[論文レビュー] On the Enabling of Multi-receiver Communications with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Hamidreza Taghvaee, Akshay Jain+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 52被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、複数受信機向けミリ波通信に適した位相のみ再構成可能なインテリジェント表面（RIS）技術を提案する。位相の調整のみで独立したビーム制御が可能であり、振幅調整を不要とする。屋内オフィス環境では最大2 Gbpsのスループットを達成し、都市部のマイクロセルでは1ユーザーあたり0.5 Gbps以上を実現。8ユーザーの場合、振幅・位相制御手法に比べ0.8 Gbpsのスループット向上を達成。ハードウェアの複雑さと損失が低減されたことによるものである。

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface is a promising technology for the manipulation and control of wireless electromagnetic signals. In particular, it has the potential to provide significant performance improvements for wireless networks. However, to do so, a proper reconfiguration of the reflection coefficients of unit cells is required, which often leads to complex and expensive devices. To amortize the cost, one may share the system resources among multiple transmitters and receivers. In this paper, we propose an efficient reconfiguration technique providing control over multiple beams independently. Compared to time-consuming optimization techniques, the proposed strategy utilizes an analytical method to configure the surface for multi-beam radiation. This method is easy to implement, effective and efficient since it only requires phase reconfiguration. We analyze the performance for indoor and outdoor scenarios, given the broadcast mode of operation. The aforesaid scenarios encompass some of the most challenging scenarios that wireless networks encounter. We show that our proposed technique provisions sufficient improvements in the observed channel capacity when the receivers are close to the surface in the indoor office environment scenario. Further, we report a considerable increase in the system throughput given the outdoor environment.

研究の動機と目的

• 複数ビーム用途に必要な振幅および位相制御を要するRISシステムの高コスト・高複雑性を解決すること。
• RISユニットセルの位相再構成のみを用いて、ミリ波帯域における効率的かつ低複雑性の多受信機通信を実現すること。
• 屋内および都市部のライン・オブ・サイト（LoS）およびライン・オブ・サイトでない（NLoS）環境において、システムスループットとチャネル容量を向上させること。
• 位相のみのRIS再構成が、振幅・位相制御に comparable またはそれ以上の性能を達成できることを示すこと。
• ブロードキャスト／マルチキャスト伝送モード下で、実際の屋内オフィスおよび都市マイクロセル（UMi）環境において、手法の有効性を検証すること。

提案手法

• 位相のみのビームフォーミング手法を提案し、複数の独立ビームをRISで制御することで、複雑な振幅調整を回避する。
• フーリエ変換の原理に基づく数学的定式化を用い、所望の多ビーム放射パターンを生成する位相プロファイルを導出する。
• 固定の基地局と移動端末を持つ屋内（28 GHz、30 dBi利得）および屋外（3.55 GHz、17 dBi利得）の両環境にこの手法を適用する。
• 実際の指数（例：LoSでは1.7、NLoSでは3.8）を用いてパスロスをモデル化し、RISからのユーザー距離が異なる状況でのSNRおよびスループットを計算する。
• 合計および1ユーザーあたりのスループットの観点から、振幅・位相RISおよび直接伝送（MCBS/SCBS）と性能を比較する。
• 両環境においてRISから3〜7 mの距離に位置する8ユーザーを想定したシミュレーションを用いて、結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 位相のみのRIS再構成は、振幅調整を伴わずに複数受信機向けの効果的な多ビーム制御を達成できるか？
• RQ2 振幅・位相RISと比較して、位相のみのRISビームフォーミングは、システムスループットおよび1ユーザーあたりのデータレートにおいてどのように差をつけるか？
• RQ3 ブロードキャスト／マルチキャスト動作下で、屋内オフィスおよび都市マイクロセル（UMi）環境におけるRISの性能向上はどの程度か？
• RQ4 ユーザーがRISから離れるに従って、屋内および屋外両環境におけるSNRおよびスループットにどのような影響が生じるか？
• RQ5 RISは、ミリ波通信におけるNLoS遮断およびパスロスをどの程度補償できるか？

主な発見

• 提案された位相のみのRIS構成により、8ユーザーの屋内オフィス環境で最大2 Gbpsの合計スループットが達成され、1ユーザーあたり約0.33 Gbpsのデータレートが得られた。
• 8ユーザーの場合、位相のみの手法は振幅・位相手法に比べて合計スループットで0.8 Gbpsの向上を示し、顕著な性能向上を確認した。
• UMi環境では、RISベースのシステムが1ユーザーあたり0.5 Gbps以上を提供したが、直接MCBS伝送ではNLoS遮断のためスループットが無視できるほど小さくなった。
• ユーザーがRISから1〜2メートル以内にいる場合、少なくとも0.5 Gbpsのデータレートを達成し、屋内環境ではピークで約2.2 Gbpsに達した。
• UMi環境では、7ユーザーの場合、直接MCBS通信に比べてチャネル容量が1桁以上向上した。
• SNRはRISからの距離が増加するに従って著しく低下し、RISが短距離・近接ユーザー向けに最も効果的であることが確認された。