[논문 리뷰] Single-Anchor Two-Way Localization Bounds for 5G mmWave Systems: Two Protocols.

Zohair Abu‐Shaban, Henk Wymeersch외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 07.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5G mmWave 시스템에서 빔포밍을 사용하여 정밀한 시간 동기화가 필요 없이 센티미터 수준의 정확도를 달성하는 두 가지 동기화 불필요 이중 방향 국정 프로토콜—분산 국정 프로토콜(DLP)과 집중식 국정 프로토콜(CLP)—을 제안한다. CLP는 DLP보다 뚜렷이 뛰어나며, 국정 정확도는 주로 시간 오차가 아니라 각도 추정 오차에 의해 제한되며, 기지국 안테나 어레이의 증가로 더 큰 이점을 얻는다.

ABSTRACT

Recently, mmWave 5G localization has been shown to be a promising technology to achieve centimetre-level accuracy. This generates more opportunities for location-aware communication applications. One assumption usually made in the investigation of localization methods is that the user equipment (UE) and the base station (BS) are synchronized. However, in reality, communications systems are not finely synchronized to a level useful for localization. Therefore, in this paper, we investigate two-way localization protocols that avoid the prerequisite of tight time synchronization. Namely, we consider a distributed localization protocol (DLP), whereby the BS and UE exchange signals in two rounds of transmission and then localization is achieved using the signal received in the second round. On the other hand, we also consider a centralized localization protocol (CLP), whereby localization is achieved using the signals received in the two rounds. We derive the position (PEB) and orientation error bounds (OEB) applying beamforming at both ends and compare them to the traditional one-way localization. Our results obtained using realistic system parameters show that mmWave localization is mainly limited by angular rather than temporal estimation and that CLP significantly outperforms DLP. Our simulations also show that it is more beneficial to have more antennas at the BS than at the UE.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 국정을 위한 실세계 5G mmWave 시스템에서의 엄격한 시간 동기화의 비현실성 해결.
• 사용자 단말(UE)과 기지국(BS) 간의 정밀한 시간 동기화가 필요 없는 이중 방향 국정 프로토콜 개발.
• 실제 mmWave 시스템 파rameter 조건 하에서 분산(DLP)과 집중식(CLP) 국정 프로토콜의 성능 비교.
• mmWave 국정에서 빔포밍과 어레이 크기가 위치 및 방향 오차 한계에 미치는 영향 분석.

제안 방법

• UE와 BS가 두 라운드에 걸쳐 신호를 교환하는 분산 국정 프로토콜(DLP)을 제안하며, 국정 계산은 두 번째 라운드의 신호만을 사용한다.
• 모든 신호 라운드를 중앙 처리기에서 통합하여 국정 추정을 수행하는 집중식 국정 프로토콜(CLP)을 제안한다.
• 통계적 신호 처리 및 빔포밍 이득 모델을 사용하여 위치 오차 한계(PEB)와 방향 오차 한계(OEB)를 유도한다.
• UE와 BS 양측에서 방향성 빔포밍을 적용하여 실제 5G 시스템 행동을 반영하는 mmWave 채널 모델링.
• mmWave 실사용 주파수, 대역폭, 어레이 요소 구성 등 실용적인 시스템 파rameter를 사용하여 성능 평가.
• 유도된 한계를 기존의 단일 방향 국정과 비교하여 이중 방향 프로토콜의 성능 향상 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엄격한 시간 동기화가 없는 경우 mmWave 5G 시스템에서 국정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위치 및 방향 오차 한계 측면에서 DLP와 CLP 간의 성능 차이는 어떠한가?
• RQ3 mmWave 국정은 각도 추정 오차와 시간 오차 중 어느 쪽에 의해 더 제한되는가?
• RQ4 기지국과 사용자 단말의 안테나 수가 국정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 양측에서 빔포밍을 적용하면 이중 방향 프로토콜의 국정 성능 향상에 상당한 기여를 할 수 있는가?

주요 결과

• 실제 시스템 조건 하에서 mmWave 국정은 주로 시간 추정 오차보다는 각도 추정 오차에 의해 제한된다.
• 집중식 국정 프로토콜(CLP)은 위치 및 방향 오차 한계 측면에서 분산 국정 프로토콜(DLP)보다 뚜렷이 뛰어나다.
• 기지국의 안테나 수를 늘리는 것보다 사용자 단말의 안테나 수를 늘리는 것이 국정 정확도 향상에 더 큰 기여를 한다.
• 이중 방향 국정 프로토콜은 엄격한 시간 동기화가 필요 없음을 보여주어 실세계 5G 구현에 더 실용적이다.
• mmWave 시스템에서 센티미터 수준의 국정 정확도를 달성하기 위해 기지국과 사용자 단말 양측에서 빔포밍이 필수적이다.
• 유도된 PEB와 OEB는 향후 mmWave 국정 시스템의 시스템 설계 및 안테나 할당에 가이드 역할을 한다.