[论文解读] Transforming Fading Channel from Fast to Slow: Intelligent Refracting Surface Aided High-Mobility Communication

Zixuan Huang, Beixiong Zheng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于智能折射表面（IRS）辅助高速通信的两阶段传输协议，利用准静态的用户-IRS 信道和视 Line-of-Sight（LoS）基站-IRS 信道，实现高效的信道估计与无源波束成形。该方法将快衰落信道转换为慢衰落信道，显著降低训练开销的同时实现了完整的 IRS 无源波束成形增益。

ABSTRACT

Intelligent reflecting/refracting surface (IRS) has recently emerged as a promising solution to reconfigure wireless propagation environment for enhancing the communication performance. In this paper, we study a new IRS-aided high-mobility communication system by employing the intelligent refracting surface with a high-speed vehicle to aid its passenger's communication with a remote base station (BS). Due to the environment's random scattering and vehicle's high mobility, a rapidly time-varying channel is typically resulted between the static BS and fast-moving IRS/user, which renders the channel estimation for IRS with a large number of elements more challenging. In order to reap the high IRS passive beamforming gain with low channel training overhead, we propose a new and efficient transmission protocol to achieve both IRS channel estimation and refraction optimization for data transmission. Specifically, by exploiting the quasi-static channel between the IRS and user both moving at the same high speed as well as the line-of-sight (LoS) dominant channel between the BS and IRS, the user first estimates the LoS component of the cascaded BS-IRS-user channel, based on which IRS passive refraction is designed to maximize the corresponding IRS-refracted channel gain. Then, the user estimates the resultant IRS-refracted channel as well as the non-IRS-refracted channel for setting an additional common phase shift at all IRS refracting elements so as to align these two channels for maximizing the overall channel gain for data transmission. Simulation results show significant performance improvement of the proposed design as compared to various benchmark schemes. The proposed on-vehicle IRS system is further compared with a baseline scheme of deploying fixed intelligent reflecting surfaces on the roadside to assist high-speed vehicular communications, which achieves significant rate improvement.

研究动机与目标

• 解决 IRS 辅助高速车辆通信中训练开销高和信道快速变化的挑战。
• 克服因用户高速移动和随机散射导致的快衰落环境中信道状态信息（CSI）获取困难的问题。
• 通过利用准静态的用户-IRS 信道和 LoS 基站-IRS 信道，实现最小化信道训练的高效无源波束成形。
• 在高速移动场景中实现完整的 IRS 无源波束成形增益，同时稳定整体信道以实现可靠传输。

提出的方法

• 提出两阶段协议：第一阶段利用导频信号估计级联基站-IRS-用户信道中的 LoS 分量。
• 在第一阶段中，优化 IRS 无源折射以基于估计的 LoS 分量最大化 IRS 折射信道增益。
• 第二阶段估计 IRS 折射和非 IRS 折射信道，以在所有 IRS 元素上设置相同的相位偏移。
• 通过该公共相位偏移对齐两个信道，以最大化数据传输的总体信道增益。
• 利用空间相关性和子表面分组技术，通过每子表面估计等效信道来降低训练开销。
• 采用基于梯度的优化方法，利用包含波束成形向量和相位参数的信道增益表达式来优化 IRS 相位偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有快速时变信道的高速移动 IRS 辅助系统中，如何高效地进行信道估计？
• RQ2 是否可以通过智能 IRS 重配置来缓解基站-用户链路的快衰落特性？
• RQ3 实现完整无源波束成形增益且训练开销最小化的最优两阶段协议是什么？
• RQ4 与传统 IRS 系统相比，利用准静态用户-IRS 信道在多大程度上提升了训练效率？
• RQ5 在高速移动场景中，所提方法在多大程度上将快衰落信道转换为慢衰落信道？

主要发现

• 所提出的两阶段协议即使在信道快速时变的情况下，也能在高速移动场景中实现完整的 IRS 无源波束成形增益。
• 总体基站-用户信道从快衰落转变为慢衰落，从而支持更可靠的高速数据传输。
• 仿真结果表明，由于信道训练时间大幅减少，与基准路边 IRS 方案相比，速率显著提升。
• 该方法有效利用了准静态用户-IRS 信道和 LoS 主导的基站-IRS 链路，显著降低了训练开销。
• Cramér-Rao 下界（CRB）分析证实了相位偏移估计的准确性，推导出了相位参数 ψx 和 ψy 的 CRB 值。
• 在高速车辆环境中，与固定路边 IRS 部署相比，所提方案因反馈和训练需求减少而表现更优。