[论文解读] Beamforming Design for Joint Localization and Data Transmission in Distributed Antenna System

Seongah Jeong, Osvaldo Simeone+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2013

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 19被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种分布式天线系统的联合波束成形设计，旨在最小化总基站发射功率，同时满足数据速率和定位精度要求。该方法采用秩松弛和差异凸规划来求解频率平坦和频率选择性（OFDM）信道下的非凸优化问题，并具备对信道不确定性的鲁棒性，支持基于到达时间（TOA）和飞行时间差（TDOA）的定位。

ABSTRACT

A distributed antenna system is studied whose goal is to provide data communication and positioning functionalities to Mobile Stations (MSs). Each MS receives data from a number of Base Stations (BSs), and uses the received signal not only to extract the information but also to determine its location. This is done based on Time of Arrival (TOA) or Time Difference of Arrival (TDOA) measurements, depending on the assumed synchronization conditions. The problem of minimizing the overall power expenditure of the BSs under data throughput and localization accuracy requirements is formulated with respect to the beamforming vectors used at the BSs. The analysis covers both frequency-flat and frequency-selective channels, and accounts also for robustness constraints in the presence of parameter uncertainty. The proposed algorithmic solutions are based on rank-relaxation and Difference-of-Convex (DC) programming.

研究动机与目标

• 解决无线网络中集成数据通信与定位的需求，特别是在GPS拒止环境中的应用。
• 制定一种功率高效的波束成形设计，以满足多个移动台的数据速率和定位精度约束。
• 通过OFDM技术将设计扩展至频率选择性衰落信道，实现数据速率与定位精度之间的权衡。
• 通过最小-最大优化框架确保对信道状态信息不确定性的鲁棒性。
• 为分布式天线系统中的TOA与TDOA定位方法提供统一框架。

提出的方法

• 将波束成形优化问题建模为非凸规划问题，以最小化总发射功率，同时满足数据速率和基于Cramér-Rao下界（CRB）的定位约束。
• 对频率平坦信道中由波束成形向量约束引起的非凸性，采用秩1松弛方法处理。
• 利用差异凸（DC）规划迭代求解波束成形设计中产生的非凸子问题。
• 通过最小-最大优化引入鲁棒波束成形策略，以应对信道状态信息和用户位置估计的不确定性。
• 在OFDM系统中提出子载波分组技术，以实现数据速率与定位精度之间的可控权衡。
• 推导TOA与TDOA定位的费舍尔信息矩阵（FIM）和有效费舍尔信息矩阵（EFIM），从而实现基于CRB的性能评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合优化波束成形，以在分布式天线系统中最小化功率消耗，同时满足数据速率和定位精度要求？
• RQ2 信道不确定性对定位性能有何影响？如何使波束成形对这种不确定性具有鲁棒性？
• RQ3 在OFDM系统中，如何通过智能的子载波分组和波束成形实现数据速率与定位精度之间的平衡？
• RQ4 在联合通信与定位系统中，定位精度与频谱效率之间的基本权衡关系是什么？
• RQ5 在相同的波束成形设计下，TOA与TDOA定位方法在可实现定位精度方面有何差异？

主要发现

• 所提出的波束成形设计在数值结果验证下，显著降低了功率消耗，同时保持了所需的数据速率和定位精度。
• 基于最小-最大优化的鲁棒波束成形有效缓解了因信道状态信息不确定性导致的性能下降。
• 在OFDM系统中采用子载波分组技术，能够实现数据速率与定位精度之间的可控权衡，仿真中观察到性能增益。
• 采用秩松弛与DC规划能够高效求解非凸波束成形问题，数值评估中已证明其收敛性。
• Cramér-Rao下界（CRB）作为量化定位精度的有效度量，所提方法在理想条件下可实现CRB达到性能。
• 基于LTE系统的案例研究证实了该框架在实际部署场景中的可行性。