[論文レビュー] Multi-RIS-aided Wireless Communications in Real-world: Prototyping and Field Trials

Rujing Xiong, Jianan Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1ビットRISユニットセル用のスケーラブルなサンドイッチ構造と、複数RISデプロイメントを可能にするクラウドベースでリモート制御可能なシステムを提案する。Wi-Fiおよび5Gネットワークにおける実地試験では、2ホップRISリレーリングにより最大20 dBmの信号増幅と平均RSRPで14 dBの向上が達成され、マルチホップチェーンにおける後続ノードでは増幅ゲインが低下する傾向が確認された。

ABSTRACT

The performance of multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs) receives limited attention in previous studies. This article fills this research gap by investigating the capabilities of multiple RISs in real-world networks. We propose a simplified yet highly scalable sandwich architecture for implementing one-bit unit cells, with the flexibility to accommodate multi-bit unit cells. To effectively control multiple RISs, we present a cost-effective remote-controlling scheme and develop a cloud-based RIS management system. Through a series of four field trials, we demonstrate the effectiveness of multi-hop routing schemes in establishing reliable links. Our experiments reveal significant improvements in signal strength and data transmission in multi-RIS-aided Wi-Fi and commercial 5G networks. Furthermore, we investigate the power scaling law of RIS-aided beamforming and provide insights into the roles of the later nodes in multi-hop relay chains.

研究の動機と目的

• 商用ネットワークにおける複数RISの実地評価が不足しているという問題に対処する。
• マルチビットおよび1ビットユニットセルに適した低消費電力でスケーラブルなRISアーキテクチャを設計する。
• 複数RISを管理するためのコスト効率の高いクラウドベースのリモート制御システムを開発する。
• 実環境におけるマルチホップRISリレーリングの実現可能性と性能向上を実証する。
• マルチホップRISチェーンにおける電力スケーリング特性と性能制限を調査する。

提案手法

• 1ビットRISユニットセル用に、上部放射パッチ、中層基板、下部制御層で構成される簡素化された三層サンドイッチ構造を提案する。
• マイクロストリップスタブに接続されたPINダイオードを用いて位相シフトを可変化させ、5.8 GHzおよび3.4 GHzで1ビット位相制御を実現する。
• Wi-Fi搭載マイコンコントローラーを統合し、LANまたはインターネット経由で複数RISをネットワークベースでリモート制御可能にする。
• 中央集約型の構成、監視、スケーラビリティを実現するためのクラウドベースRIS管理システムを開発する。
• 4つの実地試験を実施：2つは実環境の5Gネットワーク（120メートルの地下駐車場に2ホップRISを設置）で、残り2つはマルチホップテスト用のアノイック・チェンバーで実施。
• スマートフォンおよびプロフェッショナルツール（Cellular-Pro、Pilot Pioneer）を用いて、リアルタイムのRSRP、データレート、信号強度測定を収集する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルで低コストなRISアーキテクチャは、商用ネットワークにおける効果的な多RISデプロイメントを可能にするか？
• RQ2 実際のシナリオにおいて、リモートでクラウドベースの制御は複数RISの管理にどの程度有効か？
• RQ3 トンネルや駐車場など挑戦的な環境において、マルチホップRISリレーリングは信号カバレッジおよびデータレートをどの程度向上できるか？
• RQ4 マルチホップリレーチェーンにおけるRIS支援ビームフォーミングの電力スケーリング特性はいかなるものか？
• RQ5 なぜマルチホップチェーンにおける後続のRISノードでは、初期のノードと比較して電力ゲインが低下するのか？

主な発見

• 120メートルの地下駐車場で2ホップRISを設置した結果、平均RSRPが-105.84 dBmから-91.87 dBmに向上し、約14 dBのゲインを達成した。
• 2ホップ構成では、ダウンリンク速度が79.63 Mbpsから110.58 Mbpsに、アップリンク速度が9.99 Mbpsから17.54 Mbpsに向上した。
• 120メートルの経路に1つのRISを設置した場合、平均信号強度が-100 dBmから-80 dBmに向上し、20 dBmのゲインを達成した。
• RISプロトタイプはピーク時で0.2 Wの低消費電力であり、10×16の1ビットユニットセルアレイとして非常に低い電力消費を実現した。
• マルチホップRISチェーンでは、後続のノードにおけるゲインが低下する傾向が確認され、連続するリレーよりの信号増幅に実用的な制限があることが示された。
• 本研究では、RISビームフォーミングゲインとユニットセル数との間に直接比例関係があることを確認し、RIS支援システムにおける電力スケーリング則の妥当性を裏付けた。