[論文レビュー] Multi-path fading and interference mitigation with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jean-Baptiste Gros, Geoffroy Lerosey+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、波面整形によるチャネル硬化を可能にすることで、リッチなマルチパス環境における多径フェージングおよび周波数割当干渉を再構成可能知能表面（RIS）が軽減できることを示している。過モード金属キャビティ内でのソフトウェア定義無線（SDR）の応用により、RIS最適化は強い干渉下でも誤りベクトル幅（EVM）を8%にまで低減し、対立的電磁環境下での耐障害性を実証した。

ABSTRACT

We exploit multi-path fading propagation to improve both the signal-to-interference-plus-noise-ratio and the stability of wireless communications within electromagnetic environments that support rich multipath propagation. Quasi-passive propagation control with multiple binary reconfigurable intelligent surfaces is adopted to control the stationary waves supported by a metallic cavity hosting a software-defined radio link. Results are demonstrated in terms of the error vector magnitude minimization of a quadrature phase-shift modulation scheme under no-line-of-sight conditions. It is found that the magnitude of fluctuation of received symbols is reduced to a stable constellation by increasing the number of individual surfaces, or elements, thus demonstrating channel hardening. By using a second software-defined radio device as a jammer, we demonstrate the ability of the RIS to mitigate the co-channel interference by channel hardening. Results are of particular interest in smart radio environments for mobile network architectures beyond 5G.

研究の動機と目的

• 再構成可能知能表面（RIS）を用いた多径フェージングおよび周波数割当干渉の軽減可能性を、複雑な電磁環境で検証すること。
• リッチなマルチパス伝搬環境において、エネルギー集中を超えたチャネル硬化をRISが達成できることを示すこと。
• 制御された過モード金属キャビティ内でのリアルタイムソフトウェア定義無線（SDR）実験を用いて、RISベースの干渉軽減を検証すること。
• 5G以降のモバイルネットワークアーキテクチャにおける理論的RISモデルと実装のギャップを埋めること。
• RIS最適化が動的干渉下でもQPSK.constellation図を安定化させることで、耐障害性のある無線通信を可能にすること。

提案手法

• リッチなマルチパス屋内伝搬環境を模擬するため、2つの壁に取り付けられたバイナリRIS素子を備えた金属キャビティを用いた。
• AliceとBobの間で視線（LoS）および視線外（NLoS）リンクを確立するため、2台のUSRPデバイスを用いたソフトウェア定義無線（SDR）セットアップを採用した。
• 2番目のSDRデバイス（Eve）を制御可能なジャマラーとして機能させ、変動する出力レベルで周波数割当干渉を注入した。
• 誤りベクトル幅（EVM）を最小化するため、実時間でRIS素子を制御する自作逐次最適化アルゴリズムを用いた。
• EVMおよびconstellation図のモニタリングを通じて、変動する干渉条件下でのチャネル品質および硬化性能を評価した。
• 干渉電力が増加するたびにRIS設定を繰り返し最適化し、干渉対信号比（Int）の上昇にもかかわらず低EVMを維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RISは、単なるエネルギー集中を越えて、リッチなマルチパス環境でチャネル硬化を達成できるか？
• RQ2 RISは、視線外（NLoS）無線リンクにおいて、意図的な周波数割当干渉をどの程度軽減できるか？
• RQ3 干渉電力の増加に伴い、RIS最適化がQPSK.constellation図の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 干渉電力が目的信号電力と等しいかそれを上回る状況でも、RISベースの波面整形が低EVMを維持できるか？
• RQ5 複数のバイナリRIS素子の使用が、信号安定性および干渉抑制において顕著な改善をもたらすか？

主な発見

• 干渉電力が目的信号電力と等しい場合（Int = 0 dB）でも、RIS最適化により平均誤りベクトル幅（EVM）が8%にまで低下した。
• 最適化後、constellationの重心は理想的なQPSKシンボルに近く、シンボルの散乱が最小限に抑えられており、効果的なチャネル硬化が実現された。
• Int = 0 dBを含む全干渉レベルでEVMが安定して8%を維持したため、強力な干渉に対しても耐障害性が確認された。
• 干渉電力上昇直後の赤色constellation（即時）はEVMが高く（最大90%）、一方で濃い緑色の最適化済みconstellationはほぼ理想性能に回復した。
• チャネル硬化は、エネルギー集中ではなくRIS制御によって達成されており、動的干渉下でも安定したconstellation図が観察された。
• RIS素子の数を増やすことでチャネル安定性が向上し、対立的電磁環境下での効果的な干渉抑制が可能であることが確認された。