[論文レビュー] Adaptive Beamforming Design for mmWave RIS-Aided Joint Localization and Communication

Jiguang He, Henk Wymeersch+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、階層的コードブックと限定的フィードバックを用いたmmWave RIS支援連合定位・通信のための適応型ビームフォーミング設計を提案する。これにより、アクティブなRIS素子や複雑なベースバンド処理を必要とせず、高い精度の位置決めとデータレートを実現する。この手法は、低SNRでも訓練オーバーヘッドを著しく削減しながら、全探索とほぼ同等の性能を達成する。

ABSTRACT

The concept of reconfigurable intelligent surface (RIS) has been proposed to change the propagation of electromagnetic waves, e.g., reflection, diffraction, and refraction. To accomplish this goal, the phase values of the discrete RIS units need to be optimized. In this paper, we consider RIS-aided millimeter-wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) systems for both accurate positioning and high data-rate transmission. We propose an adaptive phase shifter design based on hierarchical codebooks and feedback from the mobile station (MS). The benefit of the scheme lies in that the RIS does not require deployment of any active sensors and baseband processing units. During the update process of phase shifters, the combining vector at the MS is also sequentially refined. Simulation results show the performance improvement of the proposed algorithm over the random design scheme, in terms of both positioning accuracy and data rate. Moreover, the performance converges to exhaustive search scheme even in the low signal-to-noise ratio regime.

研究の動機と目的

• LoSリンクが遮断されたmmWaveシステムにおける正確な位置決めと高レート通信の課題に対処すること。
• アクティブセンサーやベースバンド処理を必要としない、低複雑度のパッシブRIS位相シフタ構成を設計すること。
• 移動局からの階層的コードブックと限定的フィードバックを活用し、定位と通信の両方のビームフォーミングを最適化すること。
• ランダムおよび全探索方式と比較して、位置決め精度、姿勢誤差、実現可能なデータレートにおける性能向上を評価すること。
• 最小限の訓練オーバーヘッドで、低SNR領域においても最適性能に収束することを示すこと。

提案手法

• RISおよび移動局（MS）の両方で階層的アナログコードブックを活用し、効率的なビーム選択を実現する。
• MSからRISコントローラへの限定的フィードバックを用いて最適ビームインデックスを示し、信号伝送オーバーヘッドを低減する。
• 圧縮センシングとチャネルパrameter推定技術を適用し、受信信号からAoA、AoD、ToAを推定する。
• 複数のRFチェーンを用いたハイブリッドアナログデジタルコンビニングをMSで実装し、ビームアライメントを精緻化する。
• 推定されたチャネルパラメータに基づいてRISの位相シフトを最適化し、ビームの指向性と信号強度を向上させる。
• 2ホップ反射モデル（BS → RIS → MS）を採用し、RISをパッシブリフレクタとして機能させ、LoSに類似したリンクを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 階層的コードブックは、限定的フィードバックで最小限のオーバーヘッドでRIS支援mmWaveシステムにおける効率的なビーム選択を可能にするか？
• RQ2 提案された適応型ビームフォーミング設計は、ランダム位相シフタと比較して、位置決め精度とデータレートにおいてどの程度優れるか？
• RQ3 特に低SNR条件下において、提案手法の性能が全探索にどの程度近づくか？
• RQ4 RIS位相シフタ設計の性能に及ぼす影響は何か？
• RQ5 ベースバンド処理やアクティブセンサーを必要としないパッシブRIS素子は、アクティブシステムと同等の性能を達成できるか？

主な発見

• 提案手法は、低SNRレベルでも全探索法と比較して1 dB以内の位置決め誤差および姿勢誤差を達成する。
• 階層的コードブックに基づくビームフォーミングの実現レートは、全探索法とほぼ同一であり、高SNRではわずかな差異にとどまる。
• 提案手法の訓練オーバーヘッドは12タイムスロットにまで削減されたが、全探索法では2048、ランダム位相シフタ＋フィードバックでは32に上る。
• ランダム位相シフタ方式は全指標において最も悪い性能を示し、RIS位相最適化が定位および通信両面で極めて重要であることが確認された。
• MSにおけるビームパターンは、複数のRFチェーンのおかげでRISにおけるものよりも優れており、ビーム分解能と信号増幅を向上させる。
• 理論的Cramér-Rao下界（CRLB）は全探索性能と整合しており、推定フレームワークの正確性が裏付けられた。