[논문 리뷰] Channel Estimation for RIS-assisted Millimeter-wave MIMO Systems

Battu Deepak, R. S. Prasobh Sankar외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 18인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능 지능 표 superf Olympian (RIS)-보조 밀리미터파 MIMO 시스템을 위한 피LOT 기반 업링크 채널 추정 방법을 제안한다. 서로 다른 RIS 위상 이득을 사용한 다중 채널 사운딩을 통해 사용자 단말(UE)-RIS 채널 추정의 모호함을 해결한다. 이 방법은 기본국(UE)에서의 도착각(AoD), 수신국(BS)에서의 도착각(AoA) 및 복소 경로 이득을 정확하게 추정할 수 있으며, 정확한 위치 정보를 갖는 오라클 추정기와 유사한 성능을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기본국(UE)과 RIS 사이의 채널을 추정하는 데 어려움이 발생하는 RIS 보조 mmWave MIMO 시스템에서 기존 피LOT 기반 방법이 수동 RIS 요소로 인해 실패하는 문제를 해결하기 위해.
• 단일 사운딩에서 복소 경로 이득과 각도(AoD, AoA)를 동시에 추정할 때 내재된 모호함을 해결하기 위해.
• UE로부터 직접 피드백이나 통신 없이도 수신국(BS)에서 정확한 채널 추정을 가능하게 하기 위해.
• UE, RIS, BS의 정확한 위치를 알고 있는 오라클 추정기 수준의 성능을 달성하기 위해.
• 다양한 RIS 위상 이득을 사용한 다중 채널 사운딩이 채널 매개변수의 모호함을 해결하는 데 효과적임을 입증하기 위해.

제안 방법

• UE-RIS 및 RIS-BS 링크 간의 라인오브사이트(LoS) 전파를 가정하는 각도 기반 MIMO 채널 모델을 사용하며, UE-BS 간 직접 경로가 없음을 전제로 한다.
• RIS와 BS의 위치가 고정되어 있고 알려져 있으므로, RIS-BS 채널은 복소 경로 이득을 제외하고는 알려져 있다고 가정한다.
• 다양한 RIS 위상 이득 설정을 사용한 다중 채널 사운딩을 통해 서로 다른 채널 응답을 유도하고 매개변수의 모호함을 해소한다.
• pseudo-spectrum 기반 추정 알고리즘을 적용하여 UE-RIS 채널 매개변수를 동시에 추정한다: UE에서의 도착각(AoD), RIS에서의 도착각(수평 및 수직), 복소 경로 이득.
• 위상 이득이 조절된 RIS 응답을 기반으로 UE의 위치를 국소화하기 위한 pseudo-spectrum의 닫힌 형식 표현을 유도한다.
• UE로부터 저속 피드백이 필요 없이, 업링크 피LOT과 RIS 위상 이득 제어만을 사용하여 BS에서 채널 추정을 완전히 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 RIS 요소는 피LOT을 복호화할 수 없으므로, 단일 사운딩만으로도 UE-RIS 채널을 유일하게 추정할 수 있는가?
• RQ2 복소 경로 이득과 각도의 모호함을 해소하기 위해 최소 몇 번의 채널 사운딩이 필요한가?
• RQ3 제안된 추정 알고리즘의 성능은 UE 및 RIS 위치를 정확히 안다는 가정 하에 오라클 추정기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 SNR, RIS 요소 수, 사운딩 횟수는 추정 정확도와 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 불완전한 각도 추정에도 불구하고, 제안된 방법이 근접한 오라클 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 UE, RIS, BS의 진짜 위치를 알고 있는 오라클 추정기와 유사한 정규화 평균 제곱 오차(NMSE) 성능을 달성하며, 특히 SNR > -15 dB 이며 L > 4회의 사운딩일 경우 두드러진다.
• L = 2회의 사운딩만으로도 SNR ≈ 0 dB에서 오라클 추정기의 평균 스펙트럼 효율성(Spectral Efficiency, SE)과 1 dB 이내로 수렴하여 매우 정확한 각도 추정이 가능함을 시사한다.
• RIS 어플라이언스를 8×8에서 16×16 요소로 4배로 확장하면 NMSE는 6 dB 감소하고 SE는 3 dB 향상되며, 더 큰 어레이의 이점이 입증된다.
• SNR과 RIS 요소 수가 증가할수록 추정 성능이 향상되며, 더 큰 어플라이언스는 각도 해상도와 빔포밍 이득을 향상시킨다.
• 다중 RIS 위상 이득 설정과 업링크 피LOT만으로도 복소 경로 이득과 각도의 공동 추정에서 발생하는 모호함을 성공적으로 해소한다.
• pseudo-spectrum 방법은 UE의 도착각 방향과 RIS의 도착각을 효과적으로 국소화하며, -10 dB SNR에서도 진짜 위치에 명확한 피크를 보인다.