[논문 리뷰] Two-Timescale Channel Estimation for Reconfigurable Intelligent Surface Aided Wireless Communications

Chen Hu, Linglong Dai|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 19인용 수 34

한 줄 요약

두 타임스케일 프레임워크를 제안하여 RIS-도움 무선 시스템에서 고차원적이고 quasi-static인 BS-RIS 채널을 듀얼-링크 파일럿으로 덜 자주 추정하고, 모바일 RIS-UE 및 BS-UE 채널은 저차원 LS 방법으로 더 짧은 타임스케일에서 추정하여 파일럿 오버헤드를 줄인다.

ABSTRACT

Channel estimation is challenging for the reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided wireless communications. Since the number of coefficients of the cascaded channel among the base station (BS), the RIS and the user equipments (UEs) is the product of the number of BS antennas, the number of RIS elements, and the number of UEs, the pilot overhead can be prohibitively high. In this paper, we propose a two-timescale channel estimation framework to exploit the property that the BS-RIS channel is high-dimensional but quasi-static, while the RIS-UE channel is mobile but low-dimensional. Specifically, to estimate the quasi-static BS-RIS channel, we propose a dual-link pilot transmission scheme, where the BS transmits downlink pilots and receives uplink pilots reflected by the RIS. Then, we propose a coordinate descent-based algorithm to recover the BS-RIS channel. Since the quasi-static BS-RIS channel is estimated less frequently than the mobile channel be, the average pilot overhead can be reduced from a long-term perspective. Although the mobile RIS-UE channel has to be frequently estimated in a small timescale, the associated pilot overhead is low thanks to its low dimension. Simulation results show that the proposed two-timescale channel estimation framework can achieve accurate channel estimation with low pilot overhead.

연구 동기 및 목표

• RIS-도움 시스템에서 계단식 BS-RIS-UE 채널로 인해 발생하는 높은 파일럿 오버를 동기부여하고 해결한다.
• 두-타임스케일 특성(quasi-static BS-RIS vs. 모바일 RIS-UE 및 BS-UE)을 활용하여 오버헤드를 줄인다.
• 듀얼-링크 파일럿 스킴과 효율적인 알고리즘을 결합한 실용적 추정 프레임워크를 개발한다.
• 정확도를 유지하면서 파일럿 오버헤드를 줄임을 보여주는 분석 및 시뮬레이션을 제공한다.

제안 방법

• BS-RIS 채널은 고차원이고 quasi-static이며, RIS-UE 및 BS-UE 채널은 모바일하고 저차원이라는 두-타임스케일 채널 모델을 도입한다.
• BS가 RIS로 다운링크 파일럿을 송신하고 RIS가 이를 다시 BS로 반사하는 듀얼링크 파일럿 전송 스킴을 제안하여 quasi-static BS-RIS 채널 추정을 가능하게 한다.
• BS-RIS 채널을 N개의 서브프로블럼( RIS 요소당 하나)으로 분해하고 반복적으로 추정치를 정제해 추정하는 좌표 하강법 기반 알고리즘을 제시한다.
• 저차원 차원으로 업링크 파일럿과 최소제곱법(LS 방법)을 사용하여 모바일 RIS-UE 및 BS-UE 채널을 추정하고, 오버헤드를 줄인다.
• 구조화된 파일럿 설계와 DFT 기반 반사 매트릭스를 도출하여 추정 문제를 다루기 쉬운 서브프로블럼으로 변환하고 이를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS-도움 시스템에서 CSI 정확도를 저하하지 않으면서 파일럿 오버를 줄일 수 있는가?
• RQ2 BS-RIS 채널이 quasi-static한 특성으로 인해 드물게 추정되어도 충분히 정확한가, 반면 모바일 RIS-UE 및 BS-UE 채널은 낮은 오버헤드로 자주 추적될 수 있는가?
• RQ3 실용적인 RIS-도움 시스템에서 고차원 BS-RIS 채널의 신뢰성 있는 추정을 가능하게 하는 알고리즘과 파일럿 설계는 무엇인가?
• RQ4 제안된 두-타임스케일 프레임워크는 오버헤드와 성능 면에서 Cascaded-channel 추정 접근법과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 두-타임스케일 프레임워크는 고차원 BS-RIS 채널을 덜 자주 추정하고 저차원 모바일 채널을 더 자주 추정함으로써 평균 파일럿 오버를 줄인다.
• 듀얼-링크 파일럿 스킴은 RIS 하드웨어 제약( RIS에서의 능동 파일럿 부재)에도 불구하고 quasi-static BS-RIS 채널 추정을 가능하게 한다.
• 좌표 하강법 기반의 BS-RIS 채널 추정기는 N개의 독립 서브프로블럼을 반복적으로 정제하여 BS-RIS 채널을 효과적으로 복원한다.
• 모바일 RIS-UE 및 BS-UE 채널은 짧은 파일럿을 사용한 LS 방법으로 추정할 수 있어 cascaded-channel 방식에 비해 전체 오버헤드를 줄인다.
• 시뮬레이션 결과는 기존 cascaded-channel 방식보다 현저히 낮은 파일럿 오버로도 정확한 채널 추정을 보인다.