Location-awareness is becoming essential feature of various wireless communication networks for security, logistic, disaster response and emergency relief. As a rapidly increasing number of location-based applications, industry and academia focus on the capability to provide positioning without external localization systems, e.g., Global Positioning System (GPS) and without a dedicated bandwidth for localization. Wireless network localization has been paid attention as a promising solution to provide the reliable location information specially in GPS-denied environments such as indoor or dense urban canyon. In wireless network localization, base stations (BSs) transmit/receive the data to/from the mobile stations (MSs), while simultaneously serving as anchor nodes for locating the MSs. The signal processing operations in wireless networks have been traditionally designed and standardized for communication-based performance criteria. For location-aware wireless networks, it is hence required to revisit the conventional system design to accommodate also the localization requirements. Moreover, the localization accuracy can be severely degraded by unpredictable variations due to fading, multipath, synchronization errors, or parameter uncertainty, which should be considered in system design for wireless network localization. Especially for the centralized localization systems, where a control unit (CU) performs the localization with cloud processing, we should be aware of the finite-capacity links connected to the CU which might lead to the loss of the signal involving the positioning information and accordingly the deterioration of the localization performance.
The goal of this dissertation is to develop the joint optimization framework for communication and localization in cloud-based wireless network, whereby all the baseband processing is mitigated from the BSs to a CU, and thus the role of BSs is reduced to that of radio units (RUs). In particular, we study the transmit beamforming design for the RUs in downlink, whose aim is to provide both data communication and positioning functionalities to the MSs while minimizing the total power expenditure of the RUs. The analysis covers both frequency-flat and frequency-selective channels according to the synchronization condition, and accounts also for the parameter uncertainty at the CU via robust or worst-case optimization problem. In uplink, we explore the positioning with the finite-capacity links connecting between the RUs, or more generally wireless sensors, and the CU, or fusion center, which is dealt with by means of a Cloud Radio Access Network (C-RAN). The problem of optimizing the quantization/compression used at the RUs is formulated so as to maximize the localization accuracy in the presence of the parameter uncertainty at the CU.
측위 기술은 현재 이동 통신 시장에서 가장 활발하게 논의되고 있는 차세대 기술 분야 중의 하나로서 상업적, 군사적, 긴급 및 재난 통신 분야에서 각광을 받고 있는 추세이다. 특히나, 도심 건물 밀집 지역 또는 실내와 같은 GPS 음영 지역에서의 정확한 위치 추정 기술이 요구되고 있는 실정이다. 이를 위해, GPS 음영지역에서의 위치 추정 기술로써, 무선 통신 네트워크 기반의 측위 기술이 대두되고 있다. 전파를 이용하여 위치 추정을 수행하는 무선 측위 기술은 이동 통신 기지국이 위치 추정의 기준점이 되어 이동 통신 단말기들의 위치를 측정하게 된다. 무선 통신 시스템을 위한 신호 처리 관련 기존 연구 및 표준은 데이터 통신 서비스에 집중하여 발전되어 왔다. 하지만, 최근 스마트 폰의 급증 및 측위 서비스를 포함한 다양한 무선 통신 서비스 지원에 대한 수요가 증대함에 따라, 급격한 모바일 트래픽의 증가가 발생하였고, 한정적인 스펙트럼 자원의 효율적인 활용이 절실해졌다. 이에 따라, 무선 측위 기술 관련 연구 및 제안 기술들이 통신과 위치 추정 서비스를 동시에 고려하는 방향으로 변화하고 있는 추세이다. 또한, 무선 측위 기술의 위치 정확도 성능은 페이딩, 다중 경로, 비가시선, 동기 오차 및 추정 파라미터 오차 등에 민감하므로, 언급된 환경 변수들에 유의하여 시스템이 설계되어야 한다. 특히나 중앙 제어 장치를 통하여 이동 단말의 위치를 추정하는 중앙 집중형 위치 추정 기술의 경우, 노드 및 제어 장치 간 링크의 유한한 캐패시티로 인해, 제어 장치로의 정보 전달 시 데이터 손실이 발생하게 되고, 이로 인한 성능 저하 현상이 일어나게 된다. 따라서, 이에 대한 고려도 설계 시 함께 이뤄져야 할 것이다.
