[論文レビュー] Channel Estimation for RIS-assisted Millimeter-wave MIMO Systems

Battu Deepak, R. S. Prasobh Sankar+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、再構成可能インテリジェント表面（RIS）を支援するミリ波MIMOシステムにおけるパイロットベースのアップリンクチャネル推定手法を提案する。異なるRIS位相シフトを用いた複数回のチャネルサウンディングにより、ユーザー設備（UE）-RISチャネルのあいまいさを解消する。この手法により、基地局（BS）における送信角度（AoD）、受信角度（AoA）、および複素パス利得を高精度に推定でき、UEの正確な位置を事前に知っているオラクル推定器と同等の性能を達成する。

ABSTRACT

Channel estimation in reconfigurable intelligent surface (RIS) assisted multiple input multiple output (MIMO) communication systems is challenging as pilots cannot be decoded at or transmitted from a RIS with only passive elements. We assume an angular model for the line-of-sight channel between the user equipment (UE) and the RIS and between the RIS and the base station (BS) with no direct path between the UE and BS. In this letter, assuming that we can compute the RIS-BS channel (up to a complex path gain) from their known locations, we first discuss the ambiguity involved in estimating the UE-RIS channel. We propose a multiple channel sounding procedure in which we observe the channel through different RIS phase shifts and present an algorithm for channel estimation to resolve this ambiguity. Through simulations, we show that the proposed method is comparable to an oracle estimator, which perfectly knows the BS, UE, and RIS locations.

研究の動機と目的

• 従来のパイロットベースの手法が、受動的RIS素子のため失敗する、RIS支援型mmWave MIMOシステムにおけるUE-RISチャネル推定の課題に対処すること。
• 単一のサウンディングからの複素パス利得と角度（AoD, AoA）を同時に推定する際の本質的あいまいさを解消すること。
• UEからの直接フィードバックや通信を必要とせず、BSで正確なチャネル推定を可能にすること。
• UE, RIS, BSの正確な位置を知っているオラクル推定器に近い性能を達成すること。
• 変化するRIS位相シフトを用いた複数回のチャネルサウンディングが、チャネルパラメータのあいまいさを解消する有効性を実証すること。

提案手法

• UE-RISおよびRIS-BSリンクにライン・オブ・サイト（LoS）伝播を仮定するアングルMIMOチャネルモデルを採用。UE-BS間の直接パスは存在しない。
• RISとBSの位置が固定かつ既知であるため、RIS-BSチャネルは複素パス利得を除いて既知であると仮定。
• 異なるRIS位相シフト設定を用いた複数回のチャネルサウンディングにより、異なるチャネル応答を励起し、パラメータのあいまいさを解消する。
• UE-RISチャネルパラメータ（UEにおける送信角度、RISにおける受信角度（方位および仰角）、複素パス利得）を同時に推定するための擬似スペクトルベース推定アルゴリズムを適用。
• 位相シフト付きRIS応答に基づいて、UEの位置を局在化するための擬似スペクトルの閉形式表現を導出。
• UEからの低レートフィードバックを必要とせず、アップリンクパイロットとRIS位相シフト制御のみを用いて、BSで完全にチャネル推定を実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISが受動的でありパイロットを復調できない場合、単一のサウンディングからのUE-RISチャネルは一意に推定可能か？
• RQ2 複素パス利得と角度のあいまいさを解消するために必要な最小サウンディング回数はいくつか？
• RQ3 提案手法の推定アルゴリズム性能は、UEおよびRISの正確な位置を知っているオラクル推定器と比較してどの程度か？
• RQ4 SNR、RIS素子数、サウンディング回数が推定精度およびスペクトル効率に与える影響は？
• RQ5 不完全な角度推定であっても、提案手法はオラクルに近いスペクトル効率を達成可能か？

主な発見

• 提案手法は、SNR > -15 dB かつ L > 4 回のサウンディング条件下で、UE, RIS, BSの真の位置を知っているオラクル推定器と同等の正規化平均二乗誤差（NMSE）性能を達成する。
• L = 2 回のサウンディングのみでも、SNR ≈ 0 dB で平均スペクトル効率（SE）がオラクル推定器の1 dB以内に収まり、角度推定が極めて高精度であることを示している。
• RISアパーチャーを8×8から16×16に4倍に拡大すると、NMSEが6 dB低下し、SEが3 dB向上する。これは、より大きなアレイがもたらす利点を示している。
• SNRおよびRIS素子数が増加するにつれて推定性能が向上し、より高いアパーチャーにより角度分解能とビームフォーミング利得が向上する。
• 複数回のRIS位相シフト設定とアップリンクパイロットのみを用いて、複素パス利得と角度の同時推定におけるあいまいさを効果的に解消できた。
• 擬似スペクトル法により、UEの送信方向およびRISの受信角度が効果的に局在化され、-10 dB SNRでも真の位置に明確なピークが現れる。