[논문 리뷰] Digital Reconfigurable Intelligent Surfaces: On the Impact of Realistic Reradiation Models

Marco Di Renzo, Abdelhamed Ahmed외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)에 대한 현실적인 전자기 재방출 모델이 미치는 영향을 조사하며, 미세한 요소 간격, 위상-세기 상관관계, 양자화 및 간섭이 성능에 미치는 영향을 입증한다. 전체 재방출 패턴을 최적화하여 원하는 신호 전력은 극대화하고 누설은 최소화하는 방법을 제안하며, 2비트 RIS가 거의 일정한 진폭과 1/8에서 1/4 파장 간격을 가지는 경우 성능-복잡도의 균형이 뛰어나다고 밝힌다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is an emerging technology that is under investigation for different applications in wireless communications. RISs are often analyzed and optimized by considering simplified electromagnetic reradiation models. In this chapter, we aim to study the impact of realistic reradiation models for RISs as a function of the sub-wavelength inter-distance between nearby elements of the RIS, the quantization levels of the reflection coefficients, the interplay between the amplitude and phase of the reflection coefficients, and the presence of electromagnetic interference. We consider both case studies in which the users may be located in the far-field and near-field regions of an RIS. Our study shows that, due to design constraints, such as the need of using quantized reflection coefficients or the inherent interplay between the phase and the amplitude of the reflection coefficients, an RIS may reradiate power towards unwanted directions that depend on the intended and interfering electromagnetic waves. Therefore, it is in general important to optimize an RIS by considering the entire reradiation pattern by design to maximize the reradiated power towards the desired directions of reradiation while keeping the power reradiated towards other unwanted directions at a low level. Our study shows that a 2-bit digitally controllable RIS with an almost constant reflection amplitude as a function of the applied phase shift, and whose scattering elements have a size and an inter-distance between (1/8)th and (1/4)th of the signal wavelength may be a good tradeoff between performance, implementation complexity and cost. However, the presented results are preliminary and pave the way for further research into the performance of RISs based on accurate and realistic electromagnetic reradiation models.

연구 동기 및 목표

• 간단한 가정을 넘어서 현실적인 전자기 재방출 모델이 RIS 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 미세한 요소 간격, 위상-세기 상관관계, 양자화가 재방출 패턴에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 주 beam 뿐 아니라 전체 재방출 패턴을 고려하여 RIS 설계를 최적화하기 위해.
• 근거리 및 원거리 사용자 시나리오 모두에서 성능을 평가하기 위해.
• 성능, 복잡도, 비용을 고려한 실용적인 RIS 설계를 특정하기 위해.

제안 방법

• 연구는 상호 결합과 요소 기하학을 고려하여 각 RIS 요소의 재방출된 전자기장을 계산하기 위해 전면적 파장 전자기 모델을 사용한다.
• 의도한 사용자에서 수신 전력은 극대화하고 불필요한 방향으로 방출되는 전력은 최소화하기 위해 제약 조건이 있는 최적화 문제를 수립한다.
• 유한 알파벳에서 유도된 이산 위상 이동을 고려하여 반복적으로 반사 계수를 업데이트하는 교대 알고리즘을 사용한다.
• 자유공간 경로 손실, 근거리 조건에서의 구형 波면, 송신기 및 수신기의 방향성 이득 패턴을 모델에 통합한다.
• 요소 간 간격(1/8에서 1/4 파장), 양자화 수준(2비트), 진폭-위상 상관관계를 다양하게 변화시켜 성능을 평가한다.
• 구형 波면 기반 신호 모델과 사인 기반 비음향 요소를 사용하여 원거리 및 근거리 조건에서의 RIS 구성 요소를 비교 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디지털 재구성 가능한 RIS의 요소 간 미세한 간격이 재방출 패턴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위상 양자화와 진폭-위상 상관관계가 의도하지 않은 재방출과 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 근거리 및 원거리 전파 조건이 최적의 RIS 설계와 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 전체 재방출 패턴을 忽略할 경우 RIS 배치와 성능이 얼마나 열등해지는가?
• RQ5 실제 전자기 제약 조건 하에서 성능, 구현 복잡도, 비용 간 최적 균형을 이루는 RIS 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 모든 위상 이동 동안 거의 일정한 진폭을 가지는 2비트 디지털 재구성 가능한 RIS는 성능과 하드웨어 복잡도 사이에 유리한 균형을 이룬다.
• RIS 요소 간의 미세한 간격(1/8에서 1/4 파장)은 재방출 패턴에 상당한 영향을 미치며 설계 시 고려되어야 한다.
• 위상 양자화와 진폭-위상 상관관계는 비이상적인 재방출을 유도하여 불필요한 방향으로 전력 누설이 발생시킨다.
• 근거리 조건에서는 평면 파면 근사가 실제 채널 행동을 포착하지 못하므로 구형 파면 모델링이 필요하다.
• 원하는 신호 전력 극대화와 간섭 억제를 위해 RIS 설계 시 전체 재방출 패턴을 최적화해야 한다.
• 제안된 최적화 프레임워크는 현실적인 전자기 결합 및 산란 효과를 고려함으로써 성능 향상을 가능하게 한다.