[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface-Based Wireless Communication: Antenna Design, Prototyping and Experimental Results

Linglong Dai, Bichai Wang+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、256個の2ビット位相シフト素子を備えた再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）の設計、プロトタイピング、および実験的検証を提示している。これにより、エネルギー効率が高く高利得な無線通信が可能となる。RISはPINダイオードを用いて放射と位相制御を統合し、2.3 GHzで21.7 dBi、28.5 GHzで19.1 dBiの利得を達成した。屋外でのテストにより、リアルタイムのHD VR動画伝送と1ビットRISシステム比で2 dBのEIRP利得が確認された。

ABSTRACT

One of the key enablers of future wireless communications is constituted by massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, which can improve the spectral efficiency by orders of magnitude. However, in existing massive MIMO systems, conventional phased arrays are used for beamforming, which result in excessive power consumption and hardware cost. Recently, reconfigurable intelligent surface (RIS) has been considered as one of the revolutionary technologies to enable energy-efficient and smart wireless communications, which is a two-dimensional structure with a large number of passive elements. In this paper, we propose and develop a new type of high-gain yet low-cost RIS having 256 elements. The proposed RIS combines the functions of phase shift and radiation together on an electromagnetic surface, where positive intrinsic-negative (PIN) diodes are used to realize 2-bit phase shifting for beamforming. Based on this radical design, the world's first wireless communication prototype using RIS having 256 2-bit elements is designed and developed. Specifically, the prototype conceived consists of modular hardware and flexible software, including the hosts for parameter setting and data exchange, the universal software radio peripherals (USRPs) for baseband and radio frequency (RF) signal processing, as well as the RIS for signal transmission and reception. Our performance evaluation confirms the feasibility and efficiency of RISs in future wireless communications. More particularly, it is shown that a 21.7 dBi antenna gain can be obtained by the proposed RIS at 2.3 GHz, while at the millimeter wave (mmWave) frequency, i.e., 28.5 GHz, a 19.1 dBi antenna gain can be achieved. Furthermore, the over-the-air (OTA) test results show that the RIS-based wireless communication prototype developed is capable of significantly reducing the power consumption.

研究の動機と目的

• 将来の無線ネットワークにおける従来のマスティブMIMO位相配列アレイの高消費電力および高ハードウェアコストを解決すること。
• マルチビット位相制御を備えた再構成可能インテリジェントサーフェス（RIS）を用いた低コストでエネルギー効率の高い代替手法を開発すること。
• 2ビット位相シフトを備えた256素子のRISの設計およびプロトタイピングを行い、柔軟なビームフォーミングと高い指向性を実現すること。
• Sub-6 GHz帯およびmmWave帯の両方で屋外（OTA）実験を実施し、RISベースの無線通信の実現可能性と性能を検証すること。
• RISプロトタイプを用いて、HD VR動画ストリーミングなどのリアルタイム高速データレート応用を実証すること。

提案手法

• RISは、各素子がPINダイオードを用いて2ビット位相シフト（0°、90°、180°、270°）を実現する256素子アレイを採用し、アクティブRFチェーンを必要としないビームフォーミングを可能としている。
• RIS構造は、1枚の電磁的表面に放射素子と位相制御を統合しており、複雑な給電ネットワークを排除し、消費電力を低減している。
• ビームフォーミング制御ボードが256素子の位相状態を動的に制御し、最大±60°までの広い角度範囲でメインビームを指向可能としている。
• プロトタイプはUSRPsを用いてベースバンドおよびRF信号処理を実施し、パrameter設定およびデータ交換のためのホストを備え、完全にソフトウェア定義の動作を実現している。
• システムは2.3 GHzおよび28.5 GHzで動作し、高スペクトル効率および耐障害性を実現するため、OFDM変調、QAM、およびターボ符号化を採用している。
• 屋外（OTA）テストは、20メートルのリンクを有する屋内環境で実施され、高精細ステレオVR動画をデータソースとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ビット位相シフターを備えた256素子RISは、高レート無線通信を支えるのに十分な指向性およびビームフォーミング利得を達成できるか？
• RQ2 1ビットRISと比較して、2ビットRISの効果的全方向放射電力（EIRP）およびスペクトル効率はどのように異なるか？
• RQ3 モジュラーなハードウェアと柔軟なソフトウェアを備えた完全なRISベースの無線通信プロトタイプは、リアルタイムデータ伝送を実現できるか？
• RQ4 異なるスキャン角度におけるRISのビームスキャン能力と利得低下はどの程度か？
• RQ5 RISプロトタイプは、HD VR動画ストリーミングなどのリアルタイム高速データレート応用をサポートできるか？

主な発見

• 2.3 GHzで測定されたRISの利得は21.7 dBiであり、2.4 GHzでピーク利得21.9 dBiを記録し、1 dB帯域幅は350 MHz（相対帯域幅15.2%）を達成した。
• 28.5 GHzでは、測定利得が19.1 dBiに達し、ミリ波周波数帯域でも実用性を示した。
• RISは、ビームをスカスキーから最大±60°まで指向可能であり、利得低下はわずか3.7 dBにとどまり、柔軟なビームフォーミング能力を確認した。
• 屋外テストにより、64-QAMを用いて3920×1440のHD VR動画がリアルタイムで伝送可能であり、明確なコンステレーション分離と安定したデータレートが確認された。
• 送信電力30 dBmの下で、RISプロトタイプのEIRPは51.7 dBmに達し、既存の1ビットRISシステム比で2 dBの向上を示した。
• 従来の位相配列アレイと比較して顕著な消費電力低減が確認され、RISベース通信のエネルギー効率の高さが裏付けられた。