[논문 리뷰] Dynamic Blockage Pre-Avoidance using Reconfigurable Intelligent Surfaces

Hao Guo, Behrooz Makki외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표 superfuce(RIS)를 사용하여 이동성 높은 mmWave 통신의 신뢰성을 향상시키기 위해 동적 블록화 사전 방지 기법을 제안한다. 영역 기반 RIS 사전 선택과 블록화 예측을 활용함으로써 시스템은 장애 발생 확률을 감소시키고 대역폭을 향상시키지만, 하드웨어 결함과 비용 효율성은 실용적 구현에 있어 주요 과제로 남아 있다.

ABSTRACT

Internet-of-vehicle (IoV) is a general concept referring to, e.g., autonomous drive based vehicle-to-everything (V2X) communications or moving relays. Here, high rate and reliability demands call for advanced multi-antenna techniques and millimeter-wave (mmw) based communications. However, the sensitivity of the mmw signals to blockage may limit the system performance, especially in highways/rural areas with limited building reflectors/base station deployments and high-speed devices. To avoid the blockage, various techniques have been proposed among which reconfigurable intelligent surface (RIS) is a candidate. RIS, however, has been mainly of interest in stationary/low mobility scenarios, due to the associated channel state information acquisition and beam management overhead as well as imperfect reflection. In this article, we study the potentials and challenges of RIS-assisted dynamic blockage avoidance in IoV networks. Particularly, by designing region-based RIS pre-selection as well as blockage prediction schemes, we show that RIS-assisted communication has the potential to boost the performance of IoV networks. However, there are still issues to be solved before RIS can be practically deployed in IoV networks.

연구 동기 및 목표

• 고속도로 및 인프라가 제한된 농촌 지역과 같은 환경에서 이동성이 높은 mmWave 블록화 문제를 해결한다.
• 단기적인 링크 수명과 높은 이동성로 인해 효과적이지 않은 기존 블록화 완화 기법(예: NLoS 링크 및 핸드오버)의 한계를 극복한다.
• 추가적인 기지국 또는 백홀이 필요 없이 저전력, 오프그리드 솔루션으로서 RIS의 가능성을 탐색한다.
• 위상 노이즈 및 송수신기 결함을 포함한 현실적인 조건에서 RIS 지원 통신의 성능을 평가한다.
• 실제 RIS 구현을 위한 주요 장벽인 하드웨어 결함, 비용 효율성, 표준화 및 간섭 관리 문제를 규명한다.

제안 방법

• 기지국이 차량의 속도 및 위치 정보를 기반으로 사전에 최적의 RIS를 선택하는 영역 기반 RIS 사전 선택 메커니즘을 제안한다.
• 대규모 채널 상태 정보와 이동성 데이터를 통합하여 향후 블록화를 사전에 예측한다.
• 차량 이동에 따라 라인오브사이트(LoS) 또는 반사성 LoS 링크를 유지하기 위해 위상 시프트를 최적화한 RIS 지원 통신 링크를 모델링한다.
• 실제 mmWave 전파 및 하드웨어 결함 조건 하에서 장애 발생 확률과 스펙트럼 효율성 지표를 사용해 시스템 성능을 분석한다.
• 위상 노이즈 및 송수신기 결함이 RIS 성능에 미치는 영향을 직접 sub-6 GHz 통신 및 협동 기지국 기반 기법과 비교하여 평가한다.
• 실제 결함 조건 하에서 협동 기지국의 성능을 따라잡기 위해 필요한 RIS 요소 수를 비교함으로써 비용 효율성의 트레이드오프를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 기반 사전 선택 및 블록화 예측이 고속도로 이동성 mmWave 차량 네트워크에서 장애 발생 확률을 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 위상 노이즈 및 송수신기 결함은 RIS 지원 mmWave 통신의 성능 향상이 직접 sub-6 GHz 링크보다 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 실제 하드웨어 결함 조건 하에서 협동 기지국의 성능을 따라잡기 위해 필요한 RIS 요소 수는 얼마인가?
• RQ4 실제 IoV 환경에서 IAB 및 네트워크 제어형 리피터와 비교했을 때 RIS의 비용 효율성 트레이드오프는 어떻게 되는가?
• RQ5 3GPP 호환 네트워크에서 RIS 구현을 방해하는 주요 표준화 및 간섭 관리 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 블록화 예측 및 사전 선택 기반 RIS 지원 통신은 고속도로 이동성 IoV 네트워크에서 장애 발생 확률을 크게 감소시키고 대역폭을 향상시킨다.
• 위상 노이즈 및 송수신기 결함은 RIS 성능을 저하시키며, 특히 고 SNR 조건에서는 직접 sub-6 GHz 링크가 RIS 지원 mmWave 링크를 능가할 수 있다.
• 실제 결함 조건 하에서 협동 기지국의 성능을 따라잡기 위해 RIS는 상당히 많은 수의 요소가 필요하여 비용과 관리 오버헤드가 증가한다.
• 비용 효율성 트레이드오프는 여전히 주요 장벽으로 남아 있다: RIS는 태양 에너지 등 저전력 구현이 가능하지만, IAB 또는 리피터 대비 성능 향상이 비용을 감당할 수 있을지는 의문이다.
• 비이상적인 RIS 반사로 인한 간섭과 표준화 부족은 특히 고밀도 배치 및 인접 대역 운영에서 네트워크 수준의 과제를 야기한다.
• 다른 성과에도 불구하고, 하드웨어 결함, 비용, 3GPP 표준화 부재(특히 리lease 18 이후)로 인해 실질적인 IoV 분야의 RIS 구현은 아직 제한되어 있다.