[논문 리뷰] Channel Estimation for IRS-aided Multiuser Communications with Reduced Error Propagation

Yi Wei, Minjian Zhao외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 IRS-지원 다중 사용자 SIMO 시스템을 위한 새로운 이단계 채널 추정(2PCE) 전략을 제안한다. 이 전략은 목표 사용자에 대해 직접 경로 및 반사 경로 채널을 동시에 추정함으로써 기존의 세 단계 방법에서 발생하는 오차 전파 문제를 줄인다. 2PCE 방법은 훈련 오 overhead 를 증가시키지 않으면서도 채널 상태 정보(CSI) 추정에서 더 낮은 평균 제곱 오차(MSE)를 달성하며, 이는 분석적 분석과 시뮬레이션을 통해 입증된다.

ABSTRACT

Intelligent reflecting surface (IRS) has emerged as a promising paradigm to improve the capacity and reliability of a wireless communication system by smartly reconfiguring the wireless propagation environment. To achieve the promising gains of IRS, the acquisition of the channel state information (CSI) is essential, which however is practically difficult since the IRS does not employ any transmit/receive radio frequency (RF) chains in general and it has limited signal processing capability. In this paper, we study the uplink channel estimation problem for an IRS-aided multiuser single-input multi-output (SIMO) system, and propose a novel two-phase channel estimation (2PCE) strategy which can alleviate the negative effects caused by error propagation in the existing three-phase channel estimation approach, i.e., the channel estimation errors in previous phases will deteriorate the estimation performance in later phases, and enhance the channel estimation performance with the same amount of channel training overhead as in the existing approach. Moreover, the asymptotic mean squared error (MSE) of the 2PCE strategy is analyzed when the least-square (LS) channel estimation method is employed, and we show that the 2PCE strategy can outperform the existing approach. Finally, extensive simulation results are presented to validate the effectiveness of the 2PCE strategy.

연구 동기 및 목표

• IRS-지원 다중 사용자 시스템에서 기존의 세 단계 채널 추정 방식에서 발생하는 오차 전파 문제를 해결하기 위한 것이다.
• 목표 사용자에 대해 직접 경로 및 반사 경로 채널을 동시에 추정할 수 있는 훈련 전략을 설계하여 단계 간 오차 의존성을 최소화하기 위한 것이다.
• 제한된 신호 처리 능력과 RF 체인 없이 실용적인 IRS 제약 조건 하에서 채널 상태 정보(CSI) 확보의 정확도를 향상시키기 위한 것이다.
• 동일한 훈련 오 overhead 를 유지하면서도 기존 방법보다 더 나은 추정 성능을 달성하기 위한 것이다.
• 제안된 2PCE 전략의 점점 줄어드는 MSE 성능을 이론적으로 분석하고 검증하기 위한 것이다.

제안 방법

• 이중 단계 채널 추정 프레임워크를 도입한다: 1단계에서는 IRS 반사 패턴을 변화시켜 단일 사용자에 대해 직접 경로 및 반사 경로 채널을 추정한다.
• 2단계에서는 파ilot 심벌과 IRS 반사 패턴을 공동으로 설계하여 다른 사용자의 CSI를 추정함으로써 직접 경로 및 반사 경로 채널을 동시에 추정할 수 있도록 한다.
• 채널 추정에 최소 제곱(LS) 추정을 활용하고 성능 분석을 위한 점점 줄어드는 MSE 표현식을 유도한다.
• 구조화된 반사 패턴과 파ilot 설계를 사용하여 추정 오차를 분리하고 단계 간 오차 전파를 줄인다.
• 시스템 조건(M ≥ N 및 M < N)에 따라 2PCE와 기존의 세 단계 추정(3PCE) 간의 MSE 차이를 분석한다.
• MSE 차이에 대한 분석적 표현식을 유도하여, 점점 줄어드는 영역에서 2PCE가 항상 3PCE보다 낮은 MSE를 달성함을 증명한다.

Figure 1: An IRS-aided multiuser SIMO communication system.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 목표 사용자에 대해 직접 경로 및 반사 경로 채널을 동시에 추정함으로써 IRS-지원 다중 사용자 시스템에서 오차 전파를 줄일 수 있는가?
• RQ2 제안된 이단계 전략은 동일한 훈련 오 overhead 를 유지하면서도 기존의 세 단계 방법보다 더 나은 CSI 추정 정확도를 달성하는가?
• RQ3 다양한 시스템 구성 조건 하에서 제안된 2PCE 방법의 점점 줄어드는 평균 제곱 오차(MSE)가 3PCE 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 BS 안테나 수(M), 사용자 수(K), IRS 요소 수 등의 시스템 파라미터가 추정 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 직접 경로 및 반사 경로 채널의 MSE 측면에서 2PCE 전략이 3PCE 전략를 초월하는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• BS 안테나 수 M이 사용자 수 N 이상일 경우, 점점 줄어드는 영역에서 제안된 2PCE 전략은 기존의 세 단계 방법보다 더 낮은 평균 제곱 오차(MSE)를 달성한다.
• M ≥ N 조건에서 MSE 차이 분석을 통해 2PCE 방법이 직접 경로 및 반사 경로 채널 추정 모두에서 3PCE를 능가함을 증명하였으며, 모든 MSE 차이 성분이 양수임을 확인하였다.
• M < N 조건에서도 분석적 유도 과정에서 MSE 차이 성분이 양수임을 확인함으로써 2PCE 전략이 반사 경로 채널 추정에서 여전히 3PCE를 능가함을 입증하였다.
• 2PCE의 성능 향상 요인은 오차 전파 감소에 기인한다. 첫 번째 단계에서 공동 추정이 이루어지기 때문에 직접 경로 채널 추정 오차가 반사 경로 채널 추정에 영향을 주지 않는다.
• 시뮬레이션 결과는 이론적 분석을 검증하며, 동일한 훈련 오 overhead 를 유지하면서도 2PCE가 더 높은 추정 정확도를 달성함을 확인한다.
• 분석적 MSE 표현식은 2PCE 방법이 모든 사용자 그룹에서 낮은 추정 오차를 유지함을 확인하였으며, 특히 고신호대역비(SNR) 및 대규모 안테나 조건에서 두드러진 성능 향상을 보였다.

Figure 2: Proposed 2PCE strategy.