[논문 리뷰] Anchor-Assisted Channel Estimation for Intelligent Reflecting Surface Aided Multiuser Communication

Xinrong Guan, Qingqing Wu외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 교통량을 줄이기 위해 지능형 반사 표면(IIRS) 기반 다중 사용자 시스템에 대해 두 가지 앵커 기반 채널 추정 기법을 제안한다. 두 개의 고정된 앵커 노드(A1, A2)를 도입함으로써, 기지국은 공통된 기지국-IIRS 링크 또는 중간 채널의 부분적인 CSI를 확보하게 되어, 실시간 학습을 줄이고 효율적인 연결 채널 추정이 가능해지며, 스펙트럼 효율성과 지연 면에서 기존 방법을 능가한다.

ABSTRACT

Channel estimation is a practical challenge for intelligent reflecting surface (IRS) aided wireless communication. As the number of IRS reflecting elements or IRS-aided users increases, the channel training overhead becomes excessively high, which results in long delay and low throughput in data transmission. To tackle this challenge, we propose in this paper a new anchor-assisted channel estimation approach, where two anchor nodes, namely A1 and A2, are deployed near the IRS for facilitating its aided base station (BS) in acquiring the cascaded BS-IRS-user channels required for data transmission. Specifically, in the first scheme, the partial channel state information (CSI) on the element-wise channel gain square of the common BS-IRS link for all users is first obtained at the BS via the anchor-assisted training and feedback. Then, by leveraging such partial CSI, the cascaded BS-IRS-user channels are efficiently resolved at the BS with additional training by the users. While in the second scheme, the BS-IRS-A1 and A1-IRS-A2 channels are first estimated via the training by A1. Then, with additional training by A2, all users estimate their individual cascaded A2-IRS-user channels simultaneously. Based on the CSI fed back from A2 and all users, the BS resolves the cascaded BS-IRS-user channels efficiently. In both schemes, the quasi-static channels among the fixed BS, IRS, and two anchors are estimated off-line only, which greatly reduces the real-time training overhead. Simulation results demonstrate that our proposed anchor-assisted channel estimation schemes achieve superior performance as compared to existing IRS channel estimation schemes, under various practical setups. In addition, the first proposed scheme outperforms the second one when the number of antennas at the BS is sufficiently large, and vice versa.

연구 동기 및 목표

• 대규모 IIRS 요소와 다수의 사용자가 존재하는 IIRS 기반 다중 사용자 시스템에서 높은 교육 오버헤드 문제를 해결한다.
• 고정된 앵커 노드를 활용해 장기 채널 성분을 사전 추정함으로써 실시간 채널 추정 오버헤드를 줄인다.
• 앵커로부터의 CSI 피드백을 활용해 최소한의 파ilot 신호 전송으로 효율적인 연결 채널 추정(기지국-IIRS-사용자)을 가능하게 한다.
• 장기 및 단기 채널 학습을 분리함으로써 IIRS 기반 시스템에서 저지연, 고대역폭 통신을 달성한다.

제안 방법

• IIRS 근처에 두 개의 앵커 노드(A1, A2)를 배치하여 채널 학습 및 피드백을 위한 중간 중계 역할을 수행한다.
• 1번 기법에서는 기지국이 A1과 A2를 통해 공통된 기지국-IIRS 링크의 부분적인 CSI를 추정한 후, 사용자별 학습을 통해 개별 연결 채널을 해소한다.
• 2번 기법에서는 A1이 기지국-IIRS-A1 및 A1-IIRS-A2 채널을 추정하고, A2가 추가 학습을 통해 모든 사용자의 A2-IIRS-사용자 채널을 추정한다.
• 기지국은 A2로부터의 CSI와 사용자 피드백을 조합하여 행렬 역행렬화 및 대각화 기법을 사용해 전체 연결된 기지국-IIRS-사용자 채널을 재구성한다.
• IIRS 반사 계수의 수동성과 위상 제어 가능성을 활용해, 구조화된 신호 설계를 기반으로 한 파ilot 기반 학습을 가능하게 한다.
• 추정된 연결 채널 행렬에서 사용자별 채널을 해소하기 위해 행렬 역행렬화 및 대각화 기법을 사용하며, 전체 랭크 조건을 만족할 경우 유일한 복원이 보장된다.

Figure 1: An IRS-aided multiuser communication system, with two anchor nodes A1 and A2 deployed near the IRS to assist in the cascaded BS-IRS-user channel estimation.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IIRS에 활성 RF 체인을 요구하지 않고도 고정된 앵커 노드가 IIRS 기반 다중 사용자 시스템의 실시간 교육 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ2 공통된 기지국-IIRS 링크의 부분적인 CSI는 어떻게 다수의 사용자에 대한 효율적인 연결 채널 추정을 가능하게 하는가?
• RQ3 두 가지 제안된 앵커 기반 기법 간의 교육 오버헤드 및 스펙트럼 효율성 측면에서의 성능 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 추정된 기지국-IIRS 채널이 정확하지 않은 경우에도 파ilot 신호로부터 연결된 기지국-IIRS-사용자 채널을 유일하게 복원할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 앵커 기반 기법은 IIRS 기반 다중 사용자 시스템에서 기존의 파ilot 기반 방법에 비해 교육 오버헤드를 크게 줄였다.
• 기지국의 안테나 수가 많을 경우 1번 기법이 2번 기법보다 우수한 성능을 보이며, 이는 공간 Multiplexing 이득을 더 효과적으로 활용하기 때문이다.
• 기지국의 안테나 수가 적을 경우 2번 기법이 1번 기법보다 우수한 성능를 보이며, 이는 더 효율적인 중간 채널 추정 덕분이다.
• 추정된 기지국-IIRS 채널이 정확하지 않더라도 앵커 기반 학습 및 피드백을 통해 연결된 기지국-IIRS-사용자 채널은 여전히 유일하게 복원 가능하다.
• 시뮬레이션 결과는 다양한 실용적인 IIRS 및 사용자 구성에서 뛰어난 스펙트럼 효율성과 낮은 지연을 확인했다.
• 제안된 방법은 최소한의 실시간 신호 전송으로 정확한 채널 추정을 가능하게 하여 대규모 IIRS 구현에 실용적임을 입증했다.

Figure 2: Channel estimation and data transmission protocol of the proposed anchor-assisted channel estimation Scheme 1.