[论文解读] Two-Timescale Channel Estimation for Reconfigurable Intelligent Surface Aided Wireless Communications

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

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 34

一句话总结

提出一个两时尺度框架，通过一个双链路 pilot 在较少频率估计高维、准静态的 BS-RIS 信道，同时在较短时尺度使用低维 LS 方法估计移动的 RIS-UE 与 BS-UE 信道，从而降低 RIS 辅助无线系统的 pilot 开销。

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.

研究动机与目标

• 推动并解决由于级联的 BS-RIS-UE 信道导致的 RIS 辅助系统中的高 pilot 开销。
• 利用两时尺度特性（准静态的 BS-RIS 与移动的 RIS-UE 与 BS-UE）来降低开销。
• 开发结合双链路 pilot 方案和高效算法的实用估计框架。
• 提供分析与仿真以展示在保持精度的同时降低 pilot 开销。

提出的方法

• 提出一个两时尺度信道模型，其中 BS-RIS 信道高维且准静态，而 RIS-UE 和 BS-UE 信道是移动且维度较低。
• 提出一种双链路 pilot 传输方案，其中 BS 向 RIS 发送下行 pilot，RIS 将其反射回 BS，从而实现准静态的 BS-RIS 信道估计。
• 将 BS-RIS 信道估计公式化为基于坐标下降的算法，通过将其分解为 N 个子问题（每个 RIS 元件一个），并迭代地细化估计。
• 利用常规上行 pilot 和最小二乘方法估计移动的 RIS-UE 和 BS-UE 信道，利用其较低的维度以降低开销。
• 推导并使用带有基于 DFT 的反射矩阵的结构化 pilot 设计，将估计问题转化为可处理的子问题。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不牺牲 CSI 精度的前提下减少 RIS 辅助系统的 pilot 开销？
• RQ2 是否可以由于其准静态特性而较少地估计 BS-RIS 信道，同时对移动的 RIS-UE 和 BS-UE 信道进行高频跟踪且开销较低？
• RQ3 哪些算法和 pilot 设计能够在实际的 RIS 辅助系统中实现对高维 BS-RIS 信道的可靠估计？
• RQ4 所提出的两时尺度框架在开销和性能方面与级联信道估计方法相比如何？

主要发现

• 两时尺度框架通过较少地估计高维的 BS-RIS 信道、并更频繁地估计低维的移动信道来降低平均 pilot 开销。
• 双链路 pilot 方案在 RIS 硬件约束（RIS 未能主动发送 pilot）的情况下，能够实现准静态的 BS-RIS 信道估计。
• 基于坐标下降的 BS-RIS 信道估计器通过求解 N 个独立子问题并进行迭代细化，能有效恢复 BS-RIS 信道。
• 移动的 RIS-UE 和 BS-UE 信道可以使用短 pilot 的 LS 方法估计，降低总开销，相较于级联信道方法。
• 仿真结果表明，在明显低于传统级联信道方案的 pilot 开销下仍能实现准确的信道估计。