[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface: Power Consumption Modeling and Practical Measurement Validation

Jinghe Wang, Wankai Tang외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 현장 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 제어 보드, 드라이브 회로, 유닛 셀로 구성된 RIS 하드웨어를 분해함으로써 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)에 대한 실용적인 전력 소비 모델을 제안한다. 이는 PIN 다이오드, 바리카터 다이오드, RF 스위치 기반 RIS 유형 전반에 걸쳐 검증된 측정 결과를 바탕으로 한다. 주요 기여는 제어 유형과 코드화 방식에 따라 유닛 셀 전력 소비가 크게 달라짐을 보여주는 구성 요소 수준의 검증된 전력 모델을 제공함으로써, RIS 보조 시스템에서 정확한 에너지 효율 최적화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface (RIS) has received a lot of interest because of its capacity to reconfigure the wireless communication environment in a cost- and energy-efficient way. However, the realistic power consumption modeling and measurement validation of RIS has received far too little attention. Therefore, in this work, we model the power consumption of RIS and conduct measurement validations using various RISs to fill this vacancy. Firstly, we propose a practical power consumption model of RIS. The RIS hardware is divided into three basic parts: the FPGA control board, the drive circuits, and the RIS unit cells. The power consumption of the first two parts is modeled as $P_{ ext {static}}$ and that of the last part is modeled as $P_{ ext {units}}$. Expressions of $P_{ ext {static}}$ and $P_{ ext {units}}$ vary amongst different types of RISs. Secondly, we conduct measurements on various RISs to validate the proposed model. Five different RISs including the PIN diode, varactor diode, and RF switch types are measured, and measurement results validate the generality and applicability of the proposed power consumption model of RIS. Finally, we summarize the measurement results and discuss the approaches to achieve the low-power-consumption design of RIS-assisted wireless communication systems.

연구 동기 및 목표

• 실제 시스템에서 RIS 하드웨어의 현실적인 전력 소비 모델링과 측정 검증의 부족을 해결한다.
• FPGA 제어 보드, 드라이브 회로, 유닛 셀의 세 핵심 RIS 구성 요소의 전력 소비 기여도를 식별하고 정량화한다.
• 실증 측정을 통해 PIN 다이오드, 바리카터 다이오드, RF 스위치 기반 RIS 유형 전반에 걸쳐 제안된 모델을 검증한다.
• 측정된 전력 특성에 기반한 저전력 RIS 보조 무선 통신 시스템 설계 지침을 제공한다.
• 다양한 RIS 기술에서 정적 전력(P_static)과 동적 유닛 셀 전력(P_units)을 구분함으로써 정확한 에너지 효율 최적화를 가능하게 한다.

제안 방법

• RIS 전력 소모를 FPGA 제어 보드와 드라이브 회로에서 발생하는 정적 전력(P_static)과 RIS 유닛 셀에서 발생하는 동적 전력(P_units)의 합으로 모델링한다.
• P_static를 FPGA 보드의 경우 일정하고, 드라이브 회로의 경우 제어 신호 수와 자체 소비에 따라 변동하는 것으로 정의한다.
• P_units를 활성화된 유닛 셀 수, 제어 상태(ON/OFF), 그리고 재구성 가능한 요소 유형(PIN 다이오드, 바리카터 다이오드, RF 스위치)에 기반하여 모델링한다.
• P_units에 대한 명시적 공식 유도: PIN 다이오드의 경우 비트 해상도와 편광 모드에 따라 달라지며, 바리카처 다이오드의 경우 거의 무시할 수 없고, RF 스위치의 경우 유닛 셀 수에 비례하여 선형 증가한다.
• 다양한 구성에서 작동하는 다섯 개의 별도 RIS 프로토타입(PIN, 바리카처, RF 스위치 기반)에 대해 실증 측정을 수행하여 모델을 검증한다.
• 측정된 데이터를 활용해 이론적 모델을 校정하고 검증하며, RIS 유형 전반에 걸쳐 P_static와 P_units의 일반적인 값을 확립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성 가능한 요소 유형(PIN 다이오드, 바리카처 다이오드, RF 스위치)에 따라 RIS의 전력 소모는 어떻게 달라지는가?
• RQ2 RIS 유닛 셀 코드화(예: 비트 해상도, ON/OFF 상태)와 전력 소모 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 제어 보드와 드라이브 회로는 다양한 RIS 아키텍처에서 총 전력 예산에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 제안된 모델은 다양한 RIS 구현 사례에서 실제 전력 소모를 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 바리카처 다이오드 기반 RIS에서 지배적인 전력 소모 요인은 무엇이며, 제어 자유도(제어 그룹 수)가 이에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• FPGA 제어 보드의 전력 소모는 모든 RIS 구성에서 일정하며, P_static의 고정된 구성 요소를 차지한다.
• 드라이브 회로의 전력 소모는 제어 신호 수에 따라 크게 달라지며, 복잡한 위상 생성이 필요한 바리카처 다이오드 기반 RIS에서 가장 높다.
• PIN 다이오드 기반 RIS의 경우, P_units는 '1'(ON 상태)로 설정된 유닛 셀 수가 많을수록 증가하며, 비트 해상도와 편광 모드에 민감하다.
• 바리카처 다이오드 기반 RIS의 경우, P_units는 거의 0에 가깝지만, 제어 자유도를 10에서 1(예: 열 기반 제어에서 전체 기반 제어로)으로 줄일 경우 P_total_drive_circuits는 약 10배 감소시킬 수 있다.
• RF 스위치 기반 RIS는 유닛 셀 전력과 드라이브 회로 전력 모두가 낮아 전체 전력 소모가 가장 낮으며, 높은 에너지 효율성을 보인다.
• 측정 결과는 모든 RIS 유형에서 모델의 정확성을 확인하였으며, 빔포밍 설계에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 상충 관계를 정확히 반영하고 있음을 입증한다.