[論文レビュー] Transforming Fading Channel from Fast to Slow: Intelligent Refracting Surface Aided High-Mobility Communication

Zixuan Huang, Beixiong Zheng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、インテリジェントな屈折面（IRS）を支援する高速移動通信のための2段階伝送プロトコルを提案する。準静的ユーザー-IRSおよび視線（LoS）BS-IRSチャネルを活用することで、効率的なチャネル推定と受動ビームフォーミングを実現する。この手法により、高速フェージングチャネルが遅いフェージングチャネルに変換され、訓練オーバーヘッドを著しく低減しながら、完全なIRS受動ビームフォーミングゲインを達成する。

ABSTRACT

Intelligent reflecting/refracting surface (IRS) has recently emerged as a promising solution to reconfigure wireless propagation environment for enhancing the communication performance. In this paper, we study a new IRS-aided high-mobility communication system by employing the intelligent refracting surface with a high-speed vehicle to aid its passenger's communication with a remote base station (BS). Due to the environment's random scattering and vehicle's high mobility, a rapidly time-varying channel is typically resulted between the static BS and fast-moving IRS/user, which renders the channel estimation for IRS with a large number of elements more challenging. In order to reap the high IRS passive beamforming gain with low channel training overhead, we propose a new and efficient transmission protocol to achieve both IRS channel estimation and refraction optimization for data transmission. Specifically, by exploiting the quasi-static channel between the IRS and user both moving at the same high speed as well as the line-of-sight (LoS) dominant channel between the BS and IRS, the user first estimates the LoS component of the cascaded BS-IRS-user channel, based on which IRS passive refraction is designed to maximize the corresponding IRS-refracted channel gain. Then, the user estimates the resultant IRS-refracted channel as well as the non-IRS-refracted channel for setting an additional common phase shift at all IRS refracting elements so as to align these two channels for maximizing the overall channel gain for data transmission. Simulation results show significant performance improvement of the proposed design as compared to various benchmark schemes. The proposed on-vehicle IRS system is further compared with a baseline scheme of deploying fixed intelligent reflecting surfaces on the roadside to assist high-speed vehicular communications, which achieves significant rate improvement.

研究の動機と目的

• IRS支援の高速移動車両通信における高い訓練オーバーヘッドと急激に変化するチャネルの課題に対処すること。
• 高いユーザー移動性とランダムな散乱のため、高速フェージング環境下でのCSI取得の難しさを克服すること。
• 準静的ユーザー-IRSおよびLoS BS-IRSリンクを活用して、最小限のチャネル訓練で効率的な受動ビームフォーミングを可能にすること。
• 高速移動環境下でも完全なIRS受動ビームフォーミングゲインを達成し、全体のチャネルを安定化させ、信頼性の高い伝送を実現すること。

提案手法

• 2段階プロトコルを提案：第1段階ではパイロット信号を用いて、カスケード型BS-IRS-ユーザーチャネルのLoS成分を推定する。
• 第1段階では、推定されたLoS成分に基づき、IRSの受動屈折を最適化して、IRS屈折チャネルゲインを最大化する。
• 第2段階では、IRS屈折および非IRS屈折チャネルの両方を推定し、すべてのIRS素子に共通の位相シフトを設定する。
• 共通の位相シフトにより、2つのチャネルを整合させ、データ伝送のための全体的なチャネルゲインを最大化する。
• 空間相関性とサブサーフェスグループ化を用いて、各サブサーフェスごとの有効チャネルを推定することで、訓練オーバーヘッドを低減する。
• ビームフォーミングベクトルと位相パrameterを含むチャネルゲイン式を用いて、勾配ベース最適化によりIRS位相シフトを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速移動におけるIRS支援システムで、時間的に急激に変化するチャネルにおいて、どのように効率的なチャネル推定を実現できるか？
• RQ2 高いユーザー移動性に起因するBS-ユーザーリンクの高速フェージング特性を、知的なIRS再構成によって緩和できるか？
• RQ3 最小限の訓練オーバーヘッドで完全な受動ビームフォーミングゲインを達成する最適な2段階プロトコルは何か？
• RQ4 準静的ユーザー-IRSチャネルを活用することで、従来のIRSシステムと比較して、訓練効率がどの程度向上するか？
• RQ5 提案手法によって、高速移動環境下で、高速フェージングチャネルがどの程度遅いフェージングチャネルに変換されるか？

主な発見

• 提案された2段階プロトコルは、時間的に急激に変化するチャネルにもかかわらず、高速移動環境下で完全なIRS受動ビームフォーミングゲインを達成する。
• 全体のBS-ユーザーチャネルは、高速フェージングから遅いフェージングに変換され、より信頼性の高いデータ伝送が可能になる。
• シミュレーション結果から、基地局に設置された固定IRS方式と比較して、チャネル訓練時間の著しい短縮に起因するレート向上が確認された。
• 本手法は、準静的ユーザー-IRSチャネルとLoS支配のBS-IRSリンクを効果的に活用し、訓練オーバーヘッドを最小限に抑える。
• Cramér-Rao下限（CRB）解析により、位相シフト推定の正確性が確認され、位相パrameter ψxおよびψyのCRB値が導出された。
• 高速車両環境下では、フィードバックと訓練の要件が削減されるため、固定型道路沿いIRS配置に比べて本手法が優れている。