[논문 리뷰] Present and Future of Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Communications

Ertuğrul Başar, H. Vincent Poor|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 6G 무선 네트워크를 위한 고도로 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 아키텍처를 제안하며, 수동, 수동, 투과, 반사, 흡수 모드를 하나의 하이브리드 시스템에 통합합니다. 수동 RIS의 이중 경로 손실 문제를 극복할 수 있도록 활성 RIS가 신호를 증폭함으로써 수신된 신호 대 잡음비(SNR)가 $ N \frac{P_T P_A}{P_A \sigma_v^2 d_{SR}^2 + \sigma^2 d_{RD}^2 + \sigma^2 \sigma_v^2 d_{SR}^2 d_{RD}^2 / N} $ 비례하게 되어 장거리 및 실외 환경에서 성능 향상을 크게 이룹니다.

ABSTRACT

Signal processing and communication communities have witnessed the rise of many exciting communication technologies in recent years. Notable examples include alternative waveforms, massive multiple-input multiple-output (MIMO) signaling, non-orthogonal multiple access (NOMA), joint communications and sensing, sparse vector coding, index modulation, and so on. It is inevitable that 6G wireless networks will require a rethinking of wireless communication systems and technologies, particularly at the physical layer (PHY), considering the fact that the cellular industry reached another important milestone with the development of 5G wireless networks with diverse applications. Within this perspective, this article aims to shed light on the rising concept of reconfigurable intelligent surface (RIS)-empowered communications towards 6G wireless networks. Software-defined RISs can manipulate their impinging signals in an effective way to boost certain key performance indicators. We discuss the recent developments in the field and put forward promising candidates for future research and development. Specifically, we put our emphasis on active, transmitter-type, transmissive-reflective, and standalone RISs, by discussing their advantages and disadvantages compared to reflective RIS designs. Finally, we also envision an ultimate RIS architecture, which is able to adjust its operation modes dynamically, and introduce the new concept of PHY slicing over RISs towards 6G wireless networks.

연구 동기 및 목표

• 수동 RIS 기반 통신에서 기초적인 경로 손실 제한 문제, 특히 장거리에서 성능을 떨어뜨리는 $ d_{SR}^2 d_{RD}^2 $ 이중 경로 손실 문제를 해결하기 위해.
• 활성, 송신기 유형, 투과-반사형, 독립형 RIS 등 고급 RIS 아키텍처를 탐색하고 비교하여 각각의 장점과 한계를 규명하기 위해.
• 수동 및 활성 요소를 결합한 최종 RIS 아키텍처를 제안하여 다중 운영 모드(반사, 투과, 흡수)를 지원하고 다양한 응용 분야에 대한 실시간 재구성 기능을 제공하기 위해.
• RIS 상에서 물리계층(PHY) 슬라이싱의 새로운 개념을 도입하여, 동적 하위표면 분할을 통해 동시에 여러 서비스(예: 데이터, 보안, 충전)를 지원할 수 있도록 하기 위해.
• 특히 리피터 및 소형 기지국과의 비교에서 RIS의 도입, 제어, 비용 효율성, 전자기 노출 문제에 대한 향후 연구를 자극하기 위해.

제안 방법

• 수동 RIS의 경우, 프로그래밍 가능한 산란체로 RIS 요소를 모델링하며, 조절 가능한 위상 $ \phi_n \in [0, 2\pi) $ 와 진폭 $ p_n \in [0,1] $ 를 가짐. 입력-출력 관계는 $ y_n = p_n e^{j\phi_n} x_n $ 로 표현됨.
• 활성 RIS로 모델을 확장하기 위해 증폭($ p_n > 1 $)과 잡음 증폭($ v_n \sim \mathcal{CN}(0, \sigma_v^2) $)을 도입하여 식 (2)에 제시된 SNR 표현식을 도출함.
• 수동, 활성, 투과, 반사, 흡수 등 여러 하위표면을 포함하는 하이브리드 RIS 아키텍처를 제안하여 동적 모드 전환을 가능하게 함.
• 실시간 채널 측정을 위해 희소 센서를 통합하고, 감지 데이터 전송을 위한 실시간 모odulation을 가능하게 함.
• PHY 슬라이싱을 새로운 패러다임으로 도입하여 RIS를 논리적으로 하위표면으로 분할함으로써, 동시에 데이터 전송, 무선 충전, 물리계층 보안 등의 응용을 지원함.
• SNR 비교를 통한 RIS 설계의 상충관계 분석을 통해 활성 RIS가 $ d_{SR}^2 d_{RD}^2 $ 경로 손실에 의한 손실을 완화하고 장거리 환경에서 성능 향상을 이룸.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성 RIS는 수동 RIS에 내재된 이중 경로 손실 문제를 해결할 수 있으며, 수신된 SNR는 얼마나 향상되는가?
• RQ2 활성, 송신기 유형, 투과-반사형, 독립형 RIS 등 다양한 RIS 아키텍처의 성능, 비용, 도입 유연성 측면에서의 비교 결과는 어떠한가?
• RQ3 다양한 운영 모드(반사, 투과, 흡수)를 지원하고 실시간 재구성 기능을 제공할 수 있는 최적의 하이브리드 RIS 아키텍처의 구성은 무엇인가?
• RQ4 RIS 상에서 PHY 슬라이싱을 통해 하나의 물리적 표면에서 동시에 다양한 응용(예: 데이터, 보안, 에너지 전송)을 지원할 수 있는가?
• RQ5 특히 리피터 및 소형 기지국과의 비교에서 RIS 도입 시 고려해야 할 주요 과제는 무엇인가? (전력 소모, 전자기 노출, 비용, 네트워크 제어 등)

주요 결과

• 활성 RIS는 신호 증폭을 통해 수신된 SNR를 수동 RIS보다 크게 향상시키며, SNR는 $ \gamma_a \propto N \frac{P_T P_A}{P_A \sigma_v^2 d_{SR}^2 + \sigma^2 d_{RD}^2 + \sigma^2 \sigma_v^2 d_{SR}^2 d_{RD}^2 / N} $ 비례하게 되어 이중 경로 손실을 효과적으로 완화함.
• 수동 RIS는 최대 SNR가 $ N^2 / (d_{SR}^2 d_{RD}^2) $ 비례하게 되며, 이는 거리가 증가함에 따라 급격히 악화되어 장거리 또는 비선시각(LOS) 환경에서는 성능이 떨어짐.
• 송신기 유형 RIS는 RF 체인의 필요성을 제거하여 IoT 응용 분야에 저비용, 단순한 솔루션을 제공함.
• 투과-반사형 RIS는 실외 소스에서 실내 사용자에게 커버리지 범위를 확장하여, 비선시각 및 혼합 전파 환경에서 성능 향상을 이룸.
• 제안된 최종 RIS 아키텍처는 활성-반사, 활성-투과, 수동-반사, 수동-투과, 흡수의 다섯 가지 운영 모드를 지원하여 간섭 제어 및 보안 향상을 가능하게 함.
• PHY 슬라이싱은 RIS 하위어플리케이션을 동적으로 실시간으로 할당하여, 하나의 RIS 표면에서 동시에 데이터 전송, 무선 충전, 물리계층 보안을 지원함.