[论文解读] Beyond 5G RIS mmWave Systems: Where Communication and Localization Meet

Jiguang He, Fan Jiang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 9

一句话总结

本文提出了一种可重构智能表面（RIS）辅助毫米波系统中通信与定位联合优化（SLAC）的协同设计框架，利用RIS引起的信道稀疏性与位置感知波束成形，结合先验位置知识与优化的导频开销，相较于随机相位配置，系统实现高达2倍的频谱效率提升与10倍的定位误差降低，训练开销仅为5–25%，实现了性能的平衡权衡。

ABSTRACT

Upcoming beyond fifth generation (5G) communications systems aim at further enhancing key performance indicators and fully supporting brand new use cases by embracing emerging techniques, e.g., reconfigurable intelligent surface (RIS), integrated communication, localization, and sensing, and mmWave/THz communications. The wireless intelligence empowered by state-of-the-art artificial intelligence techniques has been widely considered at the transceivers, and now the paradigm is deemed to be shifted to the smart control of radio propagation environment by virtue of RISs. In this article, we argue that to harness the full potential of RISs, localization and communication must be tightly coupled. This is in sharp contrast to 5G and earlier generations, where localization was a minor additional service. To support this, we first introduce the fundamentals of RIS mmWave channel modeling, followed by RIS channel state information acquisition and link establishment. Then, we deal with the connection between localization and communications, from a separate and joint perspective.

研究动机与目标

• 为应对后5G系统中对集成通信、定位与感知日益增长的需求，通过利用RIS技术实现协同设计。
• 通过联合通信与定位设计，克服RIS辅助毫米波系统中高训练开销与信道估计挑战。
• 实现定位与通信之间的协同关系，即利用位置信息减少信道估计开销并提升链路可靠性。
• 开发一种同步定位与通信（SLAC）框架，优化RIS相位配置以实现高谱效率与低定位误差的双重目标。
• 评估在不同导频开销与RIS尺寸下，通信速率（SE）与定位精度（PEB）之间的权衡关系。

提出的方法

• 为RIS辅助系统构建几何毫米波信道模型，考虑近场效应及RIS单元间的互耦影响。
• 提出一种低复杂度的信道估计方法，利用毫米波信道的稀疏特性，并采用定向或随机RIS相位配置进行导频传输。
• 引入Cramér–Rao界（CRB）分析，基于RIS反射信号的Fisher信息，推导定位误差（PEB）的理论下界。
• 设计联合优化框架，根据先验位置知识自适应配置RIS相位配置，以平衡SE与PEB。
• 采用单输入单输出（SISO）系统模型，配置单个RIS（16×16或32×32单元），评估在不同导频时长（Tp）与RIS配置下的性能权衡。
• 通过仿真评估，固定相干时间（Tc = 1000符号），分析不同Tp值与RIS配置下的SE与PEB性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 先验位置信息如何降低RIS辅助毫米波系统中的训练开销并提升信道估计精度？
• RQ2 在RIS辅助SLAC系统中，频谱效率（SE）与定位误差界（PEB）之间的最优权衡是什么？
• RQ3 RIS尺寸（256 vs. 1024单元）对SLAC系统中可实现的SE与PEB有何影响？
• RQ4 在导频传输过程中，使用定向与随机RIS相位配置对定位与通信性能有何影响？
• RQ5 在SLAC系统中，导频开销（Tp）达到多少时，系统能实现SE与PEB的性能平衡？

主要发现

• 与随机相位配置相比，利用先验位置信息可使最大频谱效率提升2倍，最小定位误差（PEB）降低10倍。
• 32×32 RIS（1024单元）相比16×16 RIS（256单元）可实现约4倍的频谱效率增益与2–4倍的PEB降低，表明RIS孔径尺寸具有显著影响。
• 实现SE与PEB性能平衡的最优导频开销约为5%（定向RIS配置）与25%（随机RIS配置），且与RIS尺寸无关。
• 当Tp过小（<3符号）时，由于位置估计不佳，波束成形会指向错误位置，导致SE与PEB均下降。
• 当Tp过大时，尽管信道估计质量优异，但数据传输时间不足，导致通信速率显著下降。
• 识别出三种性能区域：(i) 低Tp时性能较差；(ii) 高Tp时定位精度高但数据速率低；(iii) 在SE–PEB曲线峰值附近的中等Tp值时达到最优平衡。