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

Alessio Fascista, Musa Furkan Keskin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 62被引用 102

一句话总结

该论文提出了一种低复杂度的联合波束成形设计与最大似然估计方法，用于利用单天线用户设备（UE）的智能反射面（RIS）辅助定位与同步。通过优化基站（BS）预编码和RIS相位配置以最小化位置误差界限（PEB），该方法即使在低信噪比（SNR）和非视 Line-of-Sight（NLoS）条件下，也能实现接近理论极限的性能，且在多径环境下具有鲁棒性，同时通过基于码本的功率分配实现低计算开销。

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.

研究动机与目标

• 解决在基础设施有限的毫米波系统中，单天线UE实现高精度定位与同步的挑战。
• 联合优化BS预编码与RIS相位配置，以在已知UE位置条件下最小化理论位置误差界限（PEB）。
• 设计一种基于码本的鲁棒波束成形策略，并通过优化功率分配应对UE位置不确定性。
• 开发一种低复杂度的最大似然（ML）估计器，实现位置与时钟偏差的Cramér-Rao下界（CRLB）性能。
• 在低SNR与多径条件下，证明所提方法在PEB、CEB与均方根误差（RMSE）方面优于现有基准方案。

提出的方法

• 推导联合定位与同步的Fisher信息矩阵（FIM），以建立理论位置误差界限（PEB）。
• 针对已知UE位置的完美情况，建立BS-RIS联合波束成形的双凸优化问题，并通过交替优化求解。
• 指出BS与RIS均需采用定向波束与导数波束才能实现最优性能，这与传统通信波束成形不同。
• 提出一种基于码本的鲁棒设计，利用最优解导出的波束，并通过凸优化实现波束间功率分配。
• 设计一种低复杂度的ML估计器，联合估计UE位置与时钟偏差，在低SNR下实现CRLB性能。
• 采用基于网格的最坏情况PEB评估方法，使用M=9个离散位置，以平衡精度与计算成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单天线UE场景下，联合优化BS预编码与RIS相位配置是否能显著提升定位与同步性能？
• RQ2 何种波束成形结构（如定向、导数波束）对定位最优？其与通信优化波束成形有何不同？
• RQ3 基于码本的设计结合优化功率分配，是否能在UE位置不确定性下实现鲁棒性能？
• RQ4 所提出的低复杂度ML估计器是否能在低SNR及不可控多径条件下仍实现理论Cramér-Rao下界（CRLB）性能？
• RQ5 在鲁棒波束成形设计中，发射波束数量如何影响估计精度与计算成本？

主要发现

• 所提出的BS-RIS联合波束成形设计在PEB方面显著优于基准方案，尤其在挑战性的NLoS与低SNR条件下。
• 低复杂度ML估计器在SNR = -5 dB时，对位置与时钟偏差估计均达到理论CRLB，即使存在不可控多径。
• 基于码本的鲁棒设计结合优化功率分配，在M=9个网格点时实现接近最优性能，平衡了精度与计算成本。
• 仅使用G = 2LBS + 2LRIS + 1个波束（相比完整G = (2LBS+1)LRIS大幅减少）时，性能出现明显下降，尤其在低SNR下，表明完整波束配置对最优精度至关重要。
• 所提出的鲁棒联合预编码方案在RMSE方面优于定向与DFT码本，即使在位置不确定性增加（5 m区域）时亦然。
• 该方法对不可控多径保持鲁棒，ML估计器在所有测试SNR水平下均维持CRLB性能。