Channel Estimation and Interference Mitigation for Reconfigurable Intelligent Surfaces

QC 20250127

Abstract

I den sjätte generationen av trådlösa kommunikationssystem (6G) finns flera potentiella tekniker som gör det möjligt för det trådlösa nätverket att uppfylla de ständigt ökande kraven på hastighet, täckning, tillförlitlighet och rörlighet. Bland dessa tekniker återfinns de så kallade omkonfigurerbara intelligenta ytor (reconfigurable intelligent surface - RIS på Engelska), vilka kan förlänga ett nätverks täckning till områden utan signal (så kallade ”dead zones”), öka kapaciteten och underlätta integrerade sensor- och kommunikationslösningar (ISAC). Samtidigt förbrukar RIS mycket lite energi och bidrar därmed till ökad energieffektivitet.

RIS är en metaytebaserad teknologi där ytan kan styras externt för att justera hur inkommande elektromagnetiska vågor reflekteras. Vanligtvis innebär detta att varje element på ytan åstadkommer en önskad fasförskjutning av den inkommande signalen innan den reflekteras, vilket kan utnyttjas för att fassjustera flera inkommande vågor och därmed förstärka signalen vid mottagaren. På så sätt kan täckning ges till annars otillgängliga områden.

Trots att denna teknik lovar betydande förbättringar för dagens trådlösa nätverk medför RIS även nya ingenjörsmässiga utmaningar. För det första uppvisar de enskilda elementen inte perfekta reflektionskarakteristiker, utan dämpar signalen på ett sätt som beror på den inställda fasförskjutningen, ett fenomen som kallas fasberoende amplitud. För det andra uppstår extra overhead inom kanalskattningen. I ett flerantennsystem är kanalens komplexitet mellan två noder redan omfattande, men när en RIS läggs till multipliceras komplexiteten med antalet RIS-element. Följaktligen krävs fler pilotsignaler för att skatta kanalen i system som använder RIS, vilket minskar den effektiva datahastigheten eftersom fler resursblock går åt till pilotsändning. Även om det finns metoder för att reducera kanalens dimensioner genom att utnyttja kanalstruktur, kvarstår problemet för kanaler utan särskild struktur. Därtill uppstår en ny typ av pilotförorening (pilot contamination) i scenarier med flera RIS:ar eller flera operatörer, vilket är huvudtemat i denna avhandling.

I avhandlingens första del studeras denna nya typ av pilotförorening i ett multioperatörsscenario, där två operatörer delar samma plats men använder olika frekvensband och har varsin dedikerad RIS. Även om frekvensbanden är åtskilda reflekterar varje RIS oavsiktligt de upplänksignaler som skickas av användare i båda banden. Under kanalskattningsfasen leder denna samtidiga reflektion av pilotsignaler till interoperatörs-pilotförorening. Vi analyserar hur fenomenet påverkar system med både deterministiska och korrelerade Rayleigh-fadande kanaler, med fokus på kanaluppskattning, signalequalisering och kapacitet. Numeriska resultat visar en tydlig prestationsförsämring och understryker att interoperatörs-pilotförorening är ett allvarligt problem i multioperatörssystem med RIS. För att motverka denna effekt föreslår vi att använda ortogonala RIS-konfigurationer under upplänkens pilotfas. Detta kan mildra eller helt eliminera pilotföroreningen, men kräver samordning och viss informationsdelning mellan operatörerna.

I avhandlingens andra del studeras samma interoperatörs-pilotförorening men i ett scenario där basstationerna har flera antenner. Att ortogonalisera RIS-konfigurationerna, som i fallet med en enda antenn, eliminerar visserligen pilotföroreningen, men fördubblar samtidigt antalet nödvändiga pilotsignaler. Mot bakgrund av den redan existerande pilotsignalsproblematiken i RIS-baserade system behövs en annan lösning som inte ökar pilotbehovet. Därför undersöks här hur mottagarstrålformning och nollställning (null forming) kan användas för att eliminera pilotföroreningen. Vi visar att det är möjligt att undertrycka den oönskade signalen från den andra operatörens RIS genom att placera nulls mot den, och därmed undvika pilotförorening utan att öka antalet pilotsignaler.

I avhandlingens tredje del betraktas ett enoperatörssystem med två RIS:ar i en integrerad sensor- och kommunikationsmiljö (ISAC), där en enda användare fungerar både som kommunikationsenhet och positioneringsmål. Baserat på upplänkens positioneringspiloter försöker basstationen uppskatta både kommunikationskanalen och användarens position inomhus. Detta görs genom att först skatta infallsvinklar (AoA) på signalerna som träffar de två RIS:arna och därefter, med hjälp av system- och antenngeometrier, beräkna användar-positionen samt motsvarande kanaler. Trots att detta inte är ett multioperatörsscenario kan pilotförorening uppstå av samma fysiska skäl när flera RIS:ar används, såvida kanaluppskattningen inte parameteriseras. Eftersom kommunikationslänkarna här antas vara rena siktlänkar (LOS) kan man dock utnyttja kanalstrukturen för att minska antalet okända parametrar. Detta gör att informationsförlusten orsakad av pilotförorening inte påverkar kanaluppskattningen, och pilotföroreningen kan därmed överbryggas. Vidare bestäms användarens position genom att skära de räta linjerna som definieras av AoA-estimaten. Vi använder Cramér-Raos lägsta gräns (CRLB) som prestandamått för den lägsta möjliga medelkvadratfelet (MSE) för en %obiaserad skattning av både kanal och position. Numeriska resultat visar att det är fullt möjligt att utnyttja positioneringspiloter för parameterbaserad kanaluppskattning i LOS-scenarier.

I avhandlingens fjärde del förflyttar vi oss till närfältskommunikation, där användarna befinner sig i den s.k. Fresnelzonen relativt basstationens antennapertur. Vi analyserar ett uplänkscenario i ett fleranvändarsystem med flera antenner (MU-MIMO) och antar att kanalmodellen är närfältsbaserad och beror på användarnas avstånd och azimutvinkel relativt antennaperturen. Vi härleder CRLB för att i slutet uppskatta såväl positioneringsparametrar (avstånd och vinkel) som de parameteriserade kommunikationskanalerna i slutet form. Dessutom undersöker vi hur 2D-MUSIC-algoritmen kan användas för att skatta dessa parametrar, och vi jämför dess prestanda med CRLB. Resultaten visar att 2D-MUSIC är både asymptotiskt konsistent och effektiv för denna typ av närfältsbaserad kanaluppskattning.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-359152