[論文レビュー] Digital Reconfigurable Intelligent Surfaces: On the Impact of Realistic Reradiation Models

Marco Di Renzo, Abdelhamed Ahmed+5 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、再構成可能知能表面（RIS）における現実的な電磁再放射モデルの影響を調査し、波長未満の要素間隔、位相-振幅結合、量子化、干渉が性能に与える影響を示している。本稿では、望ましい信号パワーを最大化し、漏れを最小化するため、全再放射パターンの最適化を提案しており、1/8〜1/4波長間隔、ほぼ一定の振幅を有する2ビットRISが、性能と複雑さのトレードオフにおいて優れた選択であると特定した。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is an emerging technology that is under investigation for different applications in wireless communications. RISs are often analyzed and optimized by considering simplified electromagnetic reradiation models. In this chapter, we aim to study the impact of realistic reradiation models for RISs as a function of the sub-wavelength inter-distance between nearby elements of the RIS, the quantization levels of the reflection coefficients, the interplay between the amplitude and phase of the reflection coefficients, and the presence of electromagnetic interference. We consider both case studies in which the users may be located in the far-field and near-field regions of an RIS. Our study shows that, due to design constraints, such as the need of using quantized reflection coefficients or the inherent interplay between the phase and the amplitude of the reflection coefficients, an RIS may reradiate power towards unwanted directions that depend on the intended and interfering electromagnetic waves. Therefore, it is in general important to optimize an RIS by considering the entire reradiation pattern by design to maximize the reradiated power towards the desired directions of reradiation while keeping the power reradiated towards other unwanted directions at a low level. Our study shows that a 2-bit digitally controllable RIS with an almost constant reflection amplitude as a function of the applied phase shift, and whose scattering elements have a size and an inter-distance between (1/8)th and (1/4)th of the signal wavelength may be a good tradeoff between performance, implementation complexity and cost. However, the presented results are preliminary and pave the way for further research into the performance of RISs based on accurate and realistic electromagnetic reradiation models.

研究の動機と目的

• 簡素化された仮定を越えて、現実的な電磁再放射モデルがRIS性能に与える影響を分析すること。
• 波長未満の要素間隔、位相-振幅結合、量子化が再放射パターンに与える影響を調査すること。
• 主ビームのみに注目するのではなく、全再放射パターンを考慮してRIS設計を最適化すること。
• 近距離および遠距離のユーザー状況の両方における性能を評価すること。
• 現実的な電磁的制約のもとで、性能、実装の複雑さ、コストのバランスを取る実用的なRIS設計を特定すること。

提案手法

• 本研究では、相互結合および要素の幾何形状を考慮して、各RIS要素からの再放射場を計算するためのフルウェーブ電磁モデルを採用している。
• 意図したユーザーでの受信電力を最大化し、望ましくない方向への放射電力を最小化する制約付き最適化問題を定式化している。
• 離散的な位相シフト（有限のアルファベットから選択）を考慮して、反復的に反射係数を更新するための交互アルゴリズムを用いている。
• 自由空間損失、近距離での球面波面、送信機および受信機の指向性利得パターンをモデルに組み込んでいる。
• 要素間隔（1/8〜1/4波長）、量子化レベル（2ビット）、振幅-位相結合の変動を想定して、性能を評価している。
• 球面波面とsinc関数に基づくビームフォーミング要因を用いた信号モデルを用いて、遠距離および近距離条件の両方でRIS構成を比較評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波長未満の要素間隔が、デジタルで再構成可能なRISの再放射パターンにどのように影響するか？
• RQ2 位相の量子化と振幅-位相結合が、意図しない再放射およびシステム性能に与える影響は何か？
• RQ3 近距離と遠距離の伝搬条件の違いが、最適なRIS設計と性能にどのように影響するか？
• RQ4 全再放射パターンを無視することで、RISの配置と性能がどれほど非最適化されるか？
• RQ5 現実的な電磁的制約のもとで、性能、実装の複雑さ、コストのバランスを取るうえで、どのRIS構成が最良のトレードオフを提供するか？

主な発見

• 位相シフトにわたってほぼ一定の振幅を示す2ビットのデジタル再構成可能RISは、性能とハードウェアの複雑さの間で良好なバランスを実現している。
• RIS要素間の波長未満の間隔（1/8〜1/4波長）は再放射パターンに顕著な影響を与え、設計段階で考慮すべきである。
• 位相の量子化と振幅-位相結合は非理想な再放射を引き起こし、意図しない方向への電力漏れを生じさせる。
• 近距離条件では、平面波面近似では真のチャネル動作を捉えきれないため、球面波面モデルが必要である。
• 望ましい信号パワーを最大化し干渉を抑制するため、RIS設計段階で全再放射パターンを最適化する必要がある。
• 提案された最適化フレームワークにより、現実的な電磁的結合および散乱効果を考慮することで、性能向上が可能である。