본 논문은 테러, 가스 유출 등의 대규모 사회 사건 및 자연 재해로 인한 긴급 상황 대비 재난 통신과 GPS 위성 및 광역 위치추적 시스템의 성능 저하가 발생하는 실내 및 도심 지역과 같은 GPS 음영 지역을 위한 무선 측위 시스템 설계를 목표로 한다. 이를 위해, 클라우드 기반의 무선 네트워크 시스템에서 통신과 위치 추정을 통합적으로 고려하여 최적화 문제를 풀고자 하였다.
2장에서는, 다운링크 시 데이터 통신 및 위치 추정 서비스를 동시 지원하는 다중 사용자 시스템에서 기지국의 전력 소모를 최소화하는 빔포밍 기법을 연구하였다. 이를 위해, 기지국과 사용자 간의 클락 동기화 여부에 따라 Time of arrival (TOA) 및 Time difference of arrival (TDOA) 기반 위치 추정을 고려하였다. 또한 주파수 비선택적 페이딩과 주파수 선택적 페이딩을 고려하여 통신 환경에 따른 최적 빔포밍 설계를 제안하였고, 전파 간섭에 의한 불안전성 및 통신 잡음으로 인해 발생하는 파라미터의 불확실성을 고려하여 Robust 빔포밍 기법을 설계하였다. 제안된 알고리즘은 Rank relaxation 및 Difference of convex (DC) 프로그래밍 기법에 기반하였다. 전파 간섭에 의한 불안전성, 시간 동기 등과 같은 문제를 다양한 채널 환경과 함께 고려하여 제안 기술을 설계함으로써, 실제 이동 통신 시스템에서 두 서비스의 동시 지원 가능성을 최대화하였다.
3장에서는, 업링크 시 기지국과 중앙 제어 장치 간의 한정된 캐패시티 링크를 통한 fronthaul 통신을 기반으로 위치 추정을 수행하는 클라우드 라디오 포지셔닝(Cloud Radio Positioning) 시스템을 제안하고, 단말의 위치 추정 정확도를 최대화하는 기지국의 최적 fronthaul quantization/compression 기법을 연구하였다. 제안된 클라우드 라디오 포지셔닝 시스템은 기지국과 중앙 제어 장치 간 한정된 캐패시티 링크 문제를 해결하기 위해 클라우드 무선 접속 망 (Cloud Radio Access Networks: C-RANs)의 원리를 적용한 위치 추정 기술이다. 한정된 fronthaul 링크를 통한 기지국의 신호 전송을 위해, 단말로부터 전송된 신호를 각 기지국이 수신하고 압축하여 제어 장치에게 전달한다. 제어 장치는 전달된 압축 신호를 바탕으로, 최종적으로 단말의 위치를 결정한다. Scalar quantization 기법에 기반한 이전의 연구들과 다르게, vector quantization 기법을 기반하여 위치 추정 성능 향상을 도모하였고, 정보 이론적 해석을 도출하였다. 또한 한정된 fronthaul 링크 환경 아래, 불안전성 및 통신 잡음으로 발생된 파라미터의 불확실성을 고려하여 최적의 robust quantization 기법을 설계하였다. 이로써, 실제 위치 기반 어플리케이션에서, 제안 기술의 구현 가능성 및 응용 가치를 최대화하였다.
본 논문에서 무선 측위 시스템을 위해 제안된 다운링크 및 업링크 환경에서의 통신 및 위치 추정 통합 최적화 기술들은 실제 통신 및 측위 환경에서 성능 저하를 일으키는 변수들을 고려하여 설계되었고, 이를 통해 다양한 통신 환경 및 형태의 차세대 위치 기반 서비스를 지원하고자 노력하였다.
