[논문 리뷰] Multi-path fading and interference mitigation with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jean-Baptiste Gros, Geoffroy Lerosey외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 파면 형상 조절을 통해 채널 경직화를 가능하게 함으로써, 다중 경로 fading과 동일 대역 간 간섭을 극복할 수 있음을 보여준다. 소프트웨어 정의 신호 장치를 사용한 과도한 모드를 가진 금속 캐비티에서 RIS 최적화는 강한 간섭 조건에서도 오차 벡터 크기를 8%로 감소시켜, 경쟁적인 전자기 환경에서의 강인성을 입증한다.

ABSTRACT

We exploit multi-path fading propagation to improve both the signal-to-interference-plus-noise-ratio and the stability of wireless communications within electromagnetic environments that support rich multipath propagation. Quasi-passive propagation control with multiple binary reconfigurable intelligent surfaces is adopted to control the stationary waves supported by a metallic cavity hosting a software-defined radio link. Results are demonstrated in terms of the error vector magnitude minimization of a quadrature phase-shift modulation scheme under no-line-of-sight conditions. It is found that the magnitude of fluctuation of received symbols is reduced to a stable constellation by increasing the number of individual surfaces, or elements, thus demonstrating channel hardening. By using a second software-defined radio device as a jammer, we demonstrate the ability of the RIS to mitigate the co-channel interference by channel hardening. Results are of particular interest in smart radio environments for mobile network architectures beyond 5G.

연구 동기 및 목표

• 풍부한 다중 경로 환경에서 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 사용하여 다중 경로 페이딩과 동일 대역 간 간섭을 완화할 수 있는지의 가능성을 조사하는 것.
• 풍부한 다중 경로 전파 환경에서 에너지 집중을 넘어서 RIS를 통해 채널 경직화를 달성할 수 있음을 입증하는 것.
• 통제된 과도한 모드 금속 캐비티에서 실시간 소프트웨어 정의 신호 장치(SDR) 실험을 통해 RIS 기반 간섭 완화를 검증하는 것.
• 5G 이후 모바일 네트워크 아키텍처에서 이론적 RIS 모델과 실용적 구현 간 격차를 메우는 것.
• RIS 최적화가 동적 간섭 조건 하에서도 QPSK 수신기 상징도를 안정화시켜 강건한 무선 통신을 가능하게 하는지 보여주는 것.

제안 방법

• 풍부한 다중 경로 실내 전파 환경을 모의하기 위해, 두 면에 장착된 바이너리 RIS 요소를 갖춘 금속 캐비티를 사용한다.
• 앨리스와 보브 사이에 라인오브사이트(LOS) 및 비라인오브사이트(NLOS) 링크를 구축하기 위해 두 대의 USRP 장치를 사용한 소프트웨어 정의 신호 장치(SDR) 설정을 사용한다.
• 두 번째 SDR 장치(Eve)는 제어 가능한 잡음원으로서, 다양한 전력 수준에서 동일 대역 간섭을 주입한다.
• 내부 개발된 순차 최적화 알고리즘이 실시간으로 RIS 요소를 제어하여 오차 벡터 크기(EVM)를 최소화한다.
• 채널 품질과 간섭 조건 변화에 따른 경직화 성능 평가를 위해 EVM과 수신기 상징도를 모니터링한다.
• 각 간섭 전력 증가 후에 RIS 구성 요소를 반복적으로 최적화하여 간섭 대 신호 비율(Int) 증가에도 불구하고 낮은 EVM을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS는 단순한 에너지 집중을 넘어서 풍부한 다중 경로 환경에서 채널 경직화를 달성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 비라인오브사이트(NLOS) 무선 링크에서 RIS는 의도적인 동일 대역 간섭을 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ3 증가하는 간섭 전력 조건 하에서 RIS 최적화는 QPSK 수신기 상징도의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간섭 전력이 목적 신호 전력과 동일하거나 이를 초월하는 경우에도 RIS 기반 파면 형상 조절이 낮은 EVM을 유지할 수 있는가?
• RQ5 다수의 바이너리 RIS 요소 사용이 신호 안정성 향상과 간섭 억제에 실질적인 개선을 가져오는가?

주요 결과

• RIS 최적화로 평균 오차 벡터 크기(EVM)는 간섭 전력이 목적 신호 전력과 동일한 경우(Int = 0 dB)에도 불구하고 8%로 감소한다.
• 최적화 후 수신기 상징도의 질량중심은 이상적인 QPSK 기저 기저에 가까워지며, 최소한의 기저 기저 산란이 관찰되어 효과적인 채널 경직화가 이루어졌음을 시사한다.
• 모든 간섭 수준에서 EVM이 안정적으로 8%로 유지되며, Int = 0 dB 조건에서도 강력한 간섭에 대한 강인성을 입증한다.
• 간섭 증가 직후의 빨간색 수신기 상징도는 높은 EVM(최대 90%)를 보이지만, 다크 그린 최적화 수신기 상징도는 이상적인 성능으로 복구된다.
• 채널 경직화는 에너지 집중이 아닌 RIS 제어를 통해 달성되었으며, 동적 간섭 조건 하에서도 안정적인 수신기 상징도가 유지됨으로써 이를 입증한다.
• 결과는 RIS 요소 수를 늘일수록 채널 안정성이 향상되고, 경쟁적인 전자기 환경에서 효과적인 간섭 억제가 가능하다는 것을 확인한다.