Intelligent Reflecting Surface-Assisted Multi-User MISO Communication: Channel Estimation and Beamforming Design

波束赋形 预编码 信道状态信息 频道(广播) 计算机科学 衰退 基站 均方误差 发射机功率输出 干扰(通信) 人为噪声 无线 算法 电信 多输入多输出 统计 数学 发射机
作者
Qurrat-Ul-Ain Nadeem,Hibatallah Alwazani,Abla Kammoun,Anas Chaaban,Mérouane Debbah,Mohamed‐Slim Alouini
出处
期刊:IEEE open journal of the Communications Society [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:1: 661-680 被引量:341
标识
DOI:10.1109/ojcoms.2020.2992791
摘要

The concept of reconfiguring wireless propagation environments using intelligent reflecting surfaces (IRS)s has recently emerged, where an IRS comprises of a large number of passive reflecting elements that can smartly reflect the impinging electromagnetic waves for performance enhancement. Previous works have shown promising gains assuming the availability of perfect channel state information (CSI) at the base station (BS) and the IRS, which is impractical due to the passive nature of the reflecting elements. This paper makes one of the preliminary contributions of studying an IRS-assisted multi-user multiple-input single-output (MISO) communication system under imperfect CSI. Different from the few recent works that develop least-squares (LS) estimates of the IRS-assisted channel vectors, we exploit the prior knowledge of the large-scale fading statistics at the BS to derive the Bayesian minimum mean squared error (MMSE) channel estimates under a protocol in which the IRS applies a set of optimal phase shifts vectors over multiple channel estimation sub-phases. The resulting mean squared error (MSE) is both analytically and numerically shown to be lower than that achieved by the LS estimates. Joint designs for the precoding and power allocation at the BS and reflect beamforming at the IRS are proposed to maximize the minimum user signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) subject to a transmit power constraint. Performance evaluation results illustrate the efficiency of the proposed system and study its susceptibility to channel estimation errors.
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