[논문 리뷰] On the Enabling of Multi-receiver Communications with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Hamidreza Taghvaee, Akshay Jain외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 52인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 다중 수신기 mmWave 통신을 위한 단일 위상 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 기술을 제안하며, 진폭 조정 없이 독립적인 빔 제어를 가능하게 한다. 실내 사무실 환경에서는 최대 2 Gbps의 Throughput를 달성하고, 도시 마이크로셀에서는 8명의 사용자 기준 0.5 Gbps 이상의 속도를 제공하며, 진폭-위상 기반 방법보다 0.8 Gbps 높은 성능을 보이며 하드웨어 복잡도와 손실을 감소시킨다.

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface is a promising technology for the manipulation and control of wireless electromagnetic signals. In particular, it has the potential to provide significant performance improvements for wireless networks. However, to do so, a proper reconfiguration of the reflection coefficients of unit cells is required, which often leads to complex and expensive devices. To amortize the cost, one may share the system resources among multiple transmitters and receivers. In this paper, we propose an efficient reconfiguration technique providing control over multiple beams independently. Compared to time-consuming optimization techniques, the proposed strategy utilizes an analytical method to configure the surface for multi-beam radiation. This method is easy to implement, effective and efficient since it only requires phase reconfiguration. We analyze the performance for indoor and outdoor scenarios, given the broadcast mode of operation. The aforesaid scenarios encompass some of the most challenging scenarios that wireless networks encounter. We show that our proposed technique provisions sufficient improvements in the observed channel capacity when the receivers are close to the surface in the indoor office environment scenario. Further, we report a considerable increase in the system throughput given the outdoor environment.

연구 동기 및 목표

• 다중 빔 응용을 위한 진폭 및 위상 제어가 필요한 RIS 시스템의 높은 비용과 복잡도를 해결하기 위해.
• RIS 유닛 셀의 위상 재구성만을 사용하여 mmWave 대역에서 효율적이고 저복잡도의 다중 수신기 통신을 가능하게 하기 위해.
• 어려운 실내 및 도시 환경의 라인오브사이트(LoS) 및 비라인오브사이트(NLoS) 환경에서 시스템 Throughput와 채널 용량을 향상시키기 위해.
• 단일 위상 RIS 재구성이 진폭-위상 제어에 비해 유사하거나 더 뛰어난 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 방송/멀티캐스트 전송 모드 하에서 실제 실내 사무실 및 도시 마이크로셀(UMi) 환경에서 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 복잡한 진폭 조정을 피하기 위해 RIS를 통해 다중 독립 빔을 제어할 수 있는 분석적 단일 위상 빔포밍 방법을 제안한다.
• 푸리에 변환 원리를 기반으로 한 수학적 공식을 활용하여 원하는 다중 빔 복사 패턴을 생성하는 위상 프로파일을 유도한다.
• 고정된 기지국과 이동 수신기를 갖춘 실내(28 GHz, 30 dBi 이득) 및 실외(3.55 GHz, 17 dBi 이득) 환경에 이 방법을 적용한다.
• 실제 경로 손실 지수(예: LoS는 1.7, NLoS는 3.8)를 사용하여 RIS에서의 사용자 거리 변화에 따라 신호 대 잡음비(SNR)와 Throughput를 계산한다.
• 총 및 사용자당 Throughput 측면에서 진폭-위상 RIS 및 직접 전송(MCBS/SCBS)과의 성능을 비교한다.
• 실내 및 실외 환경에서 RIS에서 3–7 m 거리에 위치한 8명의 사용자에 대해 시뮬레이션을 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 위상 RIS 재구성이 진폭 조정 없이 다수의 수신기에서 효과적인 다중 빔 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 진폭-위상 RIS 대비 단일 위상 RIS 빔포밍의 시스템 Throughput 및 사용자당 데이터 전송 속도 측면에서의 성능 비교는 어떻게 되는가?
• RQ3 방송/멀티캐스트 운영 조건 하에서 실내 사무실 및 도시 마이크로셀(UMi) 환경에서 RIS의 성능 향상은 어떠한가?
• RQ4 사용자 거리가 RIS에서 멀어질수록 실내 및 실외 환경에서 SNR 및 Throughput에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 mmWave 통신에서 RIS는 비라인오브사이트(NLoS) 차단 및 경로 손실을 어느 정도 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 단일 위상 RIS 구성은 8명의 사용자가 있는 실내 사무실 환경에서 최대 2 Gbps의 총 Throughput를 달성하며, 약 0.33 Gbps의 사용자당 속도를 제공한다.
• 8명의 사용자 기준으로 단일 위상 방법은 진폭-위상 방법보다 총 Throughput에서 0.8 Gbps 높은 성능을 보이며, 뚜렷한 성능 향상을 입증한다.
• UMi 환경에서는 RIS 기반 시스템이 사용자당 0.5 Gbps 이상의 속도를 제공하는 반면, 직접 MCBS 전송은 NLoS 차단으로 인해 거의 영향을 받지 못하는 Throughput를 기록한다.
• 사용자가 RIS에서 1–2 미터 이내에 있을 경우 최소 0.5 Gbps의 데이터 전송 속도를 경험하며, 실내 환경에서는 최대 약 2.2 Gbps의 피크 성능을 기록한다.
• UMi 환경에서 7명의 사용자 기준으로 RIS 기반 통신은 직접 MCBS 통신 대비 채널 용량을 한 계단 이상 높게 달성한다.
• RIS에서의 거리가 증가할수록 SNR가著명하게 악화되며, 이는 RIS가 근거리, 밀접한 거리의 사용자 배치에 가장 효과적임을 확인한다.