[논문 리뷰] RIS-aided Joint Localization and Synchronization with a Single-Antenna Receiver: Beamforming Design and Low-Complexity Estimation

Alessio Fascista, Musa Furkan Keskin외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 28.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 62인용 수 102

한 줄 요약

이 논문은 단일 안테나 사용자 장비(UE)를 사용한 RIS 보조 정위치 및 동기화를 위한 저복잡도 동시 beamforming 설계 및 최대우도추정법을 제안한다. 기지국(BS)의 전방향성 및 RIS의 위상 프로파일을 최적화하여 위치 오차 한계(PEB)를 최소화함으로써, 낮은 신호대역비(SNR) 및 비선시각(LoS) 조건에서도 이론적 한계에 가까운 성능을 달성하며, 코드북 기반 전력 할당을 통해 다중경로에 대한 강인성과 낮은 계산 비용을 확보한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have attracted enormous interest thanks to their ability to overcome line-of-sight blockages in mmWave systems, enabling in turn accurate localization with minimal infrastructure. Less investigated are however the benefits of exploiting RIS with suitably designed beamforming strategies for optimized localization and synchronization performance. In this paper, a novel low-complexity method for joint localization and synchronization based on an optimized design of the base station (BS) active precoding and RIS passive phase profiles is proposed, for the challenging case of a single-antenna receiver. The theoretical position error bound is first derived and used as metric to jointly optimize the BS-RIS beamforming, assuming a priori knowledge of the user position. By exploiting the low-dimensional structure of the solution, a novel codebook-based robust design strategy with optimized beam power allocation is then proposed, which provides low-complexity while taking into account the uncertainty on the user position. Finally, a reduced-complexity maximum-likelihood based estimation procedure is devised to jointly recover the user position and the synchronization offset. Extensive numerical analysis shows that the proposed joint BS-RIS beamforming scheme provides enhanced localization and synchronization performance compared to existing solutions, with the proposed estimator attaining the theoretical bounds even at low signal-to-noise-ratio and in the presence of additional uncontrollable multipath propagation.

연구 동기 및 목표

• 제한된 인프라 조건에서 단일 안테나 UE의 정확한 정위치 및 동기화 도전 과제를 해결하기 위해.
• 알려진 UE 위치 조건 하에서 이론적 위치 오차 한계(PEB)를 최소화하기 위해 BS 전방향성 및 RIS 위상 프로파일을 동시 최적화하기 위해.
• UE 위치의 불확실성에 대응하기 위해 최적화된 전력 할당을 포함한 코드북 기반 강인 beamforming 전략을 설계하기 위해.
• 낮은 SNR 조건에서 Cramér-Rao 하한(CRLB) 성능을 달성하는 저복잡도 최대우도(ML) 추정기 개발하기 위해.
• 낮은 SNR 및 다중경로 조건에서 PEB, CEB 및 평균제곱오차(RMSE) 측면에서 기존 기준 대비 뛰어난 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 공통 정위치 및 동기화를 위한 피셔 정보 행렬(FIM)을 유도하여 이론적 위치 오차 한계(PEB)를 설정한다.
• 완벽한 UE 위치 지식 조건 하에서 BS-RIS 동시 beamforming을 위한 이중볼록 최적화 문제를 수립하고, 교차 최적화를 통해 해결한다.
• 최적 성능을 위해 BS 및 RIS 양측에서 방향성 및 도함수 beam이 필요하다는 점을 규명하며, 기존 통신 최적화 beamforming과 다름을 밝힌다.
• 최적 해에서 유도된 beam을 기반으로 한 코드북 기반 강인 설계를 제안하고, beam 간 전력 할당을 위해 볼록 최적화를 적용한다.
• 낮은 SNR 조건에서 CRLB 성능을 달성하는 저복잡도 ML 기반 추정기를 개발하며, UE 위치 및 시계 오프셋을 동시 추정한다.
• 정확도와 계산 비용의 균형을 위해 M=9개의 이산 위치를 사용한 격자 기반 최악의 경우 PEB 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 안테나 UE 환경에서 BS 전방향성 및 RIS 위상 프로파일의 동시 최적화가 정위치 및 동기화 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 정위치에 최적인 beamforming 구조(예: 방향성, 도함수)는 무엇이며, 통신 최적화 beamforming과 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 최적화된 전력 할당을 포함한 코드북 기반 설계가 UE 위치 불확실성 조건에서도 강인한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 저복잡도 ML 추정기가 낮은 SNR 및 통제할 수 없는 다중경로 조건에서도 이론적 Cramér-Rao 하한(CRLB)을 달성할 수 있는가?
• RQ5 강건한 beamforming 설계에서 전송 beam 수가 추정 정확도와 계산 비용에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 BS-RIS 동시 beamforming 설계는 특히 도전적인 비LoS 및 낮은 SNR 조건에서 기준 기술 대비 유의미하게 낮은 PEB를 달성한다.
• 저복잡도 ML 추정기는 불가항력적인 다중경로가 존재하는 상황에서도 SNR = -5 dB에서 위치 및 시계 오프셋 추정의 이론적 CRLB 성능을 달성한다.
• 최적화된 전력 할당을 포함한 코드북 기반 강인 설계는 M=9개의 격자 점에서 근사 최적 성능을 달성하며, 정확도와 계산 비용의 균형을 잘 이룬다.
• 전체 G = (2LBS+1)LRIS에서 줄인 G = 2LBS + 2LRIS + 1개의 beam만을 사용할 경우, 특히 낮은 SNR에서 뚜렷한 성능 저하가 발생함을 확인하여, 전체 beam 구성이 최적 정확도를 확보하는 데 필수적임을 시사한다.
• 방향성 및 DFT 코드북 대비 제안된 강인한 동시 전방향성 설계가 위치 및 시계 오프셋 추정의 RMSE 측면에서 더 뛰어난 성능을 보이며, 이는 위치 불확실성 증가(5m 영역) 조건에서도 동일하게 유지된다.
• 불가항력적인 다중경로에 대해서도 강인성을 유지하며, 모든 테스트된 SNR 수준에서 ML 추정기는 CRLB 성능을 유지를 한다.