[论文解读] Harnessing NLOS Components for Position and Orientation Estimation in 5G mmWave MIMO

Rico Mendrzik, Henk Wymeersch+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2017

Indoor and Outdoor Localization Technologies参考文献 35被引用 3

一句话总结

本文提出在5G毫米波MIMO系统中利用非视 Line-of-sight（NLOS）多径分量以提升定位与姿态估计性能。基于Fisher信息理论，研究表明高时间和空间分辨率可使NLOS分量持续提升定位精度，信息增益取决于反射体几何形状与波束宽度。

ABSTRACT

In the past, NLOS propagation was shown to be a source of distortion for radio-based positioning systems. Every NLOS component was perceived as a perturbation which resulted from the lack of temporal and spatial resolution of previous cellular systems. Even though 5G is not yet standardized, a strong proposal, which has the potential to overcome the problem of limited temporal and spatial resolution, is the massive MIMO millimeter wave technology. Based on this proposal, we reconsider the role of NLOS components for 5G position and orientation estimation purposes. Our analysis is based on the concept of Fisher information. We show that, for sufficiently high temporal and spatial resolution, NLOS components always provide position and orientation information which consequently increases position and orientation estimation accuracy. We show that the information gain of NLOS components depends on the actual location of the reflector or scatter. Our numerical examples suggest that NLOS components are most informative about the position and orientation of a mobile terminal when corresponding reflectors or scatterers are illuminated with narrow beams.

研究动机与目标

• 重新评估NLOS分量在5G毫米波MIMO中的作用，传统上其被视为干扰，本文旨在评估其在定位方面的潜力。
• 研究毫米波MIMO中高时间和空间分辨率是否能够从NLOS分量中提取有用信息。
• 利用Fisher信息理论量化NLOS分量对定位与姿态估计精度的贡献。
• 分析反射体几何形状与波束宽度如何影响从NLOS分量中获得的信息增益。

提出的方法

• 作者采用Fisher信息矩阵（FIM）分析，以建模毫米波MIMO系统中NLOS分量的信息含量。
• 通过到达角、延迟和功率等信道参数，推导每个NLOS分量的Fisher信息贡献。
• 采用秩一矩阵表示法建模每个NLOS路径的信息贡献，通过特征值分析确定主导的信息承载方向。
• 关键方程（39）将NLOS分量的总信息增益表示为几何与信号参数的函数。
• 通过Fisher信息分量中的角度方差项，考虑发射端与接收端波束成形的指向性。
• NLOS信息矩阵的非零特征值对应的特征向量，确定了定位/姿态敏感性的主导方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高时间和空间分辨率条件下，5G毫米波MIMO中的NLOS分量是否能为定位与姿态估计提供有用信息？
• RQ2 反射体的几何形状（如距离与角度）如何影响NLOS分量的信息含量？
• RQ3 波束宽度与指向性在最大化从NLOS分量中提取的信息方面起到什么作用？
• RQ4 与视 Line-of-sight（LOS）分量相比，NLOS分量的Fisher信息在定位精度方面表现如何？
• RQ5 在何种条件下，NLOS分量提供的信息量超过LOS分量？

主要发现

• 当时间与空间分辨率足够高时，NLOS分量始终对定位与姿态估计有贡献，这与传统假设相反。
• 当使用窄波束照射反射体时，NLOS分量的信息增益最大，从而提升角度分辨率。
• 每个NLOS分量的Fisher信息贡献由一个秩一矩阵表示，其唯一非零特征值由方程（63）给出。
• 定位与姿态敏感性的主导方向由方程（64）中的特征向量捕获，其取决于到达角与路径损耗。
• NLOS分量的总信息增益与信号功率、波束指向性及几何距离项的乘积成正比。
• 数值结果表明，NLOS分量可显著提升估计精度，尤其在具有丰富散射的密集城市或室内环境中。