[論文レビュー] Multi-RIS Discrete-Phase Encoding for Interpath-Interference-Free Channel Estimation

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

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、有限解像度の位相シフターを備えた多リコンフィギュラブルインテリジェントサーフェス（RIS）システムにおいて、相互干渉のないチャネル推定を実現するため、ブルソン型ハダマード行列を用いた離散位相符号化方式を提案する。有限解像度の位相シフターと互換性を持つ、各RISに特有の直交的時間的位相プロファイルを設計することにより、各RISのチャネルを別々に推定可能であり、1ビット位相解像度でもCramér-Rao下界（CRLB）に達する。

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.

研究の動機と目的

• 受信機で異なるRISからの信号と直接パスの信号が区別できない、多RISシステムにおける相互干渉の問題に対処する。
• 個々のRISと制御不能なマルチパスの信号を分離することで、正確なチャネル推定と局所化を実現する。
• 実用的な有限解像度位相シフターと互換性を持つ、複数RISのための直交的位相プロファイルを設計する。
• 位相量子化制約下でも直交性を維持しつつ、パイロット伝送回数（P）を最小限に抑える。
• 提案手法により、1ビットRIS位相解像度でも理論的Cramér-Rao下界（CRLB）が達成されることを示す。

提案手法

• RISの位相プロファイルを、ゆっくり変化するビームフォーミング成分と、速やかに変化する直交パイロット成分に分解する。
• K個のRIS間で直交するパイロット系列を確保するために、ブルソン型ハダマール（BH）行列を用いる。
• パイロット系列を、R段階の位相解像度を持つ集合𝕋_R = {e^{j2πr/R}} の要素をとるBH行列の行として構築する。
• 直交パイロット系列が主信号のビームフォーミング性能を劣化させないことを保証する。
• 有限RIS解像度下での直交性を維持する最短パイロット系列長Pを求める問題を定式化する。
• BH行列の性質と組合せ的制約（例：R=2の場合の4の倍数性）を活用し、与えられたKおよびRに対する最小Pを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限位相解像度下でも、複数RISに直交するパイロット系列を設計可能か。これにより干渉のないチャネル推定が可能になるか。
• RQ2 パイロット系列長Pを、直交性とRISハードウェア制約の両方を満たすように最小化できるか。
• RQ3 位相量子化が推定性能に与える影響はどの程度で、適切な系列設計によりこれを軽減可能か。
• RQ4 提案手法により、1ビットRIS位相シフターを用いても、局所化のCramér-Rao下界（CRLB）に到達可能か。
• RQ5 完全な相互パス干渉キャンセレーションを達成するための、系列長Pおよび位相解像度Rの必要十分条件は何か。

主な発見

• 提案手法は、1ビットRIS位相解像度でも局所化のCramér-Rao下界（CRLB）に到達し、最適な推定性能を実現する。
• R=2（1ビット解像度）の場合、BH行列に基づく直交系列を活用することで、完全な相互パス干渉キャンセレーションが実現される。
• パイロット設計において有限位相解像度を無視すると、特にRが小さい場合に顕著な性能劣化が生じ、直交性の喪失が原因となる。
• 最小パイロット系列長Pは、P ≥ K+1 であり、R=2の場合は4の倍数でなければならない。これは直交性および対称性制約から導かれる。
• BH行列の使用により、位相量子化に強く、ビームフォーミングの整合性を保つ直交系列の構築が可能になる。
• シミュレーション結果から、本手法は位相解像度を無視する従来手法を上回り、特に低解像度環境（R=2,4）において顕著な性能優位性を示す。