在 RIS 輔助通訊中使用較短的導頻進行有效的通道估計：利用陣列幾何形狀和干擾統計

Основные понятия

本文提出了一種基於縮減子空間最小平方法（RS-LS）的新型通道估計器，該估計器利用空間相關性和陣列幾何形狀來減少 RIS 輔助通訊中所需的導頻長度，並提高通道估計的準確性，特別是在存在電磁干擾的情況下。

Аннотация

在 RIS 輔助通訊中使用較短的導頻進行有效的通道估計：利用陣列幾何形狀和干擾統計

這篇研究論文探討了在可重構智慧表面 (RIS) 輔助通訊中，利用較短的導頻序列進行有效通道估計的挑戰和解決方案。論文強調了準確估計從使用者設備 (UE) 到基地台 (BS) 經過每個 RIS 元素的級聯通道的重要性，以充分發揮 RIS 控制整體通道的能力。
傳統的通道估計器，例如最小平方法 (LS) 估計器，需要與 RIS 元素數量相等的導頻長度，這在實際的 RIS 部署中變得不可行，因為 RIS 通常包含數百個元素。為了克服這個限制，本文提出了一種利用不同 RIS 通道中固有的空間相關性的新穎方法。
主要貢獻

基於縮減子空間最小平方法 (RS-LS) 的通道估計器： 本文提出了一種新穎的通道估計器，稱為 RS-LS 估計器，它利用陣列幾何形狀建立的縮減秩子空間來提高估計品質，而不需要 UE 特定的空間相關性資訊。
利用空間相關性進行導頻長度縮減： 本文展示了如何利用不同 RIS 通道中存在的空間相關性來減少通道估計所需的導頻長度。
電磁干擾 (EMI) 的影響分析： 本文分析了 EMI 對 RIS 導頻傳輸的影響，並推導出在 EMI 條件下最小化均方誤差 (MSE) 的最佳 RIS 相移配置。
最佳 RIS 相移配置： 針對 LMMSE 和 RS-LS 估計器，本文推導出在 EMI 條件下最小化各自 MSE 的最佳 RIS 配置。
模擬結果驗證： 透過模擬結果驗證了所提出的方法的有效性，表明與基準方法相比，所提出的最佳化 RIS 配置在通道估計方面有顯著改進。
結論
本文提出的基於 RS-LS 的通道估計器及其相應的最佳化 RIS 配置為在 RIS 輔助通訊中實現高效且準確的通道估計提供了一種有前景的解決方案。透過利用空間相關性和陣列幾何形狀，所提出的方法減少了所需的導頻開銷，同時保持了良好的估計準確性，即使在存在 EMI 的情況下也是如此。

Статистика

Ключевые выводы из

Efficient Channel Estimation With Shorter Pilots in RIS-Aided Communications: Using Array Geometries and Interference Statistics

by Özle... в arxiv.org 11-08-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.04753.pdf

Дополнительные вопросы

本文提出的方法如何擴展到多使用者場景，其中多個 UE 同時與 BS 通訊？

在多使用者場景中，多個 UE 同時與 BS 通訊，本文提出的方法可以透過以下方式擴展：
1. 多使用者導頻設計：

正交導頻序列： 為每個 UE 分配正交的導頻序列，允許 BS 區分來自不同 UE 的訊號。這需要比單使用者場景更長的導頻序列，但可以確保通道估計的準確性。
非正交導頻序列： 使用非正交導頻序列可以減少導頻開銷，但需要更複雜的訊號處理技術來分離不同 UE 的訊號，例如利用壓縮感知技術。
2. 多使用者通道估計：

LMMSE 估計： LMMSE 估計可以擴展到多使用者場景，透過考慮所有 UE 的通道相關矩陣來聯合估計所有 UE 的通道。
RS-LS 估計： RS-LS 估計也可以擴展到多使用者場景，透過將所有 UE 的通道向量堆疊成一個更大的向量，並使用相同的降維技術來估計通道。
3. RIS 相移矩陣優化：

