[论文解读] Leveraging RIS-Enabled Smart Signal Propagation for Solving Infeasible Localization Problems

Kamran Keykhosravi, Benoît Denis+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用 12

一句话总结

本文提出利用可重构智能表面（RIS）在传统定位方法因基础设施不足而失效的场景中实现定位。通过利用RIS赋能的智能信号反射，结合波束成形与到达角（AoA）测量，作者证明单天线基站配合两个RIS即可实现精确的二维定位——在60 GHz频段通过实验验证，定位误差控制在真实位置的10 cm以内。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have tremendous potential for both communication and localization. While communication benefits are now well-understood, the breakthrough nature of the technology may well lie in its capability to provide location estimates when conventional approaches fail, (e.g., due to insufficient available infrastructure). A limited number of example scenarios have been identified, but an overview of possible RIS-enabled localization scenarios is still missing from the literature. In this article, we present such an overview and extend localization to include even user orientation or velocity. In particular, we consider localization scenarios with various numbers of RISs, single- or multi-antenna base stations, narrowband or wideband transmissions, and near- and farfield operation. Furthermore, we provide a short description of the general RIS operation together with radio localization fundamentals, experimental validation of a localization scheme with two RISs, as well as key research directions and open challenges specific to RIS-enabled localization and sensing.

研究动机与目标

• 解决在基站基础设施有限或缺失的环境中定位难题，传统方法在此类场景中失效。
• 探索在不同配置下基于RIS的定位可行性，包括SISO、MIMO、窄带、宽带、近场和远场区域。
• 将定位能力扩展至不仅估计位置，还包括用户朝向与速度，利用RIS反射信号实现。
• 通过60 GHz频段的真实硬件实验平台，验证其实际可行性。
• 识别RIS硬件设计、部署、相位剖面优化以及联合通信与定位的低时延控制中的关键研究挑战。

提出的方法

• 利用RIS作为智能反射器，动态调控入射信号的相位与幅度，以生成定向、可控的反射波束。
• 在近场与远场传播区域建模下行链路信号传播，其中RIS响应依赖于用户设备（UE）的位置或出发角（AoD）。
• 实施波束扫描技术：每个RIS依次以不同方位角出发角（AoD）发射波束，UE根据最强接收信号功率估计自身位置。
• 使用双端口矢量网络分析仪（VNA）模拟基站（发射机）与UE（接收机），并利用商用收发器（BFM6010）通过可编程相移回路I/Q信号作为RIS。
• 将UE位置估计为来自每个RIS的最强接收功率波束的交点，实现2D定位，精度达亚10厘米。
• 对所有波束配置的接收功率进行归一化处理，并以峰值功率位置作为UE位置的估计值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在因基站密度不足而传统系统失效的场景中，RIS能否实现定位？
• RQ2 基于RIS的定位在近场与远场传播区域中的性能如何？存在何种几何约束？
• RQ3 单天线基站配合两个RIS在定位精度上能否达到与多天线或多基站系统相当的水平？
• RQ4 在实现低复杂度、低时延的RIS赋能定位过程中，面临哪些关键的硬件与信号处理挑战？
• RQ5 如何优化RIS相位剖面，以在最小开销下支持联合通信与定位？

主要发现

• 单天线基站配合两个RIS可在60 GHz频段通过实验验证，实现2D定位，定位误差在真实UE位置的10 cm以内。
• 实验结果表明，估计的UE位置（以星号标记）与真实位置（以十字标记）高度吻合，最大归一化接收功率位置准确指示了正确位置。
• 即使在紧急部署或室内等传统系统会失效的低基础设施场景中，RIS赋能的定位依然可行。
• 通过波束扫描与基于功率的波束选择，两个RIS可实现与更复杂多天线基站系统相当的定位精度。
• 通过利用信号的角域与时域变化，该方法可进一步估计用户设备的朝向与速度等附加状态参数。
• RIS显著降低了所需硬件复杂度与网络功耗，一个RIS配置的SISO系统在定位可行性上可替代多达四个单天线基站。