[논문 리뷰] Channel Estimation for Intelligent Reflecting Surface Assisted Multiuser Communications

Zhaorui Wang, Liang Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 기지국에서 대량의 MIMO를 활용하여 교육 과정의 오버헤드를 줄이기 위해 스마트 반사 표면(IR)을 지원하는 다중 사용자 업링크 통신을 위한 삼단계 피LOT 기반 채널 추정 방식을 제안한다. 이를 통해 완벽한 CSI 추정을 위해 단지 $K + N + \max(K-1, \lceil(K-1)N/M\rceil)$개의 피LOT 기호로 충분하며, 특히 $M \geq N$ 인 대량 MIMO 환경에서 기존 방법에 비해 교육 시간을 크게 단축시킨다. 이 방법은 채널 상호보완성과 구조적 피LOT 설계를 활용하여 $KMN + KM$개의 채널 계수를 최소한의 오버헤드로 효율적으로 추정한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 추정해야 할 채널 계수의 수가 많기 때문에 IRS를 지원하는 다중 사용자 시스템에서 높은 피LOT 오버헤드 문제를 해결한다.
• RF 체인을 갖추지 못한 수동적 IRS로 인해 기지국 및 사용자와의 자체 채널을 추정할 수 없다는 한계를 극복한다.
• 최소한의 교육 시간으로 완벽한 CSI 확보를 가능하게 하면서도 효율적인 피LOT 기반 채널 추정 전략을 개발한다.
• IRS를 지원하는 업링크 시스템에서 완벽한 채널 추정을 위한 이론적 최소 피LOT 시퀀스 길이를 규명한다.
• 특히 기지국의 안테나 수 $M$이 큰 경우, 대량 MIMO의 이점을 활용하여 교육 오버헤드를 줄인다.

제안 방법

• 삼단계 피LOT 기반 추정 전략을 제안한다: 단계 I에서는 $K$개의 기호로 직접 사용자-기지국 채널을 추정한다; 단계 II에서는 한 명의 대표 사용자에 대해 IRS 반사 채널을 $N$개의 기호로 추정한다; 단계 III에서는 간섭 제거 기법을 활용해 나머지 IRS 반사 채널을 추정한다.
• 단계 III에서, 다른 사용자들의 채널이 대표 사용자 채널의 스케일링된 복제임을 활용하여, 구조적 피LOT 설계와 간섭 제거를 통해 추정을 가능하게 한다.
• 시간 분할 피LOT 방식을 사용하며, 초기 단계에서는 한 명의 사용자만 비영 피LOT을 전송하여 간섭을 최소화하고 고유한 해를 복원할 수 있도록 한다.
• 최종 단계에서는 다수의 사용자가 동시에 전송할 경우, 간섭 제거와 고유한 추정을 가능하게 하기 위해 서로소 집합 $\Lambda_{k,1}$ 및 $\Lambda_{k,2}$를 구성한다.
• 구조적 IRS 반사 계수 설계를 적용하여, 각 타임슬롯에 단지 $M$개의 요소만 활성화되도록 하여 전체 랭크 채널 행렬 복원을 보장한다.
• 수신 신호 기반 선형 방정식 시스템을 유도하고 해를 구함으로써, 사용자에서 IRS를 거쳐 기지국으로 향하는 효과적 채널 이득 $\lambda_{k,n}$을 추정한다. 이는 i.i.d. 레이일레이 페이딩 가정 하에 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS를 지원하는 다중 사용자 업링크 통신에서 완벽한 채널 상태 정보(CSI) 추정을 달성하기 위해 필요한 최소 피LOT 시퀀스 길이는 얼마인가?
• RQ2 기지국에 구현된 대량 MIMO를 어떻게 활용하여 IRS를 지원하는 시스템의 채널 교육 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ3 IRS가 수동적이라서 자체 채널을 추정할 수 없는 상황에서, 다수의 사용자 채널 계수를 효율적으로 추정할 수 있는가?
• RQ4 기지국 안테나 수 $M$이 기존 다중 사용자 MIMO 대비 IRS를 지원하는 시스템에서 최소 교육 지속 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 대규모 시스템에서 사용자 수에 따라 스케일링 가능한 교육 시퀀스 길이로 완벽한 CSI 추정을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 완벽한 CSI 추정을 위한 최소 피LOT 시퀀스 길이는 $K + N + \max(K-1, \lceil(K-1)N/M\rceil)$ 기호이며, 이는 기존 방법에 비해 현저히 짧다.
• 대량 MIMO 환경($M \geq N$)에서는 교육 길이가 $2K + N - 1$ 기호로 단순화되며, 사용자 수에 따라 선형적으로 증가한다: 추가로 한 명의 사용자가 더 필요로 하는 피LOT 기호 수는 단지 2개이다.
• 제안된 방법은 모든 IRS 요소가 동일한 채널을 통해 모든 사용자로부터 신호를 반사한다는 사실을 활용하여, 간섭 제거를 통한 구조적 추정을 가능하게 하여 완벽한 채널 추정을 달성한다.
• 만약 $M < N$일 경우 최소 교육 길이는 $K + N + \lceil(K-1)N/M\rceil$이며, 활성화된 IRS 요소 집합과 피LOT 스케줄링의 철저한 설계를 통해 고유한 해 존재를 보장한다.
• 기지국의 대량 수신 안테나를 활용하여 $KMN + KM$개의 채널 계수(각 $K$명의 사용자가 $N$개 요소의 IRS를 거쳐 $M$안테나 기지국으로 향함)를 최소한의 오버헤드로 효율적으로 추정할 수 있다.
• 이론적 분석을 통해 제안된 삼단계 전략이 i.i.d. 레이일레이 페이딩 조건 하에서 수신기 노이즈가 없을 경우 확률 1로 완벽한 CSI 복원을 달성함을 증명하였다.