多使用者 MSE 最小化： 優化 RIS 相移矩陣以最小化所有 UE 的平均 MSE，例如使用加權 MSE 作為目標函數，根據每個 UE 的通道條件和服務質量需求分配不同的權重。
最大化最小信噪比： 優化 RIS 相移矩陣以最大化所有 UE 中最小的信噪比，確保所有 UE 都能達到一定的效能水平。
挑戰：

導頻開銷： 多使用者場景需要更長的導頻序列或更複雜的導頻設計，以確保通道估計的準確性。
計算複雜度： 多使用者通道估計和 RIS 相移矩陣優化需要更高的計算複雜度，特別是在 UE 和 RIS 元素數量較多的情況下。

如果在導頻傳輸期間 EMI 變化很快，那麼本文提出的基於 RS-LS 的估計器的效能如何？

如果在導頻傳輸期間 EMI 變化很快，本文提出的基於 RS-LS 的估計器的效能會受到影響，因為 RS-LS 估計器基於 EMI 在導頻傳輸期間保持恆定的假設。
效能影響：

估計誤差增加： 快速變化的 EMI 會導致通道估計誤差增加，因為 RS-LS 估計器無法有效地濾除 EMI。
效能下降： 通道估計誤差的增加會導致系統效能下降，例如資料速率降低和錯誤率增加。
解決方案：

EMI 追蹤： 使用 EMI 追蹤技術來估計 EMI 的變化，並在 RS-LS 估計中考慮這些變化。
基於導頻的 EMI 抑制： 在導頻傳輸期間使用 EMI 抑制技術，例如使用多天線技術或盲源分離技術來抑制 EMI。
更短的導頻持續時間： 縮短導頻持續時間可以減少 EMI 變化對通道估計的影響，但需要更高的導頻功率或更複雜的訊號處理技術。

本文中提出的通道估計技術如何與其他新興技術（例如毫米波 (mmWave) 和太赫茲 (THz) 通訊）整合，以進一步增強無線通訊系統的效能？

本文提出的通道估計技術可以與其他新興技術（例如毫米波 (mmWave) 和太赫茲 (THz) 通訊）整合，以進一步增強無線通訊系統的效能：
1. 毫米波 (mmWave) 通訊：

混合波束賦形： 結合 RS-LS 估計和混合波束賦形技術，可以減少毫米波通道估計所需的導頻開銷。RS-LS 可以用於估計低維度的通道資訊，而混合波束賦形可以用於在空間中引導波束，從而減少需要估計的通道參數數量。
稀疏通道估計： 毫米波通道通常表現出稀疏性，這意味著只有少數通道路徑具有顯著的能量。RS-LS 估計可以與壓縮感知技術相結合，以利用這種稀疏性並進一步減少導頻開銷。
2. 太赫茲 (THz) 通訊：

超材料 RIS： 太赫茲通訊可以使用超材料 RIS 來實現更精確的波束控制和訊號聚焦。RS-LS 估計可以與超材料 RIS 的設計相結合，以優化通道估計效能並補償太赫茲頻段的高路徑損耗。
基於深度學習的通道估計： 深度學習技術可以與 RS-LS 估計相結合，以提高太赫茲通道估計的準確性和效率。深度學習模型可以學習通道的複雜特性，並根據有限的導頻觀測結果預測通道狀態資訊。
優勢：

降低導頻開銷： 結合 RS-LS 估計和其他新興技術可以顯著降低通道估計所需的導頻開銷，這對於高頻段通訊（例如毫米波和太赫茲通訊）尤其重要。
提高通道估計準確性： 利用新興技術的特性（例如毫米波通道的稀疏性和太赫茲 RIS 的精確波束控制），可以提高通道估計的準確性。
增強系統效能： 更準確的通道估計可以實現更有效的波束賦形、干擾管理和資料傳輸，從而增強無線通訊系統的整體效能。