전(priors)에 대한 기대치를 최소화하도록 빔 전력 할당을 최적화한다.
• 큐뷸처 규칙(cubature rules)을 사용하여 ESPEB를 근사하고 최적 전력 할당을 위한 세미정합 프로그램을 도출한다.
• 차원을 축소하기 위해 경로별 최적화와 가중 결합을 통한 낮은 복잡도의 대리해를 도입한다.
• 다중경로 매개변수에 대한 그리드리스 파라미터 추정 방법을 제시하고 이를 위치 및 시계 오프셋으로의 매핑으로 연결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 경로 5G 채널에서 기대 위치오차를 최소화하기 위해 고정 빔 코드북 전체에 걸쳐 전송 전력을 어떻게 할당해야 하는가?
• RQ2 시계 비동기화가 전력 할당 및 LOS 검출 신뢰도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 그리드리스 압축센싱 기반 추정기가 다중경로 매개변수와 위치 추정을 위한 시계 오프셋을 정확히 복구할 수 있는가?
• RQ4 불확실한 사전 기하학 하에서 회전 위치와 방향으로 복구된 채널 매개변수를 어떻게 매핑할 수 있는가?

주요 결과

• LOS 검출 인식을 포함한 전력 할당 전략을 수립하여 ESPEB를 최소화한다.
• 양수성 및 총 전력 제약 하에서 전력 할당을 해결하기 위한 세미정합(semidefinite) 프로그램이 도출된다.
• 낮은 복잡도 접근법은 경로별 최적화와 가중치를 사용하여 ESPEB를 더 낮은 복잡도로 근사한다.
• 그리드리스 매개변수 추정 알고리즘이 TOAs, AODs, AOAs, 및 이득을 복구하여 2단계 위치 매핑을 가능하게 한다.
• 추정기가 NLOS 경로의 시계 오프셋 정보를 활용해 위치추정 정확도를 향상시킨다.