[论文解读] Single-Anchor Two-Way Localization Bounds for 5G mmWave Systems: Two Protocols.

Zohair Abu‐Shaban, Henk Wymeersch+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2018

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出两种无需同步的双向定位协议——分布式定位协议（DLP）和集中式定位协议（CLP）——用于5G毫米波系统，利用波束成形实现厘米级精度，且无需严格的时间同步。CLP显著优于DLP，其定位精度主要受限于角度估计而非时间同步，且在基站阵列增加时受益更多。

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.

研究动机与目标

• 解决在真实5G毫米波系统中实现高精度定位时，严格时间同步不切实际的问题。
• 提出两种双向定位协议，消除用户设备（UE）与基站（BS）之间对精确时间同步的需求。
• 在真实毫米波系统参数下，比较分布式（DLP）与集中式（CLP）定位协议的性能。
• 分析波束成形和阵列尺寸对毫米波定位中位置与姿态误差界限的影响。

提出的方法

• 提出一种分布式定位协议（DLP），其中UE与BS在两轮中交换信号，且仅使用第二轮信号进行定位计算。
• 提出一种集中式定位协议（CLP），其中两轮信号在中央处理器处联合使用以进行定位估计。
• 利用统计信号处理和波束成形增益模型，推导位置误差界限（PEB）与姿态误差界限（OEB）。
• 通过在UE和BS均采用定向波束成形的模型，对毫米波信道进行建模，以反映真实5G系统行为。
• 使用真实系统参数，包括毫米波载波频率、带宽和阵元配置，评估性能。
• 将推导出的界限与传统单向定位进行比较，以评估双向协议带来的增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在毫米波5G系统中，缺乏严格时间同步对定位精度有何影响？
• RQ2 在位置与姿态误差界限方面，DLP与CLP的性能差异如何？
• RQ3 毫米波定位在多大程度上受限于角度估计误差而非时间误差？
• RQ4 基站与用户设备的天线数量如何影响定位精度？
• RQ5 在两端均采用波束成形是否能显著提升双向协议中的定位性能？

主要发现

• 在真实系统条件下，毫米波定位主要受限于角度估计误差而非时间估计误差。
• 集中式定位协议（CLP）在位置与姿态误差界限方面显著优于分布式定位协议（DLP）。
• 增加基站的天线数量所带来的定位精度增益，大于增加用户设备天线数量所带来的增益。
• 双向定位协议消除了对严格时间同步的需求，使其在真实5G部署中更具实用性。
• 在基站和用户设备两端均采用波束成形，是实现毫米波系统厘米级定位精度的关键。
• 推导出的PEB与OEB提供了理论极限，可为未来毫米波定位系统的系统设计与天线分配提供指导。