[논문 리뷰] Localization Efficiency in Massive MIMO Systems

Masoud Arash, Hamed Mirghasemi외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Indoor and Outdoor Localization Technologies참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 독립적이고 동일하게 분포된(i.i.i.d.) 다중 경로 성분을 가진 다중 사용자 대량 MIMO 시스템에서 각도 도래각(AoA) 추정을 위한 결정론적 크래머-라오 하한(CRLB)을 제안한다. 이는 랜덤 행렬 이론을 사용하여 유도되었으며, CRLB를 최소화하는 안테나 선택 전략과 성능과 에너지 비용을 균형 잡는 국소화 효율성(LE) 지표를 정의한다. 최적의 안테나 선택을 통해 LE는 최대 220% 향상된다.

ABSTRACT

In the next generation of wireless systems, Massive MIMO offers high angular resolution for localization. By virtue of large number of antennas, the Angle of Arrival (AoA) of User Terminals (UTs) can be estimated with high accuracy. According to Dense Multipath Component (DMC) channel model, local scatters around UTs can create different multipath signals for each antenna at the Base Station (BS). We obtain a deterministic form for the Cramer-Rao Lower Bound (CRLB) in a multi-user scenario when the contribution of the multipath signals is considered. We do this when the multipath signals are independent and identically distributed (i.i.d) with arbitrary distribution. Then, we redefine a localization efficiency function for a multi-user scenario and numerically optimize it with respect to (w.r.t) the number of antennas. We prove when only a subset of the available antennas is used, CRLB can be minimized w.r.t which set of antennas is used. Then, an antenna selection strategy that minimizes CRLB is proposed. As a benchmark, we apply the proposed antenna selection scheme to the MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) algorithm and study its efficiency. Numerical results validate the accuracy of our analysis and show significant improvement in efficiency when the proposed antenna selection strategy is employed.

연구 동기 및 목표

• 다중 경로 신호가 존재하고 채널 계수들이 안테나 간에 독립적이고 동일하게 분포할 때 다중 사용자 대량 MIMO의 CRLB 분석에 대한 격차를 해소한다.
• 이전 연구들이 완전히 상관된 채널을 가정하거나 분포에 의존하는 CRLB 지표에 의존하는 한계를 극복한다.
• 밀도 있는 다중 경로 성분(DMC) 모델 하에서 다중 경로 기여를 고려한 결정론적, 닫힌 형태의 CRLB 표현식을 도출한다.
• 에너지 소비를 포함한 보다 정교한 국소화 효율성(LE) 지표를 제안하여 성능와 비용 간의 트레이드오��� 분석을 가능하게 한다.
• CRLB를 최소화하고 주어진 활성 안테나 수에서 LE를 최대화하는 최적의 안테나 선택 전략을 제안하고 평가한다.

제안 방법

• 독립적이고 동일하게 분포된 다중 경로 성분을 가진 다중 사용자 대량 MIMO에서 각도 도래각(AoA) 추정을 위한 결정론적 CRLB를 랜덤 행렬 이론(RMT)을 사용하여 유도한다.
• 국소화 정확도 향상과 에너지 비용의 비율로 구성된 국소화 효율성(LE) 함수를 정의하며, 종합적인 에너지 모델을 통합한다.
• 수치적으로 LE 함수를 활성 안테나 수에 대해 최적화하여 효율성을 극대화하는 최적의 안테나 수를 식별한다.
• 공간 분포와 채널 상관성 특성을 바탕으로 안테나의 부분 집합을 선택함으로써 CRLB를 최소화하는 안테나 선택 전략을 제안한다.
• 수치적 시뮬레이션과 몬테카를로 분석을 통해 제안된 선택 기준 하에서 CRLB의 이론적 수렴성을 검증한다.
• 두 가지 안테나 선택 전략의 성능을 비교한다: 첫 번째 안테나 집합 선택과 가장 멀리 떨어진(공간적으로 분리된) 안테나 집합 선택으로, 후자의 우수성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립적이고 동일하게 분포된 다중 경로 성분이 다중 사용자 대량 MIMO 시스템에서 각도 도래각(AoA) 추정의 CRLB에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 채널 계수가 안테나 간에 독립적이고 동일하게 분포할 때 다중 경로 신호를 고려한 경우 결정론적이고 닫힌 형태의 CRLB를 도출할 수 있는가?
• RQ3 에너지 소비를 고려할 때 국소화 효율성(LE)을 극대화하기 위한 최적의 안테나 수는 얼마인가?
• RQ4 안테나 선택은 다중 사용자 대량 MIMO 국소화에서 CRLB와 LE에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 안테나 선택 전략은 기존의 방법들(예: 첫 번째 안테나 선택)에 비해 LE 향상과 CRLB 최소화 측면에서 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• i.i.d. 다중 경로 성분이 존재하는 DMC 모델 하에서 조차도 중간 수준의 안테나 수에서도 각도 도래각(AoA) 추정의 CRLB는 결정론적이고 닫힌 형태의 표현식으로 수렴한다.
• 제안된 국소화 효율성(LE) 지표는 활성 안테나 수에 따라 비단조화적인 관계를 보이며, 에너지 비용의 트레이드오프로 인해 최적의 안테나 수가 존재함을 드러낸다.
• 공간적으로 분리된(가장 멀리 떨어진) 안테나 집합 선택은 첫 번째 안테나 집합 선택보다 훨씬 낮은 CRLB와 높은 LE를 달성하며, 일부 시나리오에서 최대 220%의 성능 향상을 보인다.
• 사용자 수 K가 증가함에 따라 LE를 극대화하기 위한 최적의 안테나 수는 급격히 감소하며, 특정 포인트에 도달하면 더 이상 안테나 수를 늘려도 효율성이 향상되지 않는다.
• 가장 멀리 떨어진 안테나 선택의 CRLB는 항상 첫 번째 안테나 선택보다 낮으며, 모든 테스트 구성에서 그 우수성이 확인된다.
• MUSIC 알고리즘에 대한 몬테카를로 시뮬레이션은 다중 경로 기여를 무시한 상황에서도 제안된 안테나 선택 전략이 LE를 향상시킴을 확인하여 그 강건성과 실용적 적용 가능성을 입증한다.