[논문 리뷰] RIS-ADMM: A RIS and ADMM-Based Passive and Sparse Sensing Method With Interference Removal

Chen Peng, Zhimin Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 25.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능 지능형 표 superfice(RIS)를 사용하여 무선 액세스 포인트(AP) 간섭이 존재하는 환경에서 수동 방향도(DoA) 추정을 위한 ADMM 기반 알고리즘인 RIS-ADMM을 제안한다. 원자 범수 최소화(ANM) 문제를 수립하고 폐쇄형 해를 도출함으로써, RIS-ADMM는 정수형 프로그래밍(SDP) 및 기타 기준 방법에 비해 훨씬 낮은 계산 복잡도로 우수한 DoA 추정 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) emerge as promising technologies in future radar and wireless communication domains. This letter addresses the passive sensing issue utilizing wireless communication signals and RIS amidst interference from wireless access points (APs). We introduce an atomic norm minimization (ANM) approach to leverage spatial domain target sparsity and estimate the direction of arrival (DOA). However, the conventional semidefinite programming (SDP)-based solutions for the ANM problem are complex and lack efficient realization. Consequently, we propose a RIS-ADMM method, an innovative alternating direction method of multipliers (ADMM)-based iterative approach. This method yields closed-form expressions and effectively suppresses interference signals. Simulation outcomes affirm that our RIS-ADMM method surpasses existing techniques in DOA estimation accuracy while maintaining low computational complexity. The code for the proposed method is available online \url{https://github.com/chenpengseu/RIS-ADMM.git}.

연구 동기 및 목표

• 무선 액세스 포인트(AP) 간섭으로 인해 손상된 RIS 보조 수동 센싱 시스템에서 DoA 추정 문제를 해결한다.
• 기존의 정수형 프로그래밍(SDP) 기반 원자 범수 최소화(ANM) 방법의 높은 계산 복잡도를 극복한다.
• 단일 수신 안테나만을 사용하는 수동 센싱의 실시간 구현을 가능하게 하는 효율적이고 반복적인 알고리즘을 개발한다.
• 다중 목표물의 도착 방향(DoA)을 정확히 추정하면서도 AP의 간섭 신호를 억제한다.

제안 방법

• 목표물의 공간 도메인에서의 희박성을 활용하기 위해 DoA 추정 문제를 원자 범수 최소화(ANM) 최적화 문제로 수식화한다.
• 계산 비용이 높은 SDP를 폐쇄형 해로 대체하기 위해 ADMM 기반 반복 알고리즘(RIS-ADMM)을 도입하여 ANM 문제를 해결한다.
• 신호 벡터, 간섭 계수, 보조 변수의 모든 ADMM 하위 문제에 대해 분석적 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 구조화된 최적화 프레임워크를 통해 목표물의 DoA와 AP 간섭 신호를 동시에 추정함으로써 간섭 억제를 구현한다.
• 다양한 시간 슬롯 동안 반사 신호의 위상 시프트를 동적으로 조절함으로써 RIS를 활용해 공간 multiplexing와 희박한 신호 복구를 가능하게 한다.
• 성능와 계산 비용의 균형을 맞추기 위해 반복 횟수를 고정(100회)으로 설정하여 근사 최적 성능를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ADMM 기반 방법이 SDP 기반 ANM에 비해 유사한 DoA 추정 정확도를 달성하면서도 계산 복잡도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 기존 방법인 FFT, OMP 및 ℓ₁-노름 최소화와 비교할 때, 제안된 RIS-ADMM 방법은 강한 AP 간섭 환경에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 RIS 요소 수와 측정 횟수의 변화가 제안된 프레임워크 내 DoA 추정 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 RIS 기반 센싱에서 ANM 문제에 대해 폐쇄형 ADMM 업데이트를 도출할 수 있는가? 이는 효율적인 하드웨어 구현을 가능하게 하는가?
• RQ5 제안된 방법은 FFT 및 OMP와 같은 격자 기반 방법에서 흔히 발생하는 오프그리드 오차를 피할 수 있는가?

주요 결과

• RIS-ADMM 방법은 SDP 기반 ANM 방법과 유사한 DoA 추정 성능을 달성하며, 100회 반복 후 SNR = 20 dB에서 루트 평균 제곱 오차(RMSE)가 약 0.15° 수준이다.
• 제안된 방법은 계산 시간을 0.202초로 줄여 SDP 방법(2.378초)의 10% 미만으로 감소시켜 실시간 응용에 적합하다.
• RIS 요소 수와 측정 슬롯 수가 증가할수록 성능이 향상되며, SNR = 20 dB에서 M=32일 경우 약 0.3°에서 M=64일 경우 약 0.15°로 RMSE가 감소한다.
• 고 SNR 영역에서 FFT, OMP 및 ℓ₁-노름 최소화보다 우수한 성능를 보이며, 연속적 ANM 수식 덕분에 오프그리드 오차를 피한다.
• 100회 이상의 반복 수를 늘여도 수익 감소 현상이 나타나므로, 실용적 응용을 위해 100회 이내에서 수렴함을 시사한다.
• 간섭에 대해 강건성을 유지하며, AP 신호를 효과적으로 억제하면서도 목표물의 DoA 추정 정확도를 유지한다.