[논문 리뷰] Double-Sided Beamforming in OWC Systems Using Omni-Digital Reconfigurable Intelligent Surfaces

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광무선통신(OWC)를 위한 옴니-디지털 재구성 가능한 지능형 표면(omni-DRIS)을 제안하며, 디지털로 제어 가능한 요소를 통해 동시에 반사 및 굴절을 가능하게 한다. 이 시스템은 이중면 빔포밍을 실현하여 커버리지와 도달 가능한 속도를 향상시키며, 최적의 요소 수와 더 높은 위상 이동 해상도에서 성능이 최고에 이른다.

ABSTRACT

In this paper, we introduce a variant of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) called omni-digital-RISs (DRISs), which allow multiple physical processes, with application to optical wireless communications systems. The proposed omni-DRIS contains both reflectors and refractive elements, as well as elements that perform both simultaneously. We describe and explain the concept of omni-DRIS, suggest and analyze an omni-DRIS coding structure, discuss metamaterials to be used, and provide a design example. Furthermore, we demonstrate that the achievable rate of an omni-DRIS system depends on the number of omni-DRIS elements, bits per phase shift, and the number of unused elements. In addition, we show that the achievable rate upper bound is related to the number of omni-DRIS elements, and conclude by discussing future research directions.

연구 동기 및 목표

• 기존 RIS가 표면의 양측에 있는 사용자를 동시에 커버하지 못하는 한계를 해결하기 위해 동시에 반사 및 굴절을 가능하게 한다.
• 기존 RIS 구현에서 표면 뒷편에 있는 사용자가 서비스를 받지 못하는 빈도 문제를 해결한다.
• 프로그래밍 가능한 요소를 통해 반사 및 투과 파면 제어를 지원하는 디지털로 재구성 가능한 표면을 개발한다.
• omni-DRIS 요소의 다중 모드 작동을 가능하게 하는 코딩 구조 및 재료 프레임워크(예: 액정)를 설계한다.
• 요소 수, 위상 이동 해상도, 사용되지 않는 요소가 OWC 시스템 성능에 미치는 영향을 조사한다.

제안 방법

• omni-DRIS를 반사체, 굴절체 및 이중기능 요소를 하나의 표면에 통합한 하이브리드 RIS로 제안한다.
• 각 omni-DRIS 요소가 반사, 굴절, 동시 반사/굴절 또는 비활성 상태에 있을 수 있는 사상 상태 코딩 프로토콜을 설계한다.
• 액정(LC)-기반 메타물질을 활용하여 위상 이동과 투과/반사 계수의 동적 재구성을 가능하게 한다.
• omni-DRIS 표면의 양측에 있는 사용자에게 빛 빔을 향하게 하기 위해 이중면 빔 관리를 구현한다.
• 반사 요소에서는 이중 통과 전송을, 투과 요소에서는 단일 통과 전송을 고려한 OWC 채널 모델을 수립한다.
• 도달 가능한 속도를 성능 지표로 사용하여 총 요소 수, 활성 요소 수, 위상 이동 당 비트 수에 따른 의존성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 RIS 요소에 반사 및 굴절 기능을 통합함으로써 OWC 시스템의 커버리지가 어떻게 향상되는가?
• RQ2 VLC 시스템에서 도달 가능한 속도를 최대화하는 데 최적의 omni-DRIS 요소 수는 얼마인가?
• RQ3 위상 이동 당 비트 수를 늘일수록 시스템의 도달 가능한 속도는 어떻게 변화하며, 성능 포화 지점은 어디인가?
• RQ4 사용되지 않는 또는 비활성 omni-DRIS 요소가 시스템 스루풋과 빔포밍 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 액정 등의 재료 특성이 omni-DRIS의 구현 가능성과 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• omni-DRIS를 활용한 OWC 시스템의 도달 가능한 속도는 활성 요소 수, 위상 이동 당 비트 수, 사용되지 않는 요소 수에 따라 달라진다.
• 도달 가능한 속도를 최대화하는 데 최적의 omni-DRIS 요소 수가 존재하며, 이를 초과하면 위상 양자화 오버헤드 증가로 인해 성능이 저하된다.
• 위상 이동 당 비트 수를 늘일수록 도달 가능한 속도는 일정 수준까지 향상되나, 이후 수익 감소와 시스템 복잡도 증가로 인해 속도가 감소하기 시작한다.
• 고정된 총 요소 수에서 활성 요소 수가 증가할수록 도달 가능한 속도는 감소하는 경향을 보이며, 이는 해상도와 자원 활용 간의 상충 관계를 시사한다.
• 액정 기반 omni-DRIS 설계는 하부 레이어 조정을 통해 반사, 투과, 이중, 비활성 상태의 모든 4가지 운영 모드를 지원하며, 완전한 디지털 제어를 가능하게 한다.
• omni-DRIS를 활용한 이중면 빔포밍은 360° 사용자 커버리지를 실현하여 실내 가시광선 통신 환경에서 네트워크 연결성을 크게 향상시킨다.