[論文レビュー] Reconfigurable Intelligent Surface for Near Field Communications: Beamforming and Sensing

Yuhua Jiang, Feifei Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、入射平面波を円柱波または球面波に変換することで、近接受信機（特に均一線形アレイ（ULA）または単一アンテナユーザー）にエネルギーを集束する再構成可能知能表面（RIS）ビームフォーミング方式を提案する。これによりエネルギー漏れを低減し、チャネル容量を向上させる。本手法は最大尤度（ML）および焦点走査（FS）手法を用いて受信機位置を推定し、位置誤差限界（PEB）を導出することで、従来の平面波反射よりも高い容量を達成する。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) can improve the communications between a source and a destination. Recently, continuous aperture RIS is proved to have better communication performance than discrete aperture RIS and has received much attention. However, the conventional continuous aperture RIS is designed to convert the incoming planar waves into the outgoing planar waves, which is not the optimal reflecting scheme when the receiver is not a planar array and is located in the near field of the RIS. In this paper, we consider two types of receivers in the radiating near field of the RIS: (1) when the receiver is equipped with a uniform linear array (ULA), we design RIS coefficient to convert planar waves into cylindrical waves; (2) when the receiver is equipped with a single antenna, we design RIS coefficient to convert planar waves into spherical waves. We then propose the maximum likelihood (ML) method and the focal scanning (FS) method to sense the location of the receiver based on the analytic expression of the reflection coefficient, and derive the corresponding position error bound (PEB). Simulation results demonstrate that the proposed scheme can reduce energy leakage and thus enlarge the channel capacity compared to the conventional scheme. Moreover, the location of the receiver could be accurately sensed by the ML method with large computation complexity or be roughly sensed by the FS method with small computation complexity.

研究の動機と目的

• 受信機が平面アレイでない場合のRIS支援近接通信におけるエネルギー漏れを解消すること。
• 平面波をULA受信機向けに円柱波に、単一アンテナユーザー向けに球面波に変換するRIS反射係数の設計。
• 焦点点／焦点線が受信機位置に依存するため、RISビームフォーミング設計の前に正確な受信機位置センシングを可能にすること。
• 近接領域における平面波、円柱波、球面波反射方式のチャネル容量性能を比較すること。
• ML（高精度、高計算量）とFS（低計算量、やや低精度）手法を用いた位置センシングにおける精度と計算複雑度のトレードオフを評価すること。

提案手法

• 受信機がULAの場合、焦点線をアレイに一致させることで、入射平面波を円柱波に変換するRIS反射係数を設計し、エネルギーを集束する。
• 受信機が単一アンテナの場合、焦点点を受信機位置に配置することで、入射平面波を球面波に変換するRIS反射係数を設計する。
• 解析的反射係数式に基づき、高い精度を達成する最大尤度（ML）法による受信機位置センシング手法を開発する。
• 候補焦点点のグリッドサーチを用いることで、計算複雑度を低減した焦点走査（FS）法による受信機位置センシング手法を提案する。
• MLおよびFS手法の両方について、位置誤差限界（PEB）を導出し、位置推定精度の限界を定量化する。
• マクスウェル方程式に基づく電磁気理論的モデルを用いて電磁界をモデル化し、近接領域の波面形状を高精度に制御可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近接領域におけるULA受信機に対して、円柱波反射に基づくRISビームフォーミングは、従来の平面波反射と比較してエネルギー集束性とチャネル容量にどの程度向上をもたらすか？
• RQ2 RISによる球面波反射は、単一アンテナ近接受信機においてエネルギー集中性と容量にどの程度向上をもたらすか？
• RQ3 RIS支援近接通信における受信機位置推定誤差が、実現可能なチャネル容量に与える影響は何か？
• RQ4 位置センシング手法としてのML法とFS法は、精度、計算複雑度、および得られる容量性能の観点から、どのように比較されるか？
• RQ5 円柱波および球面波が平面波に退化する距離はどこか？これはチャネル容量の観点から、近接領域／遠距離領域の境界定義にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 提案された円柱波RISビームフォーミング方式は、従来の平面波反射と比較して、特に300 m以内ではエネルギー漏れを顕著に低減し、チャネル容量を向上させる。
• 単一アンテナ受信機では、球面波反射が最高のチャネル容量を達成し、円柱波と比較して約9 dBのSNR利得、平面波と比較して約18 dBのSNR利得を示す。
• ML法はFS法よりも高いセンシング精度を達成し、結果として高い容量を実現するが、計算複雑度が著しく高い。
• 受信機が200 mを超えると、球面波は平面波に劣化し、球面波と平面波の容量優位性は薄れるため、実用的な近接領域は約200 mとされる。
• MLおよびFS手法に共通して導出した位置誤差限界（PEB）は、提案フレームワークにおける受信機位置推定精度の根本的限界を定量化する。
• レイリー距離は、チャネル容量の観点では近接領域と遠距離領域の境界として信頼できない。なぜなら、焦点を当てた波の性能優位性は、この距離をはるかに超えて持続するからである。