[論文レビュー] Double-Sided Beamforming in OWC Systems Using Omni-Digital Reconfigurable Intelligent Surfaces

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、光学無線通信（OWC）向けに、デジタル制御素子を備えたオムニ・デジタル再構成可能知能表面（omni-DRIS）を提案する。このシステムは、同時に反射と屈折を可能とし、二重側ビームフォーミングを実現することで、カバレッジと実現可能レートを向上させる。性能は最適な素子数でピークに達し、位相シフト分解能が高くなるに従って向上する。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a variant of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) called omni-digital-RISs (DRISs), which allow multiple physical processes, with application to optical wireless communications systems. The proposed omni-DRIS contains both reflectors and refractive elements, as well as elements that perform both simultaneously. We describe and explain the concept of omni-DRIS, suggest and analyze an omni-DRIS coding structure, discuss metamaterials to be used, and provide a design example. Furthermore, we demonstrate that the achievable rate of an omni-DRIS system depends on the number of omni-DRIS elements, bits per phase shift, and the number of unused elements. In addition, we show that the achievable rate upper bound is related to the number of omni-DRIS elements, and conclude by discussing future research directions.

研究の動機と目的

• 従来のRISが表面の両側にいるユーザーをカバーできないという制限を解消し、同時に反射と屈折を可能とすること。
• 従来のRIS導入では表面の後方にあるユーザーがカバーされないという盲点を解消すること。
• プログラマブル素子を用いて、反射および透過波面制御を両立できるデジタルで再構成可能な表面を開発すること。
• omni-DRIS素子のマルチモード動作を可能とするコーディング構造および材料フレームワーク（例：液体結晶）を設計すること。
• 素子数、位相シフト分解能、未使用素子がOWCシステム性能に与える影響を調査すること。

提案手法

• 反射素子、屈折素子、二重機能素子を統合した1枚の表面として、ハイブリッドRISとしてのomni-DRISを提案する。
• 各omni-DRIS素子が反射、屈折、同時反射／屈折、非活性状態の4状態を取れる4状態コーディングプロトコルを設計する。
• 位相シフトおよび透過／反射係数の動的再構成を可能とする液体結晶（LC）ベースのメタマテリアルを活用する。
• omni-DRIS表面の両側にいるユーザーに向けて光ビームを指向する二重側ビーム管理を実装する。
• 反射素子では二重パス伝送を、透過素子では単一パス伝送を考慮したOWCチャネルモデルを構築する。
• 実現可能レートを性能指標として用い、全素子数、有効素子数、位相シフトあたりのビット数との依存関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのRIS素子に反射と屈折を統合することにより、OWCシステムにおけるカバレッジがどのように向上するか？
• RQ2 VLCシステムにおいて、実現可能レートを最大にするomni-DRIS素子の最適数は何か？
• RQ3 位相シフトあたりのビット数を増加させることで、システムの実現可能レートはどのように変化し、性能の飽和点はどこにあるか？
• RQ4 未使用または非活性なomni-DRIS素子が、システムスループットおよびビームフォーミング効率に与える影響は何か？
• RQ5 液体結晶などの材料特性が、omni-DRISの実現可能性および性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• omni-DRISを用いたOWCシステムの実現可能レートは、有効素子数、位相シフトあたりのビット数、未使用素子数に依存する。
• 実現可能レートを最大にするomni-DRIS素子の最適数が存在し、それ以上に素子数を増やすと位相量子化オーバーヘッドの増加により性能が低下する。
• 位相シフトあたりのビット数を増やすことで実現可能レートは向上するが、限界に達すると利得の逓減とシステム複雑性の増大により、レートが減少し始める。
• 全素子数を固定した場合、実現可能レートは有効素子数に反比例するため、分解能とリソース利用のトレードオフが生じる。
• 液体結晶ベースのomni-DRIS設計は、下層部のチューニングにより、反射、透過、二重、非活性の4つの動作状態をすべてサポートでき、完全なデジタル制御を可能にする。
• omni-DRISを用いた二重側ビームフォーミングにより、360°のユーザーカバレッジが実現され、屋内可視光通信環境におけるネットワーク接続性が顕著に向上する。