[論文レビュー] Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces: How it Works, State of Research, and Road Ahead

Marco Di Renzo, Alessio Zappone+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 307被引用数 3,052

ひとこと要約

本論文は、再構成可能知能表面（RIS）をスマート無線環境（SRE）の変革的技術として導入し、電磁波をプログラム制御することで無線伝搬を動的に制御することを可能にする。通信理論と電磁気学を統合し、物理的ベースのRISモデルを提案するとともに、6Gネットワークにおける主要な研究課題を特定する。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are an emerging transmission technology for application to wireless communications. RISs can be realized in different ways, which include (i) large arrays of inexpensive antennas that are usually spaced half of the wavelength apart; and (ii) metamaterial-based planar or conformal large surfaces whose scattering elements have sizes and inter-distances much smaller than the wavelength. Compared with other transmission technologies, e.g., phased arrays, multi-antenna transmitters, and relays, RISs require the largest number of scattering elements, but each of them needs to be backed by the fewest and least costly components. Also, no power amplifiers are usually needed. For these reasons, RISs constitute a promising software-defined architecture that can be realized at reduced cost, size, weight, and power (C-SWaP design), and are regarded as an enabling technology for realizing the emerging concept of smart radio environments (SREs). In this paper, we (i) introduce the emerging research field of RIS-empowered SREs; (ii) overview the most suitable applications of RISs in wireless networks; (iii) present an electromagnetic-based communication-theoretic framework for analyzing and optimizing metamaterial-based RISs; (iv) provide a comprehensive overview of the current state of research; and (v) discuss the most important research issues to tackle. Owing to the interdisciplinary essence of RIS-empowered SREs, finally, we put forth the need of reconciling and reuniting C. E. Shannon’s mathematical theory of communication with G. Green’s and J. C. Maxwell’s mathematical theories of electromagnetism for appropriately modeling, analyzing, optimizing, and deploying future wireless networks empowered by RISs.

研究の動機と目的

• 再構成可能知能表面（RIS）を活用したスマート無線環境（SRE）の基礎的原則を確立し、従来の無線ネットワークから見直しをもたらすパラダイムシフトを実現すること。
• C.E. シャノンの通信理論と、G. グリーンおよびJ.C. マクスウェルの電磁気学理論の数学的理論の間のギャップを埋めること。
• 無線システムにおける波の操作能力を正確に記述できる、メタサーフェスおよびRISの物理的ベースのモデルを提供すること。
• RISを活用したSREに関する研究の現状を調査し、今後の開発に向けた重要な未解決課題を特定すること。
• 解析的および計算モデリング技術を用いて、RISを無線ネットワークに統合するための実用的ガイドラインを提示すること。

提案手法

• 通信理論的モデルと電磁波理論を統合する包括的フレームワークを提案し、無線チャネルにおけるRISの動作をモデル化する。
• 外部制御信号を用いて電波の反射または透過を再構成可能な薄いプログラマブルな表面としてのRISの概念を導入する。
• メタサーフェス理論から導かれる一般化された反射および屈折則を用い、遠方および近場領域における波面形状の制御をモデル化する。
• メタサーフェスの散乱モデルを統合したレイトレーシングおよびシステムレベルシミュレータを用い、都市部および屋内環境における実際の状況での性能を評価する。
• 確率的幾何学および確率的幾何学に基づくモデルを用いて、大規模ネットワークにおけるRISの展開を分析し、カバレッジおよびエネルギー効率を評価する。
• 通信を超えた応用、例えば電気的に大きなRISの集光特性を活用した高精度な無線定位およびマッピングを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 無線伝搬環境を受動的で制御不能な媒体から、プログラム可能で知的な表面に変革することは可能か？
• RQ2 再構成可能知能表面（RIS）の動作を支配する基本的な物理的原理は何か。また、それらを数学的にモデル化する方法は？
• RQ3 シャノンの情報理論とマクスウェルの電磁気学理論をいかに調和させ、知的な電波制御を可能にするか？
• RQ4 実世界の大規模展開において、RISを活用したスマート無線環境の性能向上と制限要因は何か？
• RQ5 近場通信、定位、システムレベル統合を実現するにあたり、RISに直面する主な課題は何か？

主な発見

• RISは、電波伝搬を動的に制御することで、干渉を低減し、信号の信頼性を向上させることで、スペクトル効率およびエネルギー効率を顕著に向上させられる。
• メタサーフェスを無線ネットワークに統合することで、ビームフォーミング、波面形状制御、知的なマルチパス利用といった新たな能力が実現可能になる。
• 現在のシステムレベルシミュレータは、メタサーフェスの散乱モデルをサポートしていないため、性能評価および展開計画において重要なギャップが生じている。
• 大規模なRISの近場動作は、高利得の集光および高精度な定位の機会を提供するが、既存の文献ではまだ十分に検討されていない。
• RISの大規模展開には、都市部および産業環境におけるカバレッジおよびエネルギー効率を最適化するための、新たな解析フレームワークが必要である。
• 通信を超えて、RISは無線マッピングおよび定位においても可能性を示しており、知的な無線環境におけるより広範な役割を果たす可能性がある。