[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface for Near Field Communications: Beamforming and Sensing

Yuhua Jiang, Feifei Gao외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 입사 평면파를 원통형 또는 구형파로 변환하여 근거리 수신기—특히 균일선형어레이(ULAs) 또는 단일 안테나 사용자—에 에너지를 집중시키는 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 빔포밍 기법을 제안한다. 이는 에너지 누설을 감소시키고 채널 용량을 향상시킨다. 이 방법은 최대우도(ML) 및 초점 스캐닝(FS) 기법을 사용하여 유도된 위치 오차 한계(PEB)를 기반으로 수신기 위치를 감지하며, 기존 평면파 반사 방식보다 높은 용량을 달성한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) can improve the communications between a source and a destination. Recently, continuous aperture RIS is proved to have better communication performance than discrete aperture RIS and has received much attention. However, the conventional continuous aperture RIS is designed to convert the incoming planar waves into the outgoing planar waves, which is not the optimal reflecting scheme when the receiver is not a planar array and is located in the near field of the RIS. In this paper, we consider two types of receivers in the radiating near field of the RIS: (1) when the receiver is equipped with a uniform linear array (ULA), we design RIS coefficient to convert planar waves into cylindrical waves; (2) when the receiver is equipped with a single antenna, we design RIS coefficient to convert planar waves into spherical waves. We then propose the maximum likelihood (ML) method and the focal scanning (FS) method to sense the location of the receiver based on the analytic expression of the reflection coefficient, and derive the corresponding position error bound (PEB). Simulation results demonstrate that the proposed scheme can reduce energy leakage and thus enlarge the channel capacity compared to the conventional scheme. Moreover, the location of the receiver could be accurately sensed by the ML method with large computation complexity or be roughly sensed by the FS method with small computation complexity.

연구 동기 및 목표

• 수신기가 평면 어레이가 아닐 경우 RIS를 활용한 근거리 통신에서의 에너지 누설 문제를 해결하기 위해.
• RIS 반사 계수를 설계하여 입사 평면파를 ULA 수신기의 경우 원통형파로, 단일 안테나 사용자에 대해서는 구형파로 변환하기 위해.
• 초점점/선이 수신기 위치에 따라 달라지므로, RIS 빔포밍 설계 이전에 정확한 수신기 위치 감지를 가능하게 하기 위해.
• 근거리에서 평면파, 원통형파, 구형파 반사 방식 간의 채널 용량 향상 정도를 비교하기 위해.
• 최대우도(ML, 높은 정확도, 높은 복잡도) 및 초점 스캐닝(FS, 낮은 복잡도, 낮은 정확도) 방법을 사용하여 위치 감지 정확도와 계산 복잡도 간의 상충 관계 평가하기 위해.

제안 방법

• RIS 반사 계수를 설계하여 입사 평면파를 원통형파로 변환하고, 어레이의 초점선을 어레이에 일치시켜 ULA 수신기에 에너지를 집중시키기 위해.
• RIS 반사 계수를 설계하여 입사 평면파를 구형파로 변환하고, 수신기 위치에 초점점을 배치하여 단일 안테나 사용자에 에너지를 집중시키기 위해.
• 해석적 반사 계수 표현을 기반으로 최대우도(ML) 방법을 개발하여 높은 정확도의 수신기 위치 감지 달성하기 위해.
• 낮은 계산 복잡도를 갖는 초점 스캐닝(FS) 방법을 제안하여 후보 초점점에 대한 격자 탐색을 사용하기 위해.
• ML 및 FS 방법에 대한 위치 오차 한계(PEB)를 유도하여 위치 감지 정확도의 한계를 정량화하기 위해.
• 맥스웰 방정식에서 유도된 전자기 이론 기반 모델을 사용하여 전자기장 모델링을 수행하여 근거리 집중을 위한 정밀한 파면 형상 조절 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원통형파 반사 기반 RIS 빔포밍은 기존 평면파 반사 방식에 비해 근거리 ULA 수신기에서 에너지 집중과 채널 용량을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 RIS를 통한 구형파 반사는 근거리 단일 안테나 수신기에서 에너지 농축과 용량을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 RIS를 활용한 근거리 통신에서 수신기 위치 추정 오차는 가용 채널 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 정확도, 계산 복잡도, 및 결과 용량 성능 측면에서 ML 및 FS 방법 간의 수신기 위치 감지 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 원통형파 및 구형파는 채널 용량 측면에서 어느 거리에서 평면파로 변형되는가? 이는 근거리/원거리 경계 정의에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 원통형파 RIS 빔포밍 기법은 기존 평면파 반사 방식에 비해 ULA 수신기에서 에너지 누설을 크게 감소시키고 채널 용량을 향상시키며, 특히 300 m 이내에서 뚜렷한 성능 향상을 보인다.
• 단일 안테나 수신기의 경우 구형파 반사가 가장 높은 채널 용량을 달성하며, 원통형파에 비해 약 9 dB의 SNR 이득을 제공하고 평면파에 비해 약 18 dB의 이득을 기록한다.
• ML 방법은 더 높은 감지 정확도를 달성하여 더 높은 용량을 제공하지만, 상당히 높은 계산 복잡도를 수반한다.
• 수신기가 200 m를 초과할 경우 구형파는 평면파로 변형되며, 구형파와 평면파 간의 용량 우월성이 감소함을 시사하며, 이는 약 200 m 이내를 실용적인 근거리 범위로 간주할 수 있음을 의미한다.
• ML 및 FS 방법에 대해 유도된 위치 오차 한계(PEB)는 제안된 프레임워크 내에서 수신기 위치 추정 정확도의 기본 한계를 정량화한다.
• 레이일리 거리는 채널 용량 측면에서 근거리와 원거리의 경계로 신뢰할 수 없으며, 집중된 파의 성능 이점이 이 거리를 초월해도 지속되기 때문이다.