[論文レビュー] Wireless Communication via Double IRS: Channel Estimation and Passive Beamforming Designs

Changsheng You, Beixiong Zheng+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ユーザーがユーザ-IRS1-IRS2-APの直列リンクを通じてアクセスポイント(AP)と通信する二重インテリジェント反射汎用表面（IRS）システムにおいて、2つのチャネル推定方式と協調的パassiveビームフォーミング設計を提案する。最初の方式は一般のRician fading下で、すべての直列チャネル係数を推定する。2番目の方式は、LoS優勢なIRS間チャネルにおいてランク1構造を活用し、トレーニングオーバーヘッドを低減する。数値結果は、提案手法を用いた二重IRSシステムが、単一IRS配置に比べて顕著に高いスペクトル効率を達成することを示している。

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.

研究の動機と目的

• 直接リンクが遮蔽されている二重IRSシステムにおける、効率的なチャネル推定とパassiveビームフォーミングの課題に対処すること。
• 任意のIRS間フェージング下で、ユーザ-IRS1-IRS2-APの直列チャネルのすべての係数を推定する一般化されたチャネル推定方式の設計。
• LoS優勢なIRS間チャネルを想定した、特化した低トレーニングオーバーヘッド方式の開発。ランク1直列チャネルの2つのシグネイチャーベクトルのみを推定することで実現。
• トレーニングオーバーヘッドとチャネル推定誤差を考慮したデータ伝送における協調的パassiveビームフォーミングの最適化により、達成可能なレートを最大化すること。
• 二重IRS協調が、従来の単一IRS配置に比べてスペクトル効率を顕著に向上させることを実証すること。

提案手法

• 二重IRSシステムにおける直列チャネル行列のすべての要素を推定するため、パイロット信号を用いた一般化されたチャネル推定方式を提案する。
• LoS優勢なIRS間チャネルを想定した特化型推定方式を導入。直列チャネルのランク1構造を活用し、2つのシグネイチャーベクトルの推定に限定することで、トレーニング時間を短縮する。
• グループワイズな反射係数と準静的ブロックフェージングモデルを用いて、チャネル推定とビームフォーミング設計を簡素化する。
• ビームフォーミング最適化のため、特異値分解（SVD）を用いて直列チャネルを支配的特異ベクトルと利得係数に分解する。
• チャネル推定の平均二乗誤差（MSE）の閉形式表現を導出し、推定誤差とトレーニングオーバーヘッドを考慮したビームフォーミング重みの最適化に用いる。
• トレーニングオーバーヘッドと推定誤差を考慮した上で、両IRSにおけるパassiveビームフォーミング係数を最適化し、達成可能なレートを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IRS間チャネルが任意であり、必ずしもLoS優勢ではない状況下で、二重IRSシステムの直列チャネルをどのように効率的に推定できるか？
• RQ2 LoS優勢なIRS間チャネルモデル下で、二重IRSシステムに低トレーニングオーバーヘッドのチャネル推定方式を設計できるか？
• RQ3 遮蔽が顕著な環境下で、二重IRSシステムの達成可能なレートは、単一IRSシステムに比べてどのように異なるか？
• RQ4 トレーニングオーバーヘッドとチャネル推定誤差を考慮した場合、スペクトル効率を最大化する最適な協調的パassiveビームフォーミング設計は何か？
• RQ5 LoS条件下での直列チャネルのランク1構造は、ビームフォーミングゲインを損なわずに、どのようにしてトレーニング時間の大幅な短縮を可能にするか？

主な発見

• LoS優勢なIRS間チャネルを想定した特化型推定方式は、一般化された方式に比べてトレーニングオーバーヘッドを顕著に低減しつつ、高いビームフォーミングゲインを維持する。
• 提案手法を用いた二重IRSシステムは、特に反射素子数が多い場合に、従来の単一IRS配置に比べて高い平均達成レートを達成する。
• LoS優勢な条件下では、ランク1直列チャネルモデルにより、2つのシグネイチャーベクトルの推定で十分となり、IRS素子数に比例する要因でトレーニングオーバーヘッドが低減される。
• 数値結果は、推定誤差とトレーニングオーバーヘッドを考慮した提案ビームフォーミング設計が、ベースライン手法に比べて顕著なレート向上を達成することを示している。
• 高路損または遮蔽が顕著な環境では、二重反射による信頼性の高い通信リンクを実現できるため、性能向上が最も顕著に現れる。
• 理論的分析により、チャネル推定のMSEは、推定されたチャネル利得と特異ベクトルの誤差の積に支配され、最適化されたビームフォーミングによってこれが最小化されることを確認した。