[논문 리뷰] Multi-RIS Discrete-Phase Encoding for Interpath-Interference-Free Channel Estimation

Kamran Keykhosravi, Henk Wymeersch|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 13.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 유한 해상도의 위상 이격기와 호환되는 버슨 유형 히트만드 행렬을 사용한 이산 위상 인코딩 방식을 제안하여 다중 재구성 가능 지능형 표 superfice(RIS) 시스템에서 상호 경로 간섭 없는 채널 추정을 가능하게 한다. 유한 해상도 위상 이격기를 고려한 각 RIS의 위상 프로파일을 정규직교로 설계함으로써, 각 RIS의 채널을 별도로 추정할 수 있으며, 한 비트 위상 해상도 조건에서도 크래머-라오 하한(CRLB)을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are one of the foremost technological enablers of future wireless systems. They improve communication and localization by providing a strong non-line-of-sight path to the receiver. In this paper, we propose a pilot transmission method to enable the receiver to separate signals arriving from different RISs and from the uncontrolled multipath. This facilitates channel estimation and localization, as the channel or its geometric parameters can be estimated for each path separately. Our method is based on designing temporal phase profiles that are orthogonal across RISs without affecting the RIS beamforming capabilities. We take into consideration the limited resolution of the RIS phase shifters and show that in the presence of this practical limitation, orthogonal phase profiles can be designed based on Butson-type Hadamard matrices. For a localization scenario, we show that with our proposed method the estimator can attain the theoretical lower bound even with one-bit RIS phase resolution.

연구 동기 및 목표

• 수신기에서 서로 다른 RIS의 신호와 직접 경로 신호를 구분할 수 없는 다중 RIS 시스템에서 상호 경로 간섭 문제를 해결한다.
• 개별 RIS 및 제어되지 않은 다중 경로 신호를 분리함으로써 정확한 채널 추정 및 위치 추정을 가능하게 한다.
• 실제 유한 해상도 위상 이격기와 호환되는 다수의 RIS에 대한 정규직교 위상 프로파일을 설계한다.
• 위상 양자화 제약 조건 하에서도 정규직교성을 유지하면서 피LOT 전송 횟수(P)를 최소화한다.
• 제안된 방법을 통해 한 비트 RIS 위상 해상도 조건에서도 이론적 크래머-라오 하한(CRLB)을 달성할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• RIS 위상 프로파일을 저속 변화하는 beamforming 성분과 고속 변화하는 정규직교 피LOT 성분으로 분해한다.
• K개의 RIS 간 정규직교 피LOT 시퀀스를 확보하기 위해 버슨 유형 히트만드(BH) 행렬을 사용한다.
• 피LOT 시퀀스를 R수준 위상 해상도에 대한 집합 𝕋_R = {e^{j2πr/R}}의 원소로 구성된 BH 행렬의 행으로 구성한다.
• 정규직교 피LOT 시퀀스가 주 신호의 비음향 성능을 떨어뜨리지 않도록 보장한다.
• 유한 RIS 해상도 조건 하에서도 정규직교성을 유지하는 최소한의 피LOT 시퀀스 길이 P를 찾는 문제를 수립한다.
• BH 행렬의 성질과 조합 제약 조건(예: R=2일 경우 4의 배수)을 활용하여 주어진 K와 R에 대해 최소 P를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한 위상 해상도 조건 하에서도 다수의 RIS에 대해 정규직교 피LOT 시퀀스를 설계하여 간섭 없는 채널 추정을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 정규직교성과 RIS 하드웨어 제약 조건을 유지하면서 피LOT 시퀀스 길이 P를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ3 위상 양자화는 추정 성능에 얼마나 영향을 미치며, 적절한 시퀀스 설계로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법을 통해 한 비트 RIS 위상 이격기를 사용할 때도 위치 추정의 크래머-라오 하한(CRLB)을 달성할 수 있는가?
• RQ5 완전한 상호 경로 간섭 제거를 달성하기 위한 시퀀스 길이 P와 위상 해상도 R에 대한 필수 및 충분 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 한 비트 RIS 위상 해상도 조건에서도 크래머-라오 하한(CRLB)을 달성하여 최적의 추정 성능을 보여준다.
• R=2(한 비트 해상도)일 경우, BH 행렬 기반 정규직교 시퀀스를 활용하여 완전한 상호 경로 간섭 제거를 보장한다.
• 피LOT 설계 시 유한 위상 해상도를 忽시할 경우, 특히 R이 낮을수록 정규직교성 상실로 인해 성능이 심각하게 저하된다.
• 최소 피LOT 시퀀스 길이 P는 P ≥ K+1 이며, R=2일 경우 대칭성 및 정규직교 제약 조건에 따라 반드시 4의 배수여야 한다.
• BH 행렬의 사용은 위상 양자화에 강건하고 비음향 성능을 유지하는 정규직교 시퀀스의 구축을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 위상 해상도를 忽시하는 기준 방법보다 우수한 성능을 보이며, 특히 저해상도 환경(R=2,4)에서 두드러진다.