论文速递 IEEE JSTSP 2023| Integrated Sensing and Communication for Wireless Extended Reality (XR) w. RIS

本文属于"无线感知论文速递"系列之一，在系统地介绍和解读无线感知领域的最新顶级期刊论文（包括但不限于Nature、Science及其子刊; MobiCom, Sigcom, MobiSys, NSDI, SenSys, Ubicomp; JSAC等）方面具有重要价值。

当前文章将着重介绍一篇发表于IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing的重要论文：“Integrated Sensing and Communication for Wireless Extended Reality (XR) with Reconfigurable Intelligent Surfaces”，该研究工作获得了IEEE学会期刊的官方认可。

该研究工作的唯一标识码为：10.1109/JSTSP.2023.3304846

1 引言

本文旨在探讨发表于《IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing》上的题为《Integrated Sensing and Communication for Wireless Extended Reality (XR) with Reconfigurable Intelligent Surface》的研究论文。研究的主要贡献体现在针对无线扩展现实（XR）中的集成感知与通信（ISAC）框架下提出了一种新型高效的定位方案，并通过仿真实验验证了其有效性。

在无线网络的发展进程中，人类与机器之间的交互已无处不在。特别是在下一代移动系统中，扩展现实（XR）被公认为一种重要应用场景。这种技术通过将虚拟环境与实体世界有机融合得以实现，在此过程中包括了虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及混合现实（MR）等多种表现形式。然而目前无线网络在支撑XR发挥其全部潜力方面仍显不足：由于XR对极致的沉浸体验、极低延迟通信（URLLC）以及海量传感器与物联网（IoT）设备管理等方面提出了严格要求。因此集成感知与通信（ISAC）被视为未来趋势之一：它旨在整合传感与通信系统以充分利用无线资源并实现它们间的互惠共赢。

2 动机

随着设备持续升级与更新迭代的发展趋势下

为了应对这些问题的文章中提出了一个基于可重配置智能表面（RIS）的无线扩展现实（XR）集成感知与通信（ISAC）框架。作为二维材料的一种特殊结构体，RIS由大量微小波长单元组成，并可通过调节基底上的可变电容二极管来动态调节其电磁特性。这种特性赋予了RIS在无线传播环境中引入额外自由度的能力，并通过精确调控实现对传播环境的智能重构。鉴于此，在学术界和工业界均引起了广泛关注，并已产生了大量相关研究工作。

3 方法

在本研究中, 本研究提出了一种基于RIS的无线XR中的ISAC框架设计, 并开发了一种基于MUSIC算法的实用定位方案。接下来将深入探讨该方法的核心组件及其实现细节：

可重配置智能表面（RIS）：在本研究中，RIS 被构想成一种二维材料，并由大量子波长级单元构成。通过调节底部可变电容二极管这一手段实现了对其电磁特性的实时调控能力。这种调控机制不仅能够调节反射信号的幅度、相位以及偏振状态等关键参数的变化范围与规律性特征，并且还赋予了该表面（RIS）通过引入额外自由度实现对无线传播环境智能重构的能力。

该定位系统采用了多信号分类技术（即MUSIC方法），由作者团队开发。通过精心配置的反射间隔子系统（RIS），该系统实现了对移动设备的位置精确识别，并为它们提供了高效的通信支持。

联合优化问题：研究者探讨了协同优化端点波束成型器和RIS相位调整器。该问题旨在通过Cramér-Rao下界（CRLB）限制下的信道容量最大化来实现通信性能提升。

交替优化方案：针对联合优化问题，在通信系统中提出了一个新的交替迭代方案。该方案通过结合梯度投影与流形优化技术，在UE波束成型器与RIS相移器之间实现了动态交互。通过该方案，在UE波束成型器与RIS相移器之间实现动态交互的同时，在接收端实现了信道容量的最大化以及定位精度的显著提升。

针对本研究中的信道建模需求，在该研究领域中首次提出了一种新的信道模型架构。该信道模型架构主要由两种核心组件构成：一种是能够实现用户设备（UE）定位功能的直射型子信道（RCS），另一种则是专门用于支持多用户通信的非直射型子信道（NCS）。通过这种设计架构，在实际应用场景中实现了对不同场景下的高效资源分配能力。

该基于RIS构建的ISAC框架与融合MUSIC算法的位置估计技术，在无线XR系统中实现了定位与通信功能的新方案设计。该方案不仅具备显著的技术优势，在实际应用中也展现出广阔的前景。

4 实验与结果

为了验证所提出的定位算法与优化方法的有效性，在仿真实验中构建了一个二维场景模型，并模拟了一个NB-RIS微基站支持下的XR-Uplink系统。该系统设计了满足ν ≤ μ ≤ ρ的条件，在同步运行状态下完成各节点方向角的参数配置：UE-BS、UE-RIS及RIS-BS的方向角分别设置为φ0、φ1及φ2；而各节点的位置参数则分别为pB、pR及pU点坐标位置。基于相同的传播损耗系数与Rician因子值，在不同数量级的RIS元组配置下对比分析了定位精度与信道容量性能指标的表现特征

实验研究表明，在无线XR系统中引入更多RIS元素能够明显改善定位精度和信道容量。此外，实验结果进一步表明所提出的定位算法与优化方案均具有良好的性能表现。在实际应用中，在线实施ISAC架构能够有效提升用户体验，并为无线网络技术的发展提供了新的技术方向

5 不足与未来展望

尽管本文在理论层面上具有很高的价值，在实际应用中仍面临诸多挑战。具体而言，在RIS（反射型智能 surfaces）的设计与部署过程中需考虑多个关键因素：首先是其动态自适应能力要求具备高效的算法与强大的计算能力；其次是硬件层面的实现同样面临诸多困难；此外在大规模MIMO（多输入多输出）系统背景下还需要解决更多的技术难题；最后文章所采用的定位算法与优化方法均建立在理想化的无线环境模型基础之上；但实际应用场景往往受到多径传播遮挡等复杂因素的影响而这可能会影响定位精度以及信道容量等关键性能指标

6 总结

总体而言，该文构建了一个基于RIS的无线XR中的ISAC架构，并开发了一种基于MUSIC算法的实用定位方案。通过仿真实验验证了所提定位算法及其优化策略的有效性，并发现，在保持系统稳定性的前提下，适当增加RIS单元数量能够显著提升定位精度与信道容量。这一研究不仅为无线网络技术的发展提供了新的研究思路，同时也面临诸多亟待解决的技术难题。

本文的全文可从这里获取。建议对相关内容感兴趣的读者深入学习。

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