[논문 리뷰] Leveraging RIS-Enabled Smart Signal Propagation for Solving Infeasible Localization Problems

Kamran Keykhosravi, Benoît Denis외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

Indoor and Outdoor Localization Technologies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 기존의 기반 시설이 부족한 환경에서 전통적인 방법이 실패하는 상황에서 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 사용하여 정위치를 가능하게 한다. 빔포밍과 도착각(AoA) 측정을 활용한 RIS 기반 스마트 신호 반사 기술을 통해, 단일 안테나 기지국과 두 개의 RIS를 사용하여 정확한 2차원 정위치를 달성함을 입증하였다. 실험적으로 60 GHz에서 수행된 결과, 실제 위치와의 정위치 오차가 10 cm 이내였다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have tremendous potential for both communication and localization. While communication benefits are now well-understood, the breakthrough nature of the technology may well lie in its capability to provide location estimates when conventional approaches fail, (e.g., due to insufficient available infrastructure). A limited number of example scenarios have been identified, but an overview of possible RIS-enabled localization scenarios is still missing from the literature. In this article, we present such an overview and extend localization to include even user orientation or velocity. In particular, we consider localization scenarios with various numbers of RISs, single- or multi-antenna base stations, narrowband or wideband transmissions, and near- and farfield operation. Furthermore, we provide a short description of the general RIS operation together with radio localization fundamentals, experimental validation of a localization scheme with two RISs, as well as key research directions and open challenges specific to RIS-enabled localization and sensing.

연구 동기 및 목표

• 기지국 기반 시설이 제한되거나 전혀 없는 환경에서 전통적 방법이 실패하는 정위치 문제를 해결한다.
• SISO, MIMO, 근대역, 초대역, 근거리, 원거리 영역 등 다양한 구성에서 RIS 기반 정위치의 실현 가능성을 탐색한다.
• 위치 외에도 사용자 방향 및 속도를 RIS 반사 신호를 통해 추정할 수 있도록 정위치 기능을 확장한다.
• 실제 하드웨어 구성 요소를 사용한 60 GHz 실험 설정을 통해 실용적 실현 가능성을 입증한다.
• 공동 통신 및 정위치를 위한 RIS 하드웨어 설계, 배치, 위상 프로파일 최적화, 저지연 제어 등 핵심 연구 과제를 규명한다.

제안 방법

• RIS를 지능형 반사체로 활용하여 입사 신호의 위상과 진폭을 동적으로 제어하여 정렬된 제어 가능한 반사 빔을 생성한다.
• 근거리 및 원거리 영역 모두에서 다운링크 신호 전파를 모델링하며, RIS 응답이 사용자 단말(UE)의 위치 또는 출발각(AoD)에 따라 달라짐을 고려한다.
• 빔 스위핑 기법을 구현: 각 RIS가 서로 다른 수평 출발각(AoD)을 가진 빔을 순차적으로 전송하고, UE는 수신된 신호 강도가 가장 큰 빔을 기반으로 자신의 위치를 추정한다.
• 기지국(송신기)과 UE(수신기)를 모의하기 위해 이중 포트 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 사용하고, 상용 송수신기(BFM6010)를 I/Q 신호를 프로그래머블 위상 이동을 통해 피드백함으로써 RIS로 활용한다.
• 각 RIS에서 수신된 신호 강도가 최대인 두 빔의 교차점으로서 UE의 위치를 추정함으로써 2차원 정위치를 실현하며, 이로 인해 10 cm 이내의 정밀도를 달성한다.
• 모든 빔 설정에 대해 수신된 신호 강도를 정규화하고, 피크 강도 위치를 실제 UE 위치로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국 밀도가 낮아 전통적 시스템이 실패하는 상황에서 RIS가 정위치를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 근거리 및 원거리 전파 영역에서 RIS 기반 정위치 성능은 어떻게 되며, 기하학적 제약은 무엇인가?
• RQ3 단일 안테나 기지국과 두 개의 RIS를 조합한 시스템이 다중 안테나 또는 다중 기지국 시스템과 비교해 어느 정도의 정위치 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 저복잡도, 저지연 RIS 기반 정위치를 실현하기 위해 직면하는 핵심 하드웨어 및 신호 처리 과제는 무엇인가?
• RQ5 최소한의 오버헤드로 공동 통신 및 정위치를 지원할 수 있도록 RIS 위상 프로파일을 어떻게 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 단일 안테나 기지국과 두 개의 RIS를 조합한 시스템은 60 GHz에서 실험적으로 검증된 결과, 실제 UE 위치와의 오차가 10 cm 이내로 2차원 정위치를 달성할 수 있다.
• 실험 설정을 통해 추정된 UE 위치(별표로 표시)가 참값(크로스로 표시)과 매우 가까이 일치함을 확인하였으며, 최대 정규화 수신 신호 강도가 정확한 위치를 나타내었다.
• RIS 기반 정위치는 기존 시스템이 실패할 수 있는 긴급 현장 배치나 실내 환경과 같은 기반 시설이 부족한 상황에서도 실현 가능하다.
• 빔 스위핑과 전력 기반 빔 선택 기법을 사용한 두 개의 RIS는 다중 안테나 기지국 시스템과 비교해 유사한 정위치 정밀도를 제공한다.
• 각도 및 시간 영역의 신호 변동을 활용해 사용자 방향 및 속도와 같은 추가적인 UE 상태 파rameter를 추정할 수 있다.
• RIS는 하나의 RIS를 장착한 SISO 시스템이 정위치 가능성을 고려할 때 최대 4개의 단일 안테나 기지국을 대체할 수 있을 정도로 하드웨어 복잡도와 네트워크 전력 소모를 크게 감소시킨다.