[논문 리뷰] Digital RIS (DRIS): The Future of Digital Beam Management in RIS-Assisted OWC Systems

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 18.

Underwater Vehicles and Communication Systems참고 문헌 37인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 광무선통신(Optical Wireless Communication, OWC) 시스템을 위한 디지털 재구성가능한 지능형 표면(Digital Reconfigurable Intelligent Surfaces, DRIS)을 제안하며, 물리적 메타표면 내에서 직접적으로 디지털 신호처리(Digital Signal Processing, DSP) 기법인 공간시간 코드화(Space-Time Coding, STC)를 구현할 수 있도록 한다. 이중 코드로 제어되는 프로그래머블 리퀴드 크리스탈(Liquid Crystal, LC)-기반 요소를 사용함으로써 DRIS는 조정 가능한 위상 이득과 반사 계수를 갖는 정밀한 빔포밍을 실현한다. 0°, 90°, 180°, 270° 방향으로 제어 가능한 빔을 갖춘 4요소 DRIS 프로토타입을 구현하였으며, 이에 해당하는 신호 전력은 각각 -0.9151 dBm에서 -5.6864 dBm 사이이다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have been recently introduced to optical wireless communication (OWC) networks to resolve skip areas and improve the signal-to-noise ratio at the user's end. In OWC networks, RIS are based on mirrors or metasurfaces. Metasurfaces have evolved significantly over the last few years. As a result, coding, digital, programmable, and information metamaterials have been developed. The advantage of these materials is that they can enable digital signal processing (DSP) techniques. For the first time, this paper proposes the use of digital RIS (DRIS) in OWC systems. We discuss the concept of DRIS and the application of DSP methods to the physical material. In addition, we examine metamaterials for optical DRIS with liquid crystals serving as the front row material. Finally, we present a design example and discuss future research directions.

연구 동기 및 목표

• 선로 장애(LoS) 차단으로 인한 신호 차단 및 낮은 신호대역비(SNR) 문제를 해결하기 위해.
• 기존 아날로그 RIS의 한계를 극복하여 물리적 메타표면 내에서 디지털 신호처리(DSP) 기법을 가능하게 하기 위해.
• RIS 요소를 이진코드 시퀀스로 간주함으로써 동적 빔 제어를 가능하게 하는 새로운 DRIS 아키텍처를 제안하기 위해.
• OWC 응용을 위한 제어 가능한 빔 조향 및 전력 수준을 갖춘 실용적인 LC 기반 DRIS 프로토타입을 구현하기 위해.

제안 방법

• DRIS를 코드(X, k, ρ₀)로 정의한 RIS로 제안하며, 여기서 X는 요소 수, k는 각 요소당 비트 수, ρ₀는 초기 반사 계수이다.
• 전기적으로 조절 가능한 이방성 및 굴절률을 갖는 블라즈드 격자 구조를 가진 리퀴드 크리스탈(LC) 메타표면을 사용하여 전기적 제어로 빛의 굴절을 제어한다.
• 2차원 LC 세포 배열을 사용하며, 각 세포에 2비트 디지털 코드('00', '01', '10', '11')를 할당하여 빛을 0°, 90°, 180°, 270°로 각각 굴절시킨다.
• 굴절을 모델링하기 위해 격자 방정식 na(sinϕr + sinϕi) = mλ를 적용하며, m = ±1은 1차 굴절을 의미하고, ϕr = ±ϕi + 2α이다.
• 행렬 모델링(Eq. 4)을 사용하여 입사각과 굴절률에 따른 반사 계수의 의존성을 시뮬레이션한다.
• 1.3 V, 1.6 V, 1.8 V, 2.6 V 제어 전압을 갖는 A4907 LC 패널을 사용하여 4요소 DRIS 프로토타입을 설계하여 다양한 전력 수준의 빔을 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공간시간 코드화(STC)와 같은 디지털 신호처리(DSP) 기법이 OWC 시스템의 물리적 메타표면에 효과적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 리퀴드 크리스탈(LC)-기반 메타표면은 어떻게 설계되어야 하며, 조절 가능한 위상과 진폭을 갖춘 프로그래머블 빔 조향을 가능하게 하는가?
• RQ3 입사각과 굴절률은 LC 기반 DRIS 요소의 반사 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2비트 DRIS 구성에서 다양한 디지털 코드에 따라 빔 패턴과 전력 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 광학적 DRIS에서 고직도 및 효율적인 빔 포밍을 달성하기 위한 핵심 설계 매개변수는 무엇인가?

주요 결과

• 리퀴드 크리스탈(LC) 패널을 사용하여 4요소 DRIS 프로토타입을 성공적으로 설계하였으며, 각 요소는 2비트 디지털 코드로 제어되어 0°, 90°, 180°, 270°로 빛을 굴절시켰다.
• DRIS는 각각 1.3 V, 1.6 V, 1.8 V, 2.6 V 제어 전압에 대응하는 빔 전력 -0.9151 dBm(0°), -2.0066 dBm(90°), -3.4679 dBm(270°), -5.6864 dBm(180°)를 달성하였다.
• 입사각과 굴절률이 증가할수록 반사 계수가 감소하였으며, 다양한 LC 세포 유형에서 0.81에서 0.27로 감소하였다.
• 블라즈드 격자 설계 덕분에 입사각 변화에 상관없이 빔 패턴이 안정되었으며, 높은 주 빔 이득과 직도를 유지하였다.
• 리퀴드 크리스탈을 사용함으로써 적용 전압에 따라 조절 가능한 이방성과 위상 이득을 구현하여 빔 방향과 진폭을 동적으로 재구성할 수 있었다.
• DRIS 아키텍처는 물리적 재료 내에서 STC와 같은 DSP 기법을 성공적으로 구현하였으며, 다중 경로 다양성과 페이딩 환경에서의 성능 향상을 제공하였다.