[论文解读] Beam Squint Assisted User Localization in Near-Field Communications Systems

Hongliang Luo, Feifei Gao|arXiv (Cornell University)|May 23, 2022

Advanced MIMO Systems Optimization被引用 12

一句话总结

本文提出了一种新型用户定位方案，通过逆转通常被视为有害现象的波束张力效应，在近场大规模MIMO系统中实现用户定位。通过使用时延线（TDs）控制各子载波上波束张力点的轨迹，系统可将波束导向不同角度和距离，从而根据哪个子载波接收峰值功率来实现用户定位。仿真结果表明，在真实信噪比（SNR）条件下，角度定位精度达到亚度级，距离定位精度达到米级。

ABSTRACT

The beam squint phenomenon in massive multi-input and multi-output wideband communications has been widely concerned recently, which generally deteriorates the beamforming performance. In this paper, we find that with the aid of the time-delay lines (TDs), the range and trajectory of the beam squint of a near-field communications system can be freely controlled, and hence it is possible to reversely utilize the beam squint for user localization. We derive the trajectory equation for near-field beam squint points and design a way to control the trajectory of these beam squint points. With the proposed design, beamforming from different subcarriers would purposely point to different angles and different distances such that users from different positions would receive the maximum power at different subcarriers. Hence, one can simply find the different users' position from the beam squint effect. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme.

研究动机与目标

• 将宽带近场大规模MIMO系统中的波束张力效应作为用户定位工具而非性能退化因素加以利用。
• 推导近场区域波束张力点的轨迹方程，以实现对波束聚焦的精确控制。
• 设计一种基于时延线（TD）的波束成形方案，实现对波束张力范围和轨迹的独立控制，从而同时实现角度和距离定位。
• 在不增加额外硬件或进行耗时信号扫描的前提下，实现快速、低复杂度的用户定位。
• 在真实SNR和系统约束条件下，验证所提方案的可行性和定位精度。

提出的方法

• 基于阵列几何结构和频率相关的相位偏移，推导近场区域波束张力点的解析轨迹方程。
• 引入时延线（TDs）以独立控制波束张力轨迹在角度和距离维度上的变化，实现波束成形响应的任意形状调节。
• 设计两级定位流程：首先通过频带内各子载波的峰值功率估计用户角度，然后在估计角度方向上使用聚焦子载波扫描进行距离估计。
• 采用单天线用户模型，假设基站为均匀线性阵列（ULA），传播模型为视 Line-of-Sight（LoS）和自由空间路径损耗，且处于近场区域。
• 采用基于OFDM的宽带信号传输，使用M+1个子载波，每个子载波的波束成形器通过TDs调节，将能量波束导向特定空间位置。
• 应用波束张力控制，生成覆盖整个用户感知区域的波束张力轨迹，实现每个用户位置对应唯一的子载波功率映射。

实验结果

研究问题

• RQ1 宽带近场MIMO系统中的波束张力效应是否可被逆转，用作定位机制？
• RQ2 在近场区域，波束张力点的轨迹能否实现解析建模与控制？
• RQ3 基于波束张力的子载波功率映射，用户角度和距离的可实现定位精度如何？
• RQ4 SNR对所提方案中角度和距离估计性能有何影响？
• RQ5 该方法在精度和分辨率方面存在哪些局限性，特别是在瑞利距离附近？

主要发现

• 通过时延线（TDs）控制波束张力轨迹，可有效逆转波束张力效应，实现用户定位，角度定位精度达到亚度级。
• 角度估计的平均均方根误差（RMSE）在0 dB SNR时为0.1°，当SNR > 25 dB时降低至0.01°，且在 broadside（0°）方向附近精度更高。
• 当SNR超过10 dB时，用户距离在15 m以内，距离估计的RMSE小于1 m；当SNR > 30 dB时，用户距离在40 m以内，RMSE小于3 m。
• 在瑞利距离附近，定位精度显著下降，尤其是在低SNR条件下，表明近场模型在此区域存在局限性。
• 波束张力响应表现出子载波聚集不均，轨迹起始端子载波密度高，末端密度低，导致在子载波数量有限时，远距离位置误差更大。
• 采用两级方法——先粗略估计角度，再在局部子带内精细估计距离——可提升高误差区域的定位精度。