[论文解读] RIS-Aided Near-Field Localization and Channel Estimation for the Sub-Terahertz System

Yijin Pan, Cunhua Pan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2022

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助太赫兹系统中的近场联合信道估计与定位（NF-JCEL）算法，利用二阶菲涅尔近似来建模球面波前。通过使用降采样后的托普利茨协方差矩阵，将用户设备距离与到达角（AoAs）解耦，该方法实现了低复杂度、高分辨率的三维定位和精确的信道估计，在超大尺寸RIS面板的近场场景中显著优于传统远场算法。

ABSTRACT

The low hardware cost makes ultra-large (XL) reconfigurable intelligent surface (RIS) an attractive solution for the performance enhancement of localization and communication systems, but it results in near-field propagation channels, especially for the high-frequency communication systems, e.g. mmWave and sub-terahertz (subTHz) systems. This makes localization and channel estimation in the near field of the RIS-aided subTHz system more challenging. In this paper, we consider the spherical wavefront propagation in the near field of the subTHz system with the assistance of a RIS. A near-field channel estimation and localization (NF-JCEL) algorithm is proposed based on the derived second-order Fresnel approximation of the near-field channel model. To be specific, we first decouple the user equipment (UE) distances and angles of arrival (AoAs) through a down-sampled Toeplitz covariance matrix, so that the vertical and azimuth AoAs in the array steering vectors can be estimated separately with low complexities. Then, the UE distance can be estimated by the simple one-dimensional search, and the channel attenuation coefficients are obtained through the orthogonal matching pursuit (OMP) method. Simulation results validate the superiority of the proposed NF-JCEL algorithm to the conventional far-field algorithm, and show that higher resolution accuracy can be obtained by the proposed algorithm.

研究动机与目标

• 解决在超大尺寸RIS面板引起近场效应的RIS辅助亚太赫兹系统中高精度定位的挑战。
• 克服传统远场信道模型的局限性，后者假设平面波前，在大尺寸RIS面板的近场条件下失效。
• 开发一种专为近场亚太赫兹系统中球面波前传播设计的低复杂度、高分辨率联合信道估计与定位算法。
• 通过精确估计近场中用户设备的距离与到达角（AoAs），仅使用单个RIS面板实现三维定位。
• 通过利用结构化协方差与正交匹配追踪（OMP），在保持高估计精度的同时最小化导频开销。

提出的方法

• 推导近场信道模型的二阶菲涅尔近似，以准确表示从RIS到用户设备的球面波前传播。
• 构建降采样后的托普利茨协方差矩阵，将用户设备距离与到达角（AoAs）解耦，从而以降低复杂度的方式分别估计垂直和方位角AoAs。
• 通过在估计的协方差矩阵上进行一维搜索来估计用户设备距离，利用RIS阵元间近场相位差。
• 利用正交匹配追踪（OMP）重构信道衰落系数，利用信道在角度域的稀疏性。
• 利用RIS相位移训练序列采集导频信号，并在近场模型下估计完整的信道状态信息。
• 将距离与AoA估计整合到联合框架中，充分利用球面波前的空间与距离相关相位偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在亚太赫兹系统中，当超大尺寸RIS面板产生近场效应时，传统远场定位算法的性能如何退化？
• RQ2 二阶菲涅尔近似在RIS辅助亚太赫兹系统中对近场信道建模精度的提升程度如何？
• RQ3 在近场场景中，用户设备距离与AoAs的联合估计能否被有效解耦，从而降低计算复杂度？
• RQ4 在考虑球面波前时，RIS尺寸与用户设备数量对定位与信道估计精度有何影响？
• RQ5 增加RIS训练相位移向量的数量如何影响所提近场定位算法的分辨率与鲁棒性？

主要发现

• 所提出的NF-JCEL算法在定位与信道估计方面的均方根误差（RMSE）显著低于传统远场算法，尤其在近场条件下表现更优。
• 定位的总RMSE随用户设备数量增加而上升，但所提算法由于具备精确的近场建模与有效的AoA分离，仍保持优越性能。
• 所提算法的RMSE随发射功率增加而降低，而远场算法无此改善，表明近场算法能从更强信号中获益。
• 随着用户设备远离RIS，所提算法与远场算法之间的性能差距缩小，这是由于远场效应随距离减小所致。
• 当RIS训练相位移向量数量增加至120个时，所提算法的RMSE迅速降低，此后增益趋于饱和，而远场算法性能保持不变。
• 所提方法通过精确估计用户距离与AoAs，实现了单个RIS面板的三维定位，这是标准远场模型无法实现的能力。