[论文解读] Channel Estimation for RIS-assisted Millimeter-wave MIMO Systems

Battu Deepak, R. S. Prasobh Sankar+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 18被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于导频的可重构智能表面（RIS）辅助毫米波MIMO系统上行链路信道估计算法，通过使用不同RIS相位偏移的多次信道探测，解决了用户设备（UE）-RIS信道估计中的模糊性问题。该方法能够在不依赖用户设备反馈的情况下，实现基站（BS）对离开角（AoD）、到达角（AoA）及复路径增益的精确估计，性能接近具备精确位置信息的“理想”估计算法。

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.

研究动机与目标

• 解决在RIS辅助毫米波MIMO系统中，由于RIS为无源元件而传统导频方法失效时，UE-RIS信道估计的挑战。
• 解决从单次探测中联合估计复路径增益与角度（AoD、AoA）时固有的模糊性问题。
• 在无需用户设备直接反馈或通信的情况下，实现在基站端的精确信道估计。
• 实现性能接近已知UE、RIS和BS精确位置的“理想”估计算法。
• 展示通过不同RIS相位偏移的多次信道探测在解决信道参数模糊性方面的有效性。

提出的方法

• 采用基于波束域的MIMO信道模型，假设UE-RIS与RIS-BS链路之间为视 Line-of-Sight（LoS）传播，且无直接UE-BS链路。
• 假设RIS-BS信道已知，仅存在一个复路径增益，因其RIS与BS位置固定且已知。
• 通过使用不同RIS相位偏移配置的多次信道探测，激励不同的信道响应，以解决参数模糊性。
• 应用基于伪谱的估计算法，联合估计UE-RIS信道参数：UE端的离开角（AoD）、RIS端的到达角（方位角与俯仰角）以及复路径增益。
• 推导出伪谱的闭式表达式，以基于相位偏移的RIS响应定位UE位置。
• 完全在基站端完成信道估计，仅使用上行导频和RIS相位偏移控制，无需用户设备的低速率反馈。

实验结果

研究问题

• RQ1 当RIS为无源且无法解码导频时，能否仅通过一次探测唯一估计UE-RIS信道？
• RQ2 为解决复路径增益与角度估计的模糊性，最少需要多少次信道探测？
• RQ3 所提出的估计算法性能与已知UE和RIS位置的“理想”估计算法相比如何？
• RQ4 信噪比（SNR）、RIS元素数量及探测次数对估计精度与频谱效率有何影响？
• RQ5 尽管角度估计存在不完美，该方法能否实现接近“理想”频谱效率？

主要发现

• 所提方法在信噪比 > -15 dB 且探测次数 L > 4 时，达到与已知真实UE、RIS和BS位置的“理想”估计算法相当的归一化均方误差（NMSE）性能。
• 仅使用 L = 2 次探测时，该方法在 SNR ≈ 0 dB 时平均频谱效率（SE）与“理想”估计算法相差不到1 dB，表明角度估计高度准确。
• 将RIS孔径从8×8扩大至16×16时，NMSE降低6 dB，SE提升3 dB，证明大阵列的优势。
• 随着信噪比和RIS元素数量的增加，估计性能提升，更高的孔径增强了角度分辨率与波束成形增益。
• 该方法成功仅通过多次RIS相位偏移配置与上行导频，解决了复路径增益与角度联合估计的模糊性。
• 伪谱方法能有效定位UE的离开方向与RIS的到达角度，在-10 dB SNR下仍能在真实位置处形成清晰峰值。