[论文解读] Adaptive Beamforming Design for mmWave RIS-Aided Joint Localization and Communication

Jiguang He, Henk Wymeersch+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种用于毫米波RIS辅助联合定位与通信的自适应波束成形设计，采用分层码本和有限反馈，实现了无需主动RIS元件或复杂基带处理的高精度定位与数据速率。该方案在低信噪比下仍能实现接近穷举搜索的性能，且训练开销显著降低。

ABSTRACT

The concept of reconfigurable intelligent surface (RIS) has been proposed to change the propagation of electromagnetic waves, e.g., reflection, diffraction, and refraction. To accomplish this goal, the phase values of the discrete RIS units need to be optimized. In this paper, we consider RIS-aided millimeter-wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) systems for both accurate positioning and high data-rate transmission. We propose an adaptive phase shifter design based on hierarchical codebooks and feedback from the mobile station (MS). The benefit of the scheme lies in that the RIS does not require deployment of any active sensors and baseband processing units. During the update process of phase shifters, the combining vector at the MS is also sequentially refined. Simulation results show the performance improvement of the proposed algorithm over the random design scheme, in terms of both positioning accuracy and data rate. Moreover, the performance converges to exhaustive search scheme even in the low signal-to-noise ratio regime.

研究动机与目标

• 解决在视 Line-of-Sight（LoS）链路被阻塞的毫米波系统中实现精确定位与高速通信的挑战。
• 设计一种低复杂度的无源RIS相位移位器配置，无需主动传感器或基带处理。
• 利用来自移动台的分层码本和有限反馈，优化波束成形以同时提升定位与通信性能。
• 与随机和穷举搜索方案相比，评估在定位精度、方向误差和可实现数据速率方面的性能增益。
• 证明即使在低信噪比环境下，该方案也能以极小的训练开销收敛至最优性能。

提出的方法

• 在RIS和移动站（MS）均采用分层模拟码本，以实现高效的波束选择。
• 通过MS向RIS控制器反馈有限的最优波束索引，降低信令开销。
• 应用压缩感知和信道参数估计算法，从接收信号中估计到达角（AoA）、出发角（AoD）和时间差（ToA）。
• 在MS端采用多射频链的混合模拟-数字波束成形，以进一步优化波束对准。
• 基于估计的信道参数优化RIS相位移，以增强波束方向性和信号强度。
• 采用两跳反射模型：基站 → RIS → MS，其中RIS作为无源反射器，实现类似LoS的链路。

实验结果

研究问题

• RQ1 分层码本是否能在RIS辅助的毫米波系统中实现最小反馈下的高效波束选择？
• RQ2 与随机相位移器相比，所提出的自适应波束成形设计在定位精度和数据速率方面表现如何？
• RQ3 该方案的性能在多大程度上能收敛至穷举搜索结果，尤其是在低信噪比条件下？
• RQ4 RIS相位移器设计对联合定位与通信性能有何影响？
• RQ5 无源RIS元件是否能在无需基带处理或主动传感器的情况下，实现与主动系统相当的性能？

主要发现

• 即使在低信噪比条件下，所提方案的定位与方向误差性能也仅比穷举搜索方法低1 dB以内。
• 基于分层码本的波束成形可实现的速率与穷举搜索方法非常接近，仅在高信噪比下存在微小差距。
• 所提方案的训练开销降低至12个时隙，远低于穷举搜索的2048个时隙，也低于随机相位加反馈的32个时隙。
• 随机相位方案在所有指标上表现最差，证实了RIS相位优化在定位与通信中起着关键作用。
• 由于MS端采用多射频链，波束图性能优于RIS端，提升了波束分辨率与信号增益。
• 理论Cramér-Rao下界（CRLB）与穷举搜索性能一致，验证了估计框架的准确性。