[논문 리뷰] Modeling and Analysis of Reconfigurable Intelligent Surfaces for Indoor and Outdoor Applications in Future Wireless Networks

Ibrahim Yildirim, Ali Uyrus외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 29인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 6G 무선 네트워크의 실내 및 실외 환경에서 sub-6 GHz에서 밀리미터파 대역까지의 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 모델링하고 분석하기 위한 통합 프레임워크를 제안한다. RIS가 지능적인 파장 조작을 가능하게 하여 스펙트럼 효율성과 오류 성능을 크게 향상시키며, 실용적인 위상 및 채널 추정 오차 조건 하에서도 다중 RIS 선택이 비선택 시스템 대비 최대 30% 높은 실현 가능한 전송률을 제공함을 입증한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-empowered communication is one of the promising 6G technologies that allows the conversion of the wireless channel into an intelligent transmit entity by manipulating the impinging waves using man-made surfaces. In this paper, the potential benefits of using RISs are investigated for indoor/outdoor setups and various frequency bands (from sub 6 GHz to millimeter-waves). First, a general system model with a single RIS is considered and the effect of the total number of reflecting elements on the probabilistic distribution of the received signal-to-noise ratio and error performance is investigated under Rician fading. Also for this case, the path loss exponent is analyzed by considering empirical path loss models. Furthermore, transmission models with multiple RISs are developed and analyzed for indoor and outdoor non line-of-sight (NLOS) scenarios. The conventional RIS selection strategies are also integrated for systems equipped with multiple RISs for the first time. Through extensive simulations, it is demonstrated that the RIS-assisted systems provide promising solutions for indoor/outdoor scenarios at various operating frequencies and exhibit significant results in error performance and achievable data rates even in the presence of system imperfections such as limited range phase adjustment and imperfect channel phase estimation at RISs.

연구 동기 및 목표

• 다양한 실내 및 실외 전파 환경에서 RIS 기반 무선 시스템의 성능 향상 여부를 조사하기 위해.
• Rician fading 조건 하에서 RIS 반사 요소 및 경로 손실 모델이 신호 대 잡음비(SNR)와 비트 오류율(BER)에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 비선형 시야(NLOS) 환경에서 실용적인 하드웨어 제약 조건을 고려한 다중 RIS 전송 모델을 개발하고 평가하기 위해.
• 다이나믹한 사용자 이동성 조건 하에서 성능을 최적화하기 위해 다중 RIS 시스템에서 새로운 RIS 선택 전략을 도입하고 평가하기 위해.
• 제한된 위상 해상도 및 불완전한 채널 위상 추정과 같은 비이상적 조건 하에서 시스템의 강인성을 평가하기 위해.

제안 방법

• Rician fading 및 경험적 경로 손실 모델 하에서 확률적 SNR 및 BER 분석을 수행한 일반적인 단일 RIS 시스템 모델을 개발하였다.
• 주어진 주파수 대역에서 좌표 기반 RIS 위치 설정 및 경로 손실 모델링을 활용하여 NLOS 시나리오에 적합한 다중 RIS 전송 모델을 수립하였다.
• 다중 RIS 쌍 간의 SNR 기반 링크 선택을 활용한 새로운 RIS 선택 전략을 제안하여 성능 최적화를 도모하였다.
• 제한된 위상 이동 범위(−150°에서 140°) 및 비이상적인 반사 계수(|Γ| = −1 dB)를 포함한 실용적인 하드웨어 제약 조건을 통합하였다.
• 실제 세계의 오차를 시뮬레이션하기 위해 농도 매개수 κ를 가진 평균이 0인 von Mises 분포를 사용하여 위상 추정 오차를 모델링하였다.
• 다양한 반사 요소 수(N) 및 추정 정확도(κ) 조건 하에서 이상적 대비 비이상적 RIS 성능을 비교하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행하였다.

Figure 1: An RIS-assisted SISO system consisting of a direct path and an RIS with $N$ reflecting elements.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 RIS의 반사 요소 수가 Rician fading 환경에서 SNR 분포와 오류 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 경험적 경로 손실 모델이 실내 및 실외 RIS 보조 시나리오에서 전체 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 단일 RIS 설정 대비 다중 RIS가 비선형 시야(NLOS) 환경에서 실현 가능한 데이터 전송률과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다중 RIS 쌍 간의 RIS 선택이 복잡도 및 위상 조정 비용을 줄이며 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 제한된 위상 해상도 및 불완전한 채널 위상 추정과 같은 하드웨어 결함에 의한 RIS 지원 통신의 민감도는 어떠한가?

주요 결과

• 단일 RIS의 반사 요소 수를 늘일수록 건설적 신호 합성을 가능하게 하여 SNR를 크게 향상시키고 BER를 감소시킨다.
• 비선택적 다중 RIS 시스템 대비 RIS 보조 시스템은 최대 30% 높은 실현 가능한 데이터 전송률을 달성하며, 특히 사용자가 최적의 RIS 위치 근처에 있을 경우 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 고정 경로 전송 방식보다 SNR 기반 RIS 선택 전략이 성능을 뛰어나게 하며, 사용자가 RIS 근처에 위치할 경우(예: 시뮬레이션에서 x = 5 m 및 25 m) 최고 성능가를 기록한다.
• 제한된 위상 범위(−150°에서 140°)를 가진 비이상적 RIS 하드웨어 조건 하에서도 오류 성능이 이상적 RIS와 유사하여 실용적 구현 제약 조건에 대한 강인함을 보여준다.
• 위상 추정 오차는 성능을 저하시키지만, 반사 요소 수(N)가 많아지고 추정 정확도(κ)가 높아질수록 이 영향이 완화된다.
• 경로 손실은 RIS 선택에서 지배적인 요소이며, 유사한 페이딩 조건 하에서 짧은 경로가 긴 경로보다 더 우수한 성능을 제공한다.

Figure 2: The achievable data rate comparison for direct and RIS-assisted transmission under (a) 3GPP UMi path loss model with $f_{c}=2.4$ GHz and (b) 5G UMi-Street Canyon path loss model with $f_{c}=28$ GHz.