[論文レビュー] Transmissive RIS for 6G Communications: Design, Prototyping, and Experimental Demonstrations

Junwen Tang, Mingyao Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2022

Advanced Antenna and Metasurface Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、90°デジタル位相シフタと電流逆転ダイポールを用いた2ビット透過型再構成可能知能表面（RIS）を提案し、低挿入損失で全360°位相制御を実現する6G通信向けのものである。16×16プロトタイプは27 GHzで22.0 dBiのスラントビーム利得を達成し、実験的に8.2 dBの送信電力低減、障害物の透過、および±60°までのビームステアリングを実証した。これにより、より高いデータレートと信号方向への動的適応が可能となる。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has been widely considered as a key technique to improve spectral efficiency for 6G communications. Compared with most existing research that only focuses on the reflective RIS, the design and prototyping of a novel transmissive RIS are presented in this paper, and its enhancement to the RIS-aided communication system is experimentally demonstrated. The 2-bit transmissive RIS element utilizes the penetration structure, which combines a 1-bit current reversible dipole and a 90° digital phase shifter based on a quadrature hybrid coupler. A transmissive RIS prototype with 16$ imes$16 elements is designed, fabricated, and measured to verify the proposed design. The measured phase shift and insertion loss of the RIS element validate the 2-bit phase modulation capability. Being illuminated by a horn feed, the prototype achieves a maximum broadside gain of 22.0 dBi at 27 GHz, and the two-dimensional beamforming capability with scan angles up to $\pm$60° is validated. The experimental results of the RIS-aided communication system verify that by introducing the extra gain and beam steering capability, the transmissive RIS is able to achieve a higher data rate, reduce the transmit power, improve the transmission capability through obstacles, and dynamically adapt to the signal propagation direction.

研究の動機と目的

• 反射型RISのカバレッジ制限を是正するため、障害物の向こう側や非対称なトポロジでの通信を可能にする透過型RISの提案。
• 既存の透過型RIS設計における高い挿入損失と制限された位相分解能を克服するため、2ビット位相制御メカニズムの導入。
• 90°デジタル位相シフタと電流逆転ダイポールを用いた2ビット位相分解能を持つ16×16透過型RISの設計、プロトタイピング、および実験的検証。
• RIS支援システムが、データレートの向上、送信電力の低減、ブロックエージェンシーの克服、および実世界のシナリオにおける動的ビームステアリングを実現できることの実証。

提案手法

• 2ビット透過型RIS素子は、1ビットの電流逆転ダイポールと、四分位ハイブリッドコアプラによる90°デジタル位相シフタを組み合わせ、4つの安定した位相状態を実現する。
• 90°デジタル位相シフタは2つのPINダイオードを用いて2つの四分位出力を切り替えることで、0°、90°、180°、270°の位相シフトを可能にする。
• 2.5次元貫通構造を採用し、電波伝搬方向に部品を垂直に積層することで、平面的フットプリントを低減し、16×16素子の高密度統合を実現する。
• 各素子に統合されたDC/RFバイアス回路を備えた、多層プリント回路基板（PCB）技術を用いてプロトタイプを実装する。
• アレイ全体の位相シフトを動的に制御することでビームフォーミングを実現し、方位角方向に±60°までのビームステアリングが可能となる。
• アネーロイック・シャンバーを用いたシステムレベルの実験では、ホーンフィードとソフトウェア定義無線（SDR）を用い、データレート、電力低減、障害物対処性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ビット透過型RISは、ミリ波周波数帯域で低挿入損失と高い利得を実現しつつ、全360°位相制御を達成できるか？
• RQ2 透過型RISは、RIS支援通信システムにおいてスペクトル効率を向上させるとともに、送信電力をどの程度低減できるか？
• RQ3 大理石などの障害物によって生じる信号ブロックエージェンシーを、透過型RISはどの程度克服できるか？
• RQ4 透過型RISは、変化する信号入射角に応じて動的にビームをステアリングできるか？
• RQ5 実世界の実験条件下で達成可能なデータレートとアレイ利得はどの程度か？

主な発見

• 2ビット透過型RISプロトタイプは、27.0 GHzで最大22.0 dBiのスラントビーム利得を達成し、効果的なビームフォーミングと高い指向性を確認した。
• RISは1121 Mbpsのデータレートを維持するため、送信電力を13.6 dBmから5.4 dBmへ8.2 dB低減した。これは測定された9.3 dBのアレイ利得と整合的である。
• 直接視線路が大理石で遮断された状況でも、透過型RISが1683 Mbpsのリンクを正常に回復させ、障害物透過能力を実証した。
• ±60°までのビームステアリングが実験的に検証され、30°入射角でビームスキャンを用いることでデータレートが1683 Mbpsに回復した。
• 16-QAM変調を用いることで、システムは最大サポートされるデータレート1683 Mbpsを達成し、高いスペクトル効率を確認した。
• RIS素子の測定された挿入損失は低く、2ビット位相制御が性能劣化を最小限に抑えつつ実現可能であることを裏付けた。