[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface Aided Wireless Localization

Yiming Liu, Erwu Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 비선형 시야(NLoS) 환경에서 정밀한 위치 추정을 향상시키기 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 무선 위치 측정 시스템을 제안한다. 3차원 RIS 보조 채널을 모델링하고 Cramér-Rao 하한(CRLB)을 유도함으로써, 교차 최적화 및 경사 하강법을 통한 반사 beamforming 최적화를 수립하여 대규모 RIS 어레이를 사용할 경우 디셈터 또는 심지어 센티미터 수준의 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

The advantages of millimeter-wave and large antenna arrays technologies for accurate wireless localization received extensive attentions recently. However, how to further improve the accuracy of wireless localization, even in the case of obstructed line-of-sight, is largely undiscovered. In this paper, the reconfigurable intelligent surface (RIS) is introduced into the system to make the positioning more accurate. First, we establish the three-dimensional RIS-assisted wireless localization channel model. After that, we derive the Fisher information matrix and the Cramer-Rao lower bound for evaluating the estimation of absolute mobile station position. Finally, we propose an alternative optimization method and a gradient decent method to optimize the reflect beamforming, which aims to minimize the Cramer-Rao lower bound to obtain a more accurate estimation. Our results show that the proposed methods significantly improve the accuracy of positioning, and decimeter-level or even centimeter-level positioning can be achieved by utilizing the RIS with a large number of reflecting elements.

연구 동기 및 목표

• 직접적인 신호 경로가 차단된 비선형 시야(NLoS) 환경에서 정확한 무선 위치 측정을 해결하기 위해.
• 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 수동 반사체로 활용하여 추가적인 신호 경로를 생성하고 위치 측정 해상도를 향상시키기 위해.
• 3차원 RIS 보조 시스템에서 절대 이동국(MS) 위치 추정을 위한 피셔 정보 행렬과 Cramér-Rao 하한(CRLB)을 유도하기 위해.
• CRLB를 최소화하고 따라서 위치 측정 정확도를 향상시키기 위해 반사 beamforming 설계를 위한 전략을 수립하기 위해.
• 대규모 RIS 어레이를 갖춘 RIS가 디셈터 또는 심지어 센티미터 수준의 위치 측정 정밀도를 달성할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 기지국(BS), 이동국(MS), 그리고 N개의 반사 요소를 갖춘 RIS를 포함하는 3차원 RIS 보조 무선 위치 측정 시스템 모델을 개발한다.
• 직접 경로와 반사 경로를 모두 고려하여 MS의 절대 3차원 위치 추정을 위한 피셔 정보 행렬(FIM)과 Cramér-Rao 하한(CRLB)을 유도한다.
• RIS 응답을 FIM에서 분리하여 해석 가능한 beamforming 최적화를 가능하게 하며, 위상 이동을 설계 변수로 간주한다.
• RIS 반사 계수를 공동 최적화하여 CRLB를 최소화하기 위해 교차 최적화 방법과 경사 하강법을 제안한다.
• 채널 상태 정보(CSI)와 BS, RIS, MS 간의 기하학적 관계를 활용하여 도래각(AoA), 발신각(AoD) 및 MS 위치에 대한 도함수를 계산한다.
• 복소수 신호 모델을 활용하고, MS 좌표에 대한 각도 및 이득의 편미분을 유도하여 경사 기반 최적화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS는 비선형 시야 환경에서 무선 위치 측정 정밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RIS 배치 및 beamforming 설계에 따라 피셔 정보 행렬과 Cramér-Rao 하한(CRLB)은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 어떤 반사 beamforming 전략이 CRLB를 최소화하고 RIS 보조 시스템의 위치 측정 정밀도를 향상시키는가?
• RQ4 대규모 반사 요소를 갖춘 RIS가 센티미터 수준의 위치 측정 정밀도를 얼마나 높일 수 있는가?
• RQ5 기하학적 매개변수(예: RIS 위치, MS 위치)는 위치 측정 성능 하한에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 RIS 보조 시스템은 대규모 RIS 어레이를 사용할 경우 디셈터 수준 또는 심지어 센티미터 수준의 위치 측정 정밀도를 달성한다.
• 최적화된 반사 beamforming을 통해 MS 위치 추정에 대한 Cramér-Rao 하한(CRLB)이 크게 감소한다.
• 교차 최적화 및 경사 하강법이 CRLB를 효과적으로 최소화하며 고정밀도 해에 수렴하는 것을 입증한다.
• RIS의 포함으로 추가적인 신호 경로가 제공되어 직접 선형 시야가 차단된 경우에도 위치 측정이 가능해진다.
• MS 위치에 대한 AoA 및 AoD 도함수를 해석적으로 유도하여 최적화 과정에서 기울기를 계산하는 데 사용된다.
• RIS 반사 요소의 수가 증가할수록 시스템 성능이 향상되어 RIS beamforming 설계의 확장성을 확인한다.