Joint Channel and Symbol Estimation for RIS-Assisted Fluid Antenna Systems

技术摘要：面向 RIS 辅助流体天线系统的联合信道与符号估计

问题陈述
本文解决了在集成可重构智能表面（RIS）与流体天线系统（FAS）的上行链路多用户通信系统中，进行联合信道与符号估计的挑战。虽然 RIS 通过被动塑造传播环境来增强覆盖范围，而 FA 通过在紧凑孔径内选择有利的天线端口来提供空间适应性，但两者的结合引入了显著的信道获取复杂度。具体而言，由于 RIS 相移、FA 端口选择以及多用户传输的存在，有效信道会动态变化。现有方法通常假设具有完美的信道状态信息（CSI），或仅关注单链路，未能考虑到级联 RIS-FAS 场景中 RIS 相移、FA 端口选择、用户相关编码以及未知符号之间的耦合性质。与传统基于导频的估计相比，高额的训练开销已成为未来 6G 网络中的关键瓶颈。

方法论
作者提出了流体天线系统嵌套 Tucker 协议（NTFAS）以及一种基于双线性交替最小二乘法（BALS）的两阶段半盲接收机。

1. 系统模型与张量公式化：

   • 系统由 $K$ 个单天线用户、一个拥有 $N_r$ 个单元的 RIS 以及一个连接到 $N$ 个 FA 端口的 $M$ 根射频链基站（BS）组成。
   • 传输过程分为 $I$ 个块。在每个块 $i$ 内，FA 端口选择矩阵 $S_i$ 和用户相关的时域编码矩阵 $D_i(C)$ 是固定的。然而，RIS 相移矩阵 $D_p(\Theta)$ 在每个时隙 $p$ 都会发生变化。至关重要的是，传输符号矩阵 $X$ 在所有 $I$ 个块中保持不变。
   • 这种结构使得接收信号可以被建模为一组耦合的 Tucker 模型。无噪声观测张量公式化为 $Y_i = A_i \times_1 \Phi \times_2 I_M \times_3 X^T$，其中 $\Phi$ 代表复合级联信道矩阵。

2. 两阶段半盲接收机：

   • 第一阶段（联合估计）： 接收机利用 Tucker 结构来联合估计全局级联信道矩阵 $\Phi$ 和公共符号矩阵 $X$。这是通过在接收信号张量的模式-1 和模式-3 展开上求解最小二乘（LS）问题来实现的。
   • 第二阶段（信道分离）： 一旦获得 $\hat{\Phi}$，接收机将利用其嵌入的 PARAFAC 结构 ($\Phi^T \approx (G^T \diamond H)\Theta^T$) 来解耦各个信道矩阵。具体而言，它使用拼接观测矩阵的伪逆操作来分离用户到 RIS 的信道 ($G$) 和 RIS 到基站的信道 ($H$)。

3. 优化：

   • 利用估计的 CSI，系统执行 FA 端口选择和 RIS 相移的联合优化，以最大化频谱效率（SE）。这涉及对有效的 FA 端口组合进行穷举搜索，以及基于 SVD 的 RIS 相移设计。

核心贡献

• NTFAS 协议： 一种新型传输策略，其中 FA 端口选择和用户相关编码在不同块之间变化，而符号矩阵是共享的。这创建了一个耦合的 Tucker 模型结构，能够在不需要为每种配置配备专用导频的情况下，增强信道的可辨识性。
• 耦合张量建模： 将接收信号推导为共享公共符号和级联信道因子的耦合 Tucker 模型，从而实现空间变量与时间变量的分离。
• 两阶段 BALS 接收机： 一种半盲算法，首先联合估计级联信道与符号，然后通过 PARAFAC 结构分离单个信道分量（$G$ 和 $H$）。
• 联合优化框架： 一种利用估计的 CSI 进行同时 FA 端口选择和 RIS 相移优化的方法，以最大化 SE。

仿真结果
所提出的 NTFAS 方案针对竞争性的半盲基准方案（来自先前工作 [24]）和完美 CSI 参考进行了评估。

• 误码率 (BER)： NTFAS 与基准方案在模拟的 SNR 范围内表现出几乎相同的 BER 性能。论文指出，信道估计的适度改进并未转化为测试点上可见的 BER 增益，因为性能受限于噪声和残余估计误差。
• 归一化均方误差 (NMSE)： 与基准方案相比，NTFAS 在级联信道 NMSE 方面表现出持续且适度的提升。这归功于由于跨块共享符号矩阵，在估计 $\Phi$ 时可用的耦合方程数量有所增加。
• 频谱效率 (SE)： 由于获得了更准确的信道估计，NTFAS 在进行联合 FA/RIS 优化后，比基准方案实现了更高的 SE，尽管两者仍低于完美 CSI 上界。
• 参数敏感性： 仿真表明，增加 RIS 相配置的数量 ($P$) 可以提高估计的鲁棒性，而增加用户数量 ($K$) 会由于联合恢复问题的复杂性增加而导致性能下降。

意义与主张
本文声称 NTFAS 提供了一个良好的性能-复杂度权衡。虽然它在 NMSE 和 SE 上比现有的半盲基准方案提供了适度但持续的改进，但它保持了相当的 BER 性能。作者强调，所提方法通过利用观测值的耦合结构，降低了对导频开销的依赖。研究表明，该接收机的复杂度在信道更新项方面低于基准方案，使其成为 RIS 辅助 FAS 上行链路中低开销接收机设计的可行方案。研究结论认为，尽管增益是适度的，但该方法成功实现了在传统方法难以应对高训练成本的场景下的联合信道与符号估计。未来的工作确定为解决更低复杂度的优化、硬件损伤、时变信道以及多天线用户问题。