[논문 리뷰] Wireless Communication via Double IRS: Channel Estimation and Passive Beamforming Designs

Changsheng You, Beixiong Zheng외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 사용자가 액세스 포인트를 통해 연결된 이중 인텔리전트 반사 표면(IRS) 시스템에서 두 가지 채널 추정 방식과 협업형 수동 빔포밍 설계를 제안한다. 사용자는 연속된 사용자-IRS1-IRS2-AP 링크를 통해 액세스 포인트와 통신한다. 첫 번째 방식은 일반적인 Rician fading 조건 하에서 모든 연속 채널 계수를 추정하며, 두 번째 방식은 LoS 우세한 IRS 간 채널 조건에서 질서가 1인 구조를 활용하여 교육 시간을 줄인다. 수치 결과는 제안된 설계를 적용한 이중-IRS 시스템이 단일-IRS 배포보다 훨씬 높은 스펙트럼 효율성을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

In this letter, we study efficient channel estimation and passive beamforming designs for a double-intelligent reflecting surface (IRS) aided single-user communication system, where a user communicates with an access point (AP) via the cascaded user-IRS 1-IRS 2-AP double-reflection link. First, a general channel estimation scheme is proposed for the system under any arbitrary inter-IRS channel, where all coefficients of the cascaded channel are estimated. Next, for the typical scenario with a line-of-sight (LoS)-dominant inter-IRS channel, we propose another customized scheme to estimate two signature vectors of the rank-one cascaded channel with significantly less channel training time than the first scheme. For the two proposed channel estimation schemes, we further optimize their corresponding cooperative passive beamforming for data transmission to maximize the achievable rate with the training overhead and channel estimation error taken into account. Numerical results show that deploying two cooperative IRSs with the proposed channel estimation and passive beamforming designs achieves significant rate enhancement as compared to the conventional case of single IRS deployment.

연구 동기 및 목표

• 직접 링크가 차단된 이중-IRS 시스템에서 효율적인 채널 추정 및 수동 빔포밍을 해결하기 위해.
• 임의의 IRS 간 페이딩 조건 하에서 이중-IRS 사용자-IRS1-IRS2-AP 연속 채널의 모든 계수를 추정하는 일반적인 채널 추정 방식을 설계하기 위해.
• LoS 우세한 IRS 간 채널 조건에서 질서가 1인 연속 채널을 고려해 두 개의 서명 벡터만 추정하는 맞춤형 저교육 시간 추정 방식을 개발하기 위해.
• 교육 시간과 채널 추정 오차를 고려한 데이터 전송을 위한 협업형 수동 빔포밍을 최적화하여 도달 가능한 전송률을 극대화하기 위해.
• 이중-IRS 협업이 기존의 단일-IRS 배포 대비 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킴을 입증하기 위해.

제안 방법

• 이중-IRS 시스템에서 연속 채널 행렬의 모든 요소를 추정하기 위해 피LOT 신호를 사용하는 일반적인 채널 추정 방식을 제안한다.
• LoS 우세한 IRS 간 채널 조건을 고려해 연속 채널의 질서가 1인 구조를 활용하는 맞춤형 추정 방식을 도입하여, 두 개의 서명 벡터만 추정함으로써 교육 시간을 줄인다.
• 그룹 기반 반사 계수와 비정적 블록 fading 모델을 사용하여 채널 추정 및 빔포밍 설계를 단순화한다.
• 특이값 분해(SVD)를 적용하여 연속 채널을 주요 특이 벡터와 이득 계수로 분해하고, 빔포밍 최적화를 수행한다.
• 채널 추정의 평균 제곱 오차(MSE)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하고, 이를 바탕으로 추정 오차와 교육 시간을 고려한 빔포밍 가중치를 최적화한다.
• 교육 시간과 추정 오차를 고려하여 두 IRS의 수동 빔포밍 계수를 최적화하여 도달 가능한 전송률을 극대화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRS 간 채널이 임의이며 반드시 LoS 우세하지 않은 조건에서 이중-IRS 시스템의 연속 채널을 어떻게 효율적으로 추정할 수 있는가?
• RQ2 LoS 우세한 IRS 간 채널 모델 하에서 이중-IRS 시스템에 대해 저교육 시간 채널 추정 방식을 설계할 수 있는가?
• RQ3 차단이 빈번한 환경에서 이중-IRS 시스템의 도달 가능한 전송률은 단일-IRS 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 교육 시간과 채널 추정 오차를 고려할 때 스펙트럼 효율성을 극대화하는 최적의 협업형 수동 빔포밍 설계는 무엇인가?
• RQ5 LoS 조건 하에서 연속 채널의 질서가 1인 구조는 어떻게 교육 시간을 크게 줄일 수 있으며, 동시에 빔포밍 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• LoS 우세한 IRS 간 채널 조건을 고려한 맞춤형 추정 방식은 일반적 방식 대비 교육 시간을 크게 줄였으며, 높은 빔포밍 성능을 유지한다.
• 제안된 설계를 적용한 이중-IRS 시스템은 특히 반사 요소의 수가 클 경우 기존의 단일-IRS 배포보다 더 높은 평균 도달 가능한 전송률을 달성한다.
• LoS 우세 조건 하에서 질서가 1인 연속 채널 모델은 두 개의 서명 벡터만 추정하면 되므로, IRS 요소 수에 비례하는 비율로 교육 시간을 줄일 수 있다.
• 수치 결과는 추정 오차와 교육 시간을 고려한 제안된 빔포밍 설계가 기준 대비 상당한 전송률 향상을 달성함을 보여준다.
• 고경로 손실 또는 차단이 빈번한 환경에서 성능 향상이 가장 두드러지며, 이중-IRS 시스템은 이중 반사 경로를 통해 신뢰할 수 있는 통신 링크를 제공한다.
• 이론적 분석을 통해 채널 추정의 MSE는 추정된 채널 이득과 특이 벡터의 오차의 곱에 의해 지배되며, 이는 최적화된 빔포밍에 의해 최소화됨을 확인하였다.