[論文レビュー] RIS-Aided Wireless Communications: Prototyping, Adaptive Beamforming, and Indoor/Outdoor Field Trials

Xilong Pei, Haifan Yin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、5.8 GHzで動作する1100要素のRISプロトタイプ、フィードバックベースの適応ビームフォーミングアルゴリズム、および屋内/屋外のフィールド試験を提示し、エンドツーエンドの大幅な電力利得と500 mでの32 Mbpsリンク、RISの電力消費約1 Wを示している。

ABSTRACT

The prospects of using a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) to aid wireless communication systems have recently received much attention from academia and industry. Most papers make theoretical studies based on elementary models, while the prototyping of RIS-aided wireless communication and real-world field trials are scarce. In this paper, we describe a new RIS prototype consisting of 1100 controllable elements working at 5.8 GHz band. We propose an efficient algorithm for configuring the RIS over the air by exploiting the geometrical array properties and a practical receiver-RIS feedback link. In our indoor test, where the transmitter and receiver are separated by a 30 cm thick concrete wall, our RIS prototype provides a 26 dB power gain compared to the baseline case where the RIS is replaced by a copper plate. A 27 dB power gain was observed in the short-distance outdoor measurement. We also carried out long-distance measurements and successfully transmitted a 32 Mbps data stream over 500 m. A 1080p video was live-streamed and it only played smoothly when the RIS was utilized. The power consumption of the RIS is around 1 W. Our paper is vivid proof that the RIS is a very promising technology for future wireless communications.

研究の動機と目的

• 屋内外の環境で支援型無線通信のための実用的なRISプロトタイプをデモンストレーションする。
• 実際の入射角度下でのアップリンク/ダウンリンクチャネルのレシプロシティと反射位相特性を検証する。
• 既存の規格と統合可能な、フィードバックベースの低複雑度RISビームフォーミングアルゴリズムを開発・試験する。
• 屋内の非LOSと長距離の屋外試験を通じて実世界の性能向上を示す。
• RIS対応ネットワークの実用的な電力消費とシステム統合の実現性を評価する。

提案手法

• 5.8 GHzで1ビット位相状態を用いたバラクタ基セルを用い、1100要素のRISシート（55×20グリッド）を設計・製作する。
• 2つのバラクタ構成と各バラクタの簡略化された等価RLC回路を用いて要素の挙動をモデル化・測定する。
• 220個の異なるバイアス信号を駆動するための2段階RIS制御アーキテクチャ（FPGAベースのマスターコントローラと28個のシフトレジスタ・バイアス）を開発する。
• 1ビット量子化下で最適位相プロファイルを近似するため、2D-DFT構造 F(M)⊗F(N) を用いたコードブックベースのビームフォーミング手法を定式化する。
• RIS-UEフィードバックを用いて受信電力を最大化するため、O(M+N)反復で行/列の位相状態を反復的に切り替える貪欲な高速ビームフォーミングアルゴリズム（Algorithm 1）を提案する。
• USRPsを用いたIEEE 802.11acベースのPHYシステム、シンプルなビデオペイロード、およびリアルタイムで反射係数を調整するRISフィードバックリンクと統合する。
• RIS有効時の受信電力利得、データレート（最大32 Mbps）、およびビデオストリーミング性能（1080p）を測定する屋内外のフィールド試験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 屋内の非直線光路（Non-Line-of-Sight）シナリオで、銅板を参照とした場合にRISはエンドツーエンドの電力利得をどれだけ提供できるか。
• RQ2 低複雑度のフィードバックベースRISビームフォーミングアルゴリズムが、実用的な1ビット位相シフト制約下でエンドツーエンドリンク品質をどれだけ改善できるか。
• RQ3 RIS搭載反射は屋外環境で長距離のワイヤレス通信と有意なデータレートをサポートできるか。
• RQ4 実世界のプロトタイプでのRIS運用における実用的な電力とハードウェア要件（例：1 W消費）とは何か。

主な発見

• 屋内の非LOS RIS試験は銅板ベースラインに対して26 dBの電力利得を達成。
• 屋外の短距離試験で最大27 dBの電力利得を得た。
• 長距離の屋外試験で500 mで32 Mbpsのデータレートを達成。
• RIS支援のみで1080pビデオをライブ配信に成功、実用的なQoS利得を示す。
• RISプロトタイプは1100要素、約1 Wの電力消費、1ビット位相制御を備える。
• UEフィードバックを伴う貪欲な高速ビームフォーミングアルゴリズムはO(M+N)反復で収束し、SNRを改善する。