基於分段低秩逼近法的 RIS 輔助 MU-MIMO 系統近場視距/非視距通道估計

Concetti Chiave

本文提出了一種名為分段協作低秩逼近 (PW-CLRA) 的新型通道估計方法，用於解決可重構智慧表面 (RIS) 輔助毫米波 (mmWave) 多用戶多輸入多輸出 (MU-MIMO) 系統中的近場視距/非視距通道估計問題。

Sintesi

RIS 輔助 MU-MIMO 系統近場視距/非視距通道估計：分段低秩逼近法

本文研究了可重構智慧表面 (RIS) 輔助毫米波 (mmWave) 多用戶多輸入多輸出 (MU-MIMO) 系統的通道估計問題。具體而言，假設 RIS 與基地台 (BS) 之間的通道呈現近場視距 (LoS) 通道，這是毫米波通信系統中的主要信號路徑。由於我們系統中 RIS-BS 通道矩陣的高秩性和非稀疏性，基於遠場或近場非視距 (NLoS) 通道構建的現有方法無法提供良好的估計性能。我們首次提出了一種基於分段低秩逼近的 RIS 輔助 MU-MIMO 系統高效近場視距/非視距通道估計方法。具體而言，將有效通道（待估計）劃分為包含低秩結構的分段有效通道，然後通過協作低秩逼近對其進行估計。該方法被命名為 PW-CLRA。通過模擬，我們驗證了所提出的 PW-CLRA 的有效性。

本文旨在解決 RIS 輔助毫米波 MU-MIMO 系統中近場視距/非視距通道估計的挑戰，特別是針對 RIS-BS 通道呈現高秩性和非稀疏性的情況。

Approfondimenti chiave tratti da

Near-Field LoS/NLoS Channel Estimation for RIS-Aided MU-MIMO Systems: Piece-Wise Low-Rank Approximation Approach

by Jeongjae Lee... alle arxiv.org 10-18-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.13806.pdf

Domande più approfondite

如何將 PW-CLRA 應用於更複雜的網絡拓撲，例如多 RIS 系統或分佈式 MIMO 系統？

將 PW-CLRA 應用於更複雜的網絡拓撲，例如多 RIS 系統或分佈式 MIMO 系統，需要克服一些挑戰，並對算法進行相應的調整：
多 RIS 系統：

挑戰：

信道估計維度增加： 多個 RIS 意味著需要估計更多的級聯信道，導致信道估計的維度顯著增加。
RIS 間的干擾： 不同 RIS 反射的信號可能會相互干擾，影響信道估計的準確性。

調整：

分組估計： 可以將多個 RIS 分組，並在每個時間段內只激活一組 RIS 進行信道估計，以降低估計的維度。
干擾消除技術： 可以採用先進的信號處理技術，例如干擾對齊或干擾消除，來減輕 RIS 間的干擾。
分佈式 MIMO 系統：

挑戰：

分佈式 BS 間的同步： 分佈式 MIMO 系統需要精確的時鐘同步，以確保信道估計的準確性。
聯合處理的複雜度： 分佈式 BS 需要協同工作以估計信道，這會增加信號處理的複雜度。

調整：

分佈式同步協議： 可以採用先進的同步協議，例如網絡時間協議（NTP）或精確時間協議（PTP），來實現分佈式 BS 間的精確同步。
分佈式信道估計算法： 可以開發分佈式信道估計算法，例如基於共識的算法或分佈式凸優化算法，以降低聯合處理的複雜度。
總之，將 PW-CLRA 應用於更複雜的網絡拓撲需要針對具體的網絡結構和應用場景進行調整和優化。

如果用戶-RIS 通道也表現出近場視距特性，PW-CLRA 的性能會如何變化？

如果用戶-RIS 通道也表現出近場視距特性，PW-CLRA 的性能可能會受到一定影響，但仍然可以適用。

影響：

低秩特性減弱： 當用戶-RIS 通道也存在近場視距路徑時，用戶-RIS 信道矩陣的低秩特性會減弱，因為視距路徑會引入非零奇異值。
估計誤差增加： 低秩特性的減弱會導致 PW-CLRA 在估計用戶-RIS 信道時產生更大的誤差。

PW-CLRA 的適用性：

分段估計的優勢： 即使用戶-RIS 信道存在近場視距路徑，PW-CLRA 仍然可以通過分段估計的方式來逼近信道矩陣，從而減輕低秩特性減弱帶來的影響。
算法的靈活性： PW-CLRA 可以通過調整分段的數量和大小來適應不同程度的近場視距特性。
總之，如果用戶-RIS 通道也表現出近場視距特性，PW-CLRA 的性能可能會略有下降，但仍然可以提供比傳統方法更低的訓練開銷和更高的估計精度。

PW-CLRA 的低訓練開銷和高估計精度如何影響 RIS 輔助 MU-MIMO 系統的整體系統性能，例如數據速率和覆蓋範圍？

PW-CLRA 的低訓練開銷和高估計精度可以顯著提升 RIS 輔助 MU-MIMO 系統的整體性能，包括數據速率和覆蓋範圍：

數據速率：

更精確的波束賦形： 高精度的信道估計可以讓 BS 和 RIS 進行更精確的波束賦形，將信號能量集中到目標用戶，從而提高信號強度和信噪比，進而提升數據速率。
更有效的干擾消除： 精確的信道信息可以讓系統更有效地消除用戶間的干擾，進一步提高信噪比和數據速率。
更短的訓練時間： 低訓練開銷意味著系統可以使用更短的時間完成信道估計，將更多的時間用於數據傳輸，從而提高系統的吞吐量。

覆蓋範圍：

更強的信號覆蓋： 通過精確的波束賦形，系統可以將信號能量集中到更遠的距離，從而擴展信號覆蓋範圍。
更好的非視距覆蓋： 即使在沒有直接視距路徑的情況下，RIS 也可以通過反射信號來提供非視距覆蓋，而 PW-CLRA 的高估計精度可以確保在這種情況下也能實現良好的波束賦形。
總之，PW-CLRA 的低訓練開銷和高估計精度可以有效提升 RIS 輔助 MU-MIMO 系統的數據速率和覆蓋範圍，為用戶提供更高速率、更可靠的無線通信服務。