[논문 리뷰] Adaptive Beamforming Design for mmWave RIS-Aided Joint Localization and Communication

Jiguang He, Henk Wymeersch외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 07.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 계층적 코드북과 제한된 피드백을 활용한 mmWave RIS 보조 공동 위치 결정 및 통신을 위한 적응형 beamforming 설계를 제안한다. 이는 활성 RIS 요소나 복잡한 베이스밴드 처리 없이도 높은 정밀도의 위치 결정과 데이터 전송률을 가능하게 한다. 이 설계는 낮은 신호 대 잡음비(SNR)에서도 훨씬 감소된 학습 오버헤드로 완전 탐색과 유사한 성능을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차단된 직시선(LoS) 링크를 가진 mmWave 시스템에서 정확한 위치 결정과 고속도 통신을 해결하기 위해.
• 활성 센서나 베이스밴드 처리 없이도 저복잡도의 수동 RIS 위상 시프터 구성 설계를 위해.
• 이동국에서의 계층적 코드북과 제한된 피드백을 활용하여 위치 결정 및 통신을 최적화하는 beamforming을 위해.
• 무작위 및 완전 탐색 기반 설계와 비교하여 위치 결정 정확도, 방향 오차, 실현 가능한 데이터 전송률 향상을 평가하기 위해.
• 최소한의 학습 오버헤드로 낮은 신호 대 잡음비 영역에서도 최적 성능로 수렴함을 입증하기 위해.

제안 방법

• RIS와 이동국(MS) 양측에 계층적 아날로그 코드북을 활용하여 효율적인 beam 선택을 가능하게 한다.
• 이동국에서 RIS 컨트롤러로 최적의 beam 인덱스를 알리는 제한된 피드백을 활용하여 신호 전송 오버헤드를 감소시킨다.
• 압축 감지 및 채널 파rameter 추정 기법을 적용하여 수신 신호로부터 도래각(AoA), 발신각(AoD), 도착시간(ToA)을 추정한다.
• 다중 RF 체인을 사용하는 하이브리드 아날로그-디지털 복합 기법을 이동국에서 적용하여 beam 정렬을 정밀하게 한다.
• 채널 파rameter 추정 결과를 바탕으로 RIS 위상 시프터를 최적화하여 beam의 직접성과 신호 강도를 향상시킨다.
• 이중 환류 반사 모델을 사용한다: 기지국(BS) → RIS → 이동국(MS). RIS는 수동 반사체로 기능하여 직시선 유사 링크를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 계층적 코드북은 제한된 피드백으로도 RIS 보조 mmWave 시스템에서 효율적인 beam 선택을 가능하게 하는가?
• RQ2 제안된 적응형 beamforming 설계는 위치 결정 정확도와 데이터 전송률 측면에서 무작위 위상 시프터와 비교해 어떻게 성능을 냅니까?
• RQ3 특히 낮은 신호 대 잡음비 조건에서, 제안된 설계의 성능이 완전 탐색에 얼마나 수렴하는가?
• RQ4 RIS 위상 시프터 설계는 공동 위치 결정 및 통신 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 베이스밴드 처리나 활성 센서 없이도 수동 RIS 요소가 활성 시스템과 유사한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 설계는 낮은 신호 대 잡음비 수준에서도 완전 탐색 방법과 1 dB 이내의 위치 결정 및 방향 오차 성능을 달성한다.
• 계층적 코드북 기반 beamforming의 실현 가능한 전송률은 고신호 대 잡음비에서 완전 탐색과 거의 동일하며, 미미한 격차만 존재한다.
• 제안된 설계의 학습 오버헤드는 완전 탐색의 2048 슬롯 대비 12 슬롯으로 감소하였다.
• 무작위 위상 시프터 설계는 모든 지표에서 가장 열 劣하며, RIS 위상 최적화가 위치 결정 및 통신 모두에 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인한다.
• 이동국에서의 beam 패턴은 다중 RF 체인 덕분에 RIS에서의 패턴보다 뛰어나며, beam 해상도와 신호 이득을 향상시킨다.
• 이론적 크래머-라오 하한(CRLB)은 완전 탐색 성능과 일치하여 추정 프레임워크의 정확성을 검증한다.