[论文解读] Multi-RIS Discrete-Phase Encoding for Interpath-Interference-Free Channel Estimation

Kamran Keykhosravi, Henk Wymeersch|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2021

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用 14

一句话总结

本文提出一种基于拜松型哈达玛矩阵的离散相位编码方案，可在多可重构智能表面（RIS）系统中实现无路径间干扰的信道估计。通过设计与有限分辨率相移器兼容的、各RIS间正交的时域相位波形，该方法可分别估计每个RIS的信道，并在仅使用一位相位分辨率时仍达到Cramér-Rao下界（CRLB）。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are one of the foremost technological enablers of future wireless systems. They improve communication and localization by providing a strong non-line-of-sight path to the receiver. In this paper, we propose a pilot transmission method to enable the receiver to separate signals arriving from different RISs and from the uncontrolled multipath. This facilitates channel estimation and localization, as the channel or its geometric parameters can be estimated for each path separately. Our method is based on designing temporal phase profiles that are orthogonal across RISs without affecting the RIS beamforming capabilities. We take into consideration the limited resolution of the RIS phase shifters and show that in the presence of this practical limitation, orthogonal phase profiles can be designed based on Butson-type Hadamard matrices. For a localization scenario, we show that with our proposed method the estimator can attain the theoretical lower bound even with one-bit RIS phase resolution.

研究动机与目标

• 解决多RIS系统中因不同RIS的信号与直射路径信号在接收端无法区分而导致的路径间串扰问题。
• 通过分离各RIS信号与非受控多径信号，实现精确的信道估计与定位。
• 设计适用于实际有限分辨率相移器的多个RIS之间的正交相位波形。
• 在保持相位量化约束下，最小化导频信号传输数P。
• 证明即使在一位RIS相位分辨率下，所提方法仍可达到定位的理论Cramér-Rao下界（CRLB）

提出的方法

• 将RIS相位波形分解为慢变的波束成形分量与快变的正交导频分量。
• 利用拜松型哈达玛（BH）矩阵在K个RIS之间设计正交导频序列，确保接收信号间的相互正交性。
• 将导频序列构造为BH矩阵的行，其元素取自集合𝕋_R = {e^{j2πr/R}}，对应R级相位分辨率。
• 确保正交导频序列不会降低主信号波束成形性能。
• 建立寻找最短导频序列长度P的问题，以在有限RIS分辨率下保持正交性。
• 利用BH矩阵的性质与组合约束（如R=2时需被4整除）推导给定K与R下的最小P值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限相位分辨率下，能否为多个RIS设计正交导频序列，以实现无干扰的信道估计？
• RQ2 如何在保持正交性与RIS硬件约束兼容性的前提下，最小化导频序列长度P？
• RQ3 相位量化在多大程度上会降低估计性能？能否通过合理的序列设计加以缓解？
• RQ4 在使用一位RIS相位移位器的情况下，所提方法是否可实现定位的Cramér-Rao下界（CRLB）？
• RQ5 实现完美路径间干扰消除的序列长度P与相位分辨率R的必要与充分条件是什么？

主要发现

• 所提方法即使在一位RIS相位分辨率下，仍可达到定位的Cramér-Rao下界（CRLB），证明了其最优估计性能。
• 当R=2（一位分辨率）时，通过基于BH矩阵的正交序列，该方法可实现完美的路径间干扰消除。
• 在导频设计中忽略有限相位分辨率会导致性能显著下降，尤其在低R时，主要由于正交性丧失。
• 最小导频序列长度P满足P ≥ K+1，且当R=2时必须能被4整除，此结果由正交性与对称性约束推导得出。
• BH矩阵的使用可构建对相位量化具有鲁棒性的正交序列，同时保持波束成形完整性。
• 仿真结果表明，所提方法在低分辨率场景（R=2,4）下显著优于忽略相位分辨率的基准方法。