[논문 리뷰] Multi-RIS-aided Wireless Communications in Real-world: Prototyping and Field Trials

Rujing Xiong, Jianan Zhang외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1비트 RIS 유닛 셀을 위한 확장 가능한 샌드위치 아키텍처와 다중 RIS 배치를 위한 클라우드 기반 원격 제어 시스템을 제안한다. Wi-Fi 및 5G 네트워크에서의 현장 시험을 통해 이중 경로 RIS 중계를 사용할 경우 최대 20 dBm의 신호 이득과 평균 RSRP에서 14 dB 향상을 달성했으며, 다중 경로 체인의 후속 노드에서는 이득이 감소하는 것으로 나타났다.

ABSTRACT

The performance of multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs) receives limited attention in previous studies. This article fills this research gap by investigating the capabilities of multiple RISs in real-world networks. We propose a simplified yet highly scalable sandwich architecture for implementing one-bit unit cells, with the flexibility to accommodate multi-bit unit cells. To effectively control multiple RISs, we present a cost-effective remote-controlling scheme and develop a cloud-based RIS management system. Through a series of four field trials, we demonstrate the effectiveness of multi-hop routing schemes in establishing reliable links. Our experiments reveal significant improvements in signal strength and data transmission in multi-RIS-aided Wi-Fi and commercial 5G networks. Furthermore, we investigate the power scaling law of RIS-aided beamforming and provide insights into the roles of the later nodes in multi-hop relay chains.

연구 동기 및 목표

• 상용 네트워크에서 다중 RIS에 대한 실세계 평가 부족 문제를 해결한다.
• 다중 비트 및 1비트 유닛 셀에 적합한 저전력, 확장 가능한 RIS 아키텍처를 설계한다.
• 다중 RIS를 제어하기 위한 비용 효율적이고 클라우드 기반의 원격 제어 시스템을 개발한다.
• 실세계 환경에서 다중 경로 RIS 중계의 실현 가능성과 성능 향상을 입증한다.
• 다중 경로 RIS 체인의 전력 스케일링 행동과 성능 한계를 조사한다.

제안 방법

• 1비트 RIS 유닛 셀을 위한 단순화된 3층 샌드위치 아키텍처를 제안한다. 상부는 복사 패치, 중간은 기판, 하부는 제어 레이어로 구성된다.
• 핀 다이오드를 마이크로스트립 스텁에 연결하여 5.8 GHz 및 3.4 GHz에서 1비트 위상 제어가 가능한 가변 위상 시프트를 구현한다.
• Wi-Fi 기반 마이크로컨트롤러를 통합하여 로컬 네트워크 또는 인터넷을 통한 다중 RIS의 원격 네트워크 기반 제어를 가능하게 한다.
• 중앙 집중식 구성, 모니터링 및 확장성을 지원하기 위해 클라우드 기반 RIS 관리 시스템을 개발한다.
• 4개의 현장 시험을 수행한다: 실세계 5G 네트워크에서 두 번(주차장에서 이중 경로 RIS 포함), 다중 경로 테스트를 위한 애나코이크 챔버에서 두 번.
• 스마트폰과 전문 도구(예: Cellular-Pro, Pilot Pioneer)를 사용하여 실시간 RSRP, 데이터 전송 속도 및 신호 세기 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 가능하고 저비용인 RIS 아키텍처가 실세계 네트워크에서 다중 RIS 배치에 효과적으로 기여할 수 있는가?
• RQ2 실제 상황에서 다중 RIS를 제어하기 위해 원격 클라우드 기반 제어가 얼마나 효과적인가?
• RQ3 터널이나 주차장과 같은 도전적인 환경에서 다중 경로 RIS 중계가 신호 커버리지와 데이터 전송 속도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 다중 경로 중계 체인에서 RIS 보조 빔포밍의 전력 스케일링 행동은 어떠한가?
• RQ5 왜 다중 경로 체인에서 후행 RIS 노드는 초기 노드보다 전력 이득이 감소하는가?

주요 결과

• 120미터 길이의 지하 주차장에서 이중 경로 RIS를 구현한 결과 평균 RSRP가 -105.84 dBm에서 -91.87 dBm으로 향상되어 약 14 dB의 이득을 기록했다.
• 이중 경로 설정에서 다운링크 속도는 79.63 Mbps에서 110.58 Mbps로, 업링크 속도는 9.99 Mbps에서 17.54 Mbps로 향상되었다.
• 120미터 경로를 따라 단일 RIS는 평균 신호 세기를 -100 dBm에서 -80 dBm으로 향상시켜 20 dBm의 이득을 달성했다.
• RIS 프로토타입은 피크 시점에 단지 0.2 W의 전력 소비를 기록하여 10×16의 1비트 유닛 셀 어레이에 대해 매우 저전력임을 입증했다.
• 다중 경로 RIS 체인에서 후행 노드로 갈수록 전력 이득이 감소하는 경향을 보이며, 연속된 중계를 통한 신호 증폭의 실질적 한계를 시사한다.
• 연구 결과 RIS 빔포밍 이득과 유닛 셀 수의 직접 비례 관계가 확인되어 RIS 보조 시스템에서 전력 스케일링 법칙이 성립함을 뒷받침한다.