[論文レビュー] Channel Estimation for Intelligent Reflecting Surface Assisted Multiuser Communications

Zhaorui Wang, Liang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、基地局にマスティブMIMOを導入することで訓練オーバーヘッドを低減する、知能反射表面（IRS）支援マルチユーザー上行リンク通信のための3段階パイロットベースのチャネル推定方式を提案する。完全なCSI推定に必要なパイロット記号数が $K + N + \max(K-1, \lceil(K-1)N/M\rceil)$ 個で十分であることを証明しており、特に $M \geq N$ のマスティブMIMO環境下では従来手法と比較して訓練時間の大幅な短縮が可能である。本手法はチャネルの対称性と構造的パイロット設計を活用し、$KMN + KM$ 個のチャネル係数を最小限のオーバーヘッドで効率的に推定可能である。

ABSTRACT

In the intelligent reflecting surface (IRS) assisted communication systems, the acquisition of channel state information (CSI) is a crucial impediment for achieving the passive beamforming gain of IRS because of the considerable overhead required for channel estimation. Specifically, under the current beamforming design for IRS-assisted communications, $KMN+KM$ channel coefficients should be estimated if the passive IRS cannot estimate its channels with the base station (BS) and users due to its lack of radio frequency (RF) chains, where $K$, $N$ and $M$ denote the number of users, reflecting elements of the IRS, and antennas at the BS, respectively. This number can be extremely large in practice considering the current trend of massive MIMO (multiple-input multiple-output), i.e., a large $M$, and massive connectivity, i.e., a large $K$. To accurately estimate such a large number of channel coefficients within a short time interval, we devote our endeavour in this paper to investigating the efficient pilot-based channel estimation method in IRS-assisted uplink communications. Building upon the observation that the IRS reflects the signals from all the users to the BS via the same channels, we analytically verify that a time duration consisting of $K+N+\max(K-1,\lceil (K-1)N/M ceil)$ pilot symbols is sufficient for the BS to perfectly recover all the $KMN+KM$ channel coefficients in the case without noise. In contrast to the conventional uplink communications without IRS in which the minimum pilot sequence length for channel estimation is independent with the number of receive antennas, our study reveals the significant role of massive MIMO in reducing the channel training time for IRS-assisted communication systems.

研究の動機と目的

• 推定すべきチャネル係数の数が多いため、IRS支援マルチユーザーシステムにおける高いパイロットオーバーヘッドという重要な課題に対処すること。
• RFチェーンを備えない受動的IRSの制限を克服し、基地局およびユーザーとのチャネルを自ら推定できないこと。
• 訓練時間の短縮を実現しつつ、基地局での完全なCSI取得を可能にする効率的なパイロットベースのチャネル推定戦略の開発。
• IRS支援上行リンクシステムにおける完全なチャネル推定を実現するための理論的最小パイロット系列長の特定。
• 特に基地局のアンテナ数 $M$ が大きいシステムにおいて、マスティブMIMOの利点を活用して訓練オーバーヘッドを低減すること。

提案手法

• 3段階パイロットベースの推定戦略を提案：段階Iでは $K$ 記号で直接ユーザーから基地局へのチャネルを推定；段階IIでは $N$ 記号で1人の代表的ユーザーのIRS反射チャネルを推定；段階IIIでは干渉キャンセレーションを用いて残りのIRS反射チャネルを推定。
• 段階IIIでは、他のユーザーのチャネルが代表的ユーザーのチャネルのスケーリング版であるという事実を活用し、構造的パイロット設計と干渉キャンセレーションにより推定を可能にする。
• 時分割パイロット方式を採用し、初期段階では1人のユーザーのみが非ゼロパイロットを送信するようにすることで、干渉を最小限に抑え、一意な解の回復を可能にする。
• 最終段階では複数ユーザーが同時に送信するが、干渉キャンセレーションと一意な $\lambda_{k,n}$ 係数推定を可能にするために、互いに素な集合 $\Lambda_{k,1}$ と $\Lambda_{k,2}$ を構成する。
• 各タイムスロットで $M$ 個の要素のみを活性化する構造的IRS反射係数設計を採用し、フルランクのチャネル行列の回復を保証する。
• i.i.d. レイリー fading を仮定した下で、受信信号に基づく線形方程式系を導出し、$\lambda_{k,n}$（ユーザーからIRSを経由して基地局への有効チャネル利得）を回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS支援マルチユーザー上行リンク通信において、完全なチャネル状態情報（CSI）推定を達成するために必要な最小パイロット系列長は何か？
• RQ2 基地局にマスティブMIMOを導入することで、IRS支援システムにおけるチャネル訓練オーバーヘッドをどのように低減できるか？
• RQ3 受動的IRSが自らのチャネルを推定できない状況下でも、複数ユーザーのチャネル係数を効率的に推定することは可能か？
• RQ4 基地局アンテナ数 $M$ が、従来のマルチユーザーMIMOと比較して、IRS支援システムにおける最小訓練時間にどのように影響を与えるか？
• RQ5 特に大規模システムにおいて、ユーザー数に比例するスケーラブルな訓練系列長で完全なCSI推定が達成可能か？

主な発見

• 完全なCSI推定に必要な最小パイロット系列長は $K + N + \max(K-1, \lceil(K-1)N/M\rceil)$ 記号であり、従来手法と比較して顕著に短い。
• $M \geq N$ のマスティブMIMO環境下では、訓練長は $2K + N - 1$ 記号に短縮され、ユーザー数に比例して線形に増加する：1人の追加ユーザーにつき2つの追加パイロット記号で十分。
• 本手法は、すべてのIRS要素がすべてのユーザーからの信号を同じチャネル経由で反射するという事実を活用し、干渉キャンセレーションによる構造的推定により完全なチャネル推定を実現する。
• $M < N$ の場合、最小訓練長は $K + N + \lceil(K-1)N/M\rceil$ となり、活性化IRS要素集合とパイロットスケジューリングの注意深い構築により、一意な解の存在が保証される。
• 基地局の多数の受信アンテナを活用することで、$KMN + KM$ 個のチャネル係数（$K$ ユーザーが $N$ 要素のIRS経由で $M$ アンテナの基地局へ）を最小限のオーバーヘッドで効率的に推定可能である。
• 理論的分析により、i.i.d. レイリー fading を仮定した下で、本手法の3段階戦略は確率1で完全なCSI回復を達成することが証明されている（受信ノイズなしを仮定）。