[논문 리뷰] On Channel Reciprocity in Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Wireless Network

Wankai Tang, Xiangyu Chen외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 시간분할 duplexing(TDD) 무선 네트워크에서 채널 상호성(channel reciprocity)을 조사하며, 전자기 상호성 원리에 따라 표준 RIS 설계에서는 상호성이 유지됨을 입증한다. 6GHz 이하 대역 및 밀리미터파 대역에서의 실험적 검증을 통해 일반적인 RIS에서 상호성이 확인되었으며, 동시에 증폭, 전환 가능한 전송 상태, 각도에 의존하는 응답 제어를 통해 비상호성 채널을 구현하는 방법도 제안한다.

ABSTRACT

Channel reciprocity greatly facilitates downlink precoding in time-division duplexing (TDD) multiple-input multiple-output (MIMO) communications without the need for channel state information (CSI) feedback. Recently, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) emerge as a promising technology to enhance the performance of future wireless networks. However, since the artificial electromagnetic characteristics of RISs do not strictly follow the normal laws of nature, it brings up a question: does the channel reciprocity hold in RIS-assisted TDD wireless networks? After briefly reviewing the reciprocity theorem, in this article, we show that there still exists channel reciprocity for RIS-assisted wireless networks satisfying certain conditions. We also experimentally demonstrate the reciprocity at the sub-6 GHz and the millimeter-wave frequency bands by using two fabricated RISs. Furthermore, we introduce several RIS-assisted approaches to realizing nonreciprocal channels. Finally, potential opportunities brought by reciprocal/nonreciprocal RISs and future research directions are outlined.

연구 동기 및 목표

• 기존 TDD MIMO에서 기본적인 성질인 채널 상호성이 RIS를 활용한 TDD 무선 네트워크에서도 유지되는지 조사하기 위해.
• 6GHz 이하 및 밀리미터파 주파수 대역에서 RIS 기반 무선 시스템에서 상호성을 실험적으로 검증하기 위해.
• 고도화된 응용을 위해 상호성을 깨는 비상호성 RIS 설계 전략을 탐색하기 위해.
• 상호성 및 비상호성 RIS 기반 네트워크의 주요 미래 연구 방향을 식별하고 개요화하기 위해.

제안 방법

• RIS를 활용한 채널이 상호성 유지 조건를 도출하기 위해 전자기 상호성 정리 기반 이론적 분석을 수행하였다.
• 6GHz 이하 및 밀리미터파 대역에서 두 개의 제작된 RIS를 사용하여 업링크 및 다운링크 채널 응답을 측정함으로써 실험적 검증을 수행하였다.
• 신호 증폭, 전환 가능한 전송 상태, 각도에 의존하는 위상 조절기를 사용하여 비상호성 RIS를 설계하였다.
• 입사각 및 관측각에 민감한 특성을 반영하기 위해 상호성 RIS에 대한 각도 의존 모델을 개발하였다.
• 이론적 모델의 검증 및 실용적 성능 한계 평가를 위해 RIS의 프로토타이핑 및 측정을 수행하였다.
• 일반화된 스넬의 법칙 및 파동-물질 상호작용 원리를 활용하여 RIS 빔포밍 및 파면 조작을 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 활용한 TDD 무선 네트워크에서 채널 상호성이 어떤 조건에서 유지되는가?
• RQ2 6GHz 이하 및 밀리미터파 대역에서 RIS 기반 시스템에서 전자기 상호성이 실험적으로 검증될 수 있는가?
• RQ3 비상호성 행동을 가능하게 하는 설계 전략는 무엇이며, 이를 물리적으로 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ4 각도에 의존하는 응답 특성이 RIS 기반 시스템의 상호성 및 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 실제 구현을 위한 RIS 프로토타이핑 및 측정에서의 주요 과제와 기회는 무엇인가?

주요 결과

• RIS가 수동이며, 그 유닛 셀이 전자기 상호성 원칙을 따를 경우, RIS를 활용한 TDD 네트워크에서 채널 상호성이 유지된다.
• 두 개의 제작된 RIS를 사용한 실험 결과, 6GHz 이하 및 밀리미터파 대역에서 채널 상호성이 확인되었다.
• 신호 증폭, 전환 가능한 전송 상태, 각도에 의존하는 위상 제어를 통해 비상호성 RIS를 실현할 수 있다.
• 증폭 기능을 갖춘 RIS는 5.55GHz에서 최대 13dB의 이득을 달성할 수 있으나, 동시에 위상과 진폭을 제어하는 것은 여전히 도전 과제이다.
• 각도에 의존하는 RIS는 입사각과 관측각을 교환할 경우 상호성이 유지됨을 보여주며, 각도 응답에서 상호성이 확인되었다.
• RIS의 프로토타이핑 및 측정는 여전히 초보 단계에 있으며, 표준화된 테스트베드 및 성능 검증 프레임워크의 긴급한 필요성이 있다.