[논문 리뷰] STAR-RIS-Assisted Full-Space Angle Estimation via Finite Rate of Innovation

Ziming Liu, Tao Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 02.

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한 줄 요약

이 논문은 STAR-RIS 보조 센싱을 위한 gridless, FRI 기반의 전체 공간 DOA 추정 프레임워크를 개발하여 두 가지 실용 STAR-RIS 구성(element-wise uniform ES 및 nonuniform ES)을 다루고, annihilating filters와 proximal gradient optimization으로 각도 복원을 수행한다.

ABSTRACT

Conventional sensor architectures typically restrict angle estimation to the half-space. By enabling simultaneous transmission and reflection, simultaneously transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RIS) can support full-space angle detection. This paper develops a fullspace angle estimation framework by leveraging a finite rate of innovation (FRI) model enabled by STAR-RIS. We distinguish two practical STAR-RIS configurations: (i) an element-wise uniform setting, where all metasurface elements share identical energy-splitting (ES) coefficients and phase differences, and (ii) a nonuniform ES setting, where the phase difference is common across elements while the ES coefficients vary element-wise to increase design flexibility. For each regime, we formulate the corresponding FRI-based signal model and derive the Ziv-Zakai bound (ZZB) for angle estimation. To recover the underlying FRI sampling structure, we develop a proximal-gradient algorithm implemented via alternating projections in matrix space and establish its convergence. Exploiting the recovered FRI structure, we construct an annihilating filter whose zeros encode user angles, enabling gridless estimation via polynomial root finding. Numerical results demonstrate that the proposed methods operate reliably across both configuration regimes and achieve improved angle estimation performance with low overhead.

연구 동기 및 목표

• STAR-RIS-enabled 센싱에서 전체 공간 DOA 추정을 촉진하여 기존 RIS의 반구적 한계를 극복한다.
• 두 가지 실용 STAR-RIS 구성( uniform ES 및 nonuniform ES ) 하에서 FRI 기반 신호 모델을 형식화한다.
• 소멸 필터와 구조화된 Hankel 행렬을 활용한 gridless 각도 복구 알고리즘을 개발한다.
• DOA 추정에 대한 회복 보장 및 이론적 성능 한계(ZZB)를 제시한다.
• 두 가지 실험 조건에서의 강건성과 효율성을 보여주는 시뮬레이션을 통해 제안된 방법을 검증한다.

제안 방법

• STAR-RIS를 요소별 ES 및 위상 제약을 갖는 반사 및 투과 행렬로 모델링한다(두 가지 상태: uniform ES; nonuniform ES).
• 다중 사용자 STAR-RIS 데이터를 다중 채널 선-스펙트럼 형태로 변환하고 FRI를 적용하여 소멸 필터를 통한 gridless DOA 복구를 수행한다.
• Uniform ES의 경우 계급 하나 구조화된 센싱 형태를 활용하고, 교대 투영을 이용한 노이즈 제거 후 AF 방정식을 풀어 DOA를 복원한다.
• 비균일 ES의 경우 단일 행 블록 Hankel 구성은 교대 투영 프레임워크를 결과로 얻은 블록 행렬 구조를 다루도록 조정하고 수렴 보장을 제공한다.
• DOA 추정의 근본적인 한계를 특징짓기 위해 ZZB를 도출한다.
• DOA를 추출하기 위한 알고리즘(Algorithm 1)을 개요하고 PGD, Hankel/랭크 프로젝션, 다항식 근 찾기를 결합하여 DOAs를 추출한다.

Figure 1: Schematic diagram of the STAR-RIS-assisted system.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 STAR-RIS가 반사-투과 결합을 활용하여 진정한 전체 공간 각도 추정을 달성할 수 있는가?
• RQ2 element-wise uniform ES 및 nonuniform ES STAR-RIS 구성 하에서 그리드리스, FRI 기반 DOA 추정 문제를 어떻게 형식화하고 풀이하는가?
• RQ3 STAR-RIS 보조 센싱에서 DOA 추정의 이론적 성능 한계(ZZB)는 무엇인가?
• RQ4 피치-그래디언트와 alternating projections를 이용해 FRI 구조를 슬롯-변동 측정으로부터 신뢰성 있게 복원하고 정확한 각도 재구성 가능성을 확보할 수 있는가?
• RQ5 제안된 방법은 두 실용 STAR-RIS 규 regime에서 정확도와 오버헤드 측면에서 어떻게 작동하는가?

주요 결과

• 제안된 FRI 기반 프레임워크는 두 가지 규 regime에서 전체 공간 STAR-RIS 구성에 대해 gridless DOA 추정을 가능하게 한다.
• 소멸 필터 접근법은 사용자 각도를 다항식 근으로 인코딩하여 직접 각도 복원을 가능하게 한다.
• 교대 투영이 포함된 proximal-gradient 방법은 두 규 regime에서 노이즈 제거된 FRI 샘플을 복구하고, nonuniform ES의 경우 수렴 보장을 제공한다.
• Ziv–Zakai bound가 도출되어 기본 DOA 추정 성능 한계를 특징짓는다.
• 수치 실험은 두 가지 uniform 및 nonuniform ES 설정에서 저오버헤드로 신뢰할 수 있는 동작과 향상된 추정 성능을 보여준다.

(a) Scenario 1