[論文レビュー] RIS-Aided Near-Field Localization and Channel Estimation for the Sub-Terahertz System

Yijin Pan, Cunhua Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2022

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知的表面（RIS）を備えたサブテラヘルツシステムにおける、近接領域における共同チャネル推定および局所化（NF-JCEL）アルゴリズムを提案する。球面波面をモデル化するために2次フェルマー近似を活用し、ダウンサンプリングされたトーペリッツ共分散行列を用いて端末装置の距離と電波入射角（AoA）を分離することで、低複雑性かつ高分解能の3次元局所化と正確なチャネル推定を実現する。超大規模なRISパネルを有する近接領域シナリオにおいて、従来の遠方近似アルゴリズムを著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

The low hardware cost makes ultra-large (XL) reconfigurable intelligent surface (RIS) an attractive solution for the performance enhancement of localization and communication systems, but it results in near-field propagation channels, especially for the high-frequency communication systems, e.g. mmWave and sub-terahertz (subTHz) systems. This makes localization and channel estimation in the near field of the RIS-aided subTHz system more challenging. In this paper, we consider the spherical wavefront propagation in the near field of the subTHz system with the assistance of a RIS. A near-field channel estimation and localization (NF-JCEL) algorithm is proposed based on the derived second-order Fresnel approximation of the near-field channel model. To be specific, we first decouple the user equipment (UE) distances and angles of arrival (AoAs) through a down-sampled Toeplitz covariance matrix, so that the vertical and azimuth AoAs in the array steering vectors can be estimated separately with low complexities. Then, the UE distance can be estimated by the simple one-dimensional search, and the channel attenuation coefficients are obtained through the orthogonal matching pursuit (OMP) method. Simulation results validate the superiority of the proposed NF-JCEL algorithm to the conventional far-field algorithm, and show that higher resolution accuracy can be obtained by the proposed algorithm.

研究の動機と目的

• 超大規模なRISパネルが近接領域効果を引き起こすサブテラヘルツシステムにおける高精度局所化の課題に対処すること。
• 平面波面を仮定する従来の遠方近似チャネルモデルの限界を克服し、大規模なRISパネルを有する近接領域条件下で不適切となる問題を解消すること。
• 近接領域サブTHzシステムにおける球面波面伝搬を想定した、低複雑性かつ高分解能の共同チャネル推定および局所化アルゴリズムを開発すること。
• 近接領域において、ユーザー端末の距離と入射角（AoA）を正確に推定することで、1枚のRISパネルでの3次元局所化を可能にすること。
• 構造的共分散と直交一致追跡（OMP）を活用することで、パイロットオーバーヘッドを最小限に抑えつつ、高い推定精度を維持すること。

提案手法

• RISからユーザー端末への球面波面伝搬を正確に表現するため、近接領域チャネルモデルの2次フェルマー近似を導出する。
• ユーザー端末の距離と入射角（AoA）を分離するために、ダウンサンプリングされたトーペリッツ共分散行列を構築し、垂直および水平方向のAoAを別々に推定することで、計算複雑度を低減する。
• RIS素子間の近接領域位相差を活用して、推定された共分散行列上で1次元探索によりユーザー端末の距離を推定する。
• チャネルが角度領域でスパースであることに着目し、直交一致追跡（OMP）を用いてチャネル減衰係数を再構築する。
• RIS位相シフトトレーニングシーケンスを用いてパイロット信号を収集し、近接領域モデル下での完全なチャネル状態情報（CSI）を推定する。
• 球面波面に起因する空間的および距離依存位相シフトを活用した、距離とAoA推定を統合した共同フレームワークを構築する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サブTHzシステムにおける超大規模RISパネルが引き起こす近接領域効果の下で、従来の遠方近似局所化アルゴリズムの性能はどの程度劣化するか？
• RQ2 2次フェルマー近似は、RISを支援するサブTHzシステムにおける近接領域チャネルモデリングの精度をどの程度向上できるか？
• RQ3 近接領域シナリオにおいて、ユーザー端末の距離とAoAの共同推定を効果的に分離することで、計算複雑度を低減できるか？
• RQ4 球面波面を考慮した場合、RISのサイズとユーザー端末数（UE数）は、局所化およびチャネル推定の精度にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 RISトレーニング位相シフトベクトルの数を増加させると、提案アルゴリズムの分解能および耐障害性はどの程度向上するか？

主な発見

• 提案されたNF-JCELアルゴリズムは、特に近接領域条件下において、従来の遠方近似アルゴリズムに比べて局所化およびチャネル推定における平均二乗誤差（RMSE）が著しく低減される。
• 局所化の合計RMSEはUE数の増加に伴い上昇するが、正確な近接領域モデリングと効果的なAoA分離により、提案アルゴリズムは優れた性能を維持する。
• 提案アルゴリズムのRMSEは送信電力の増加に伴い低下するが、遠方近似アルゴリズムは改善を示さないため、近接領域アルゴリズムは強い信号から恩恵を受ける。
• UEがRISから離れるに従い、近接領域効果が弱まるため、提案アルゴリズムと遠方近似アルゴリズムの性能差は縮小する。
• RISトレーニング位相シフトベクトルの数を120個まで増加させると、提案アルゴリズムのRMSEは急激に改善するが、以降は利得が減少する。一方、遠方近似アルゴリズムは影響を受けない。
• 提案手法により、1枚のRISパネルでユーザー距離とAoAを正確に推定することで、3次元局所化を実現可能となる。これは従来の遠方近似モデルでは実現不可能な能力である。