[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces and Metamaterials: The Potential of Wave Propagation Control for 6G Wireless Communications

George C. Alexandropoulos, Geoffroy Lerosey외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 112

한 줄 요약

본 논문은 Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)와 metamaterials를 6G를 위한 전자기파 전파를 능동적으로 제어하는 수단으로 검토하고, 실내 실험, 하드웨어 아키텍처 및 열린 과제를 제시한다.

ABSTRACT

The future 6G of wireless communication networks will have to meet multiple requirements in increasingly demanding levels, either individually or in combinations in small groups. This trend has spurred recent research activities on transceiver hardware architectures and novel wireless connectivity concepts. Among the emerging wireless hardware architectures belong the Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs), which are artificial planar structures with integrated electronic circuits that can be programmed to manipulate an incoming ElectroMagnetic (EM) field in a wide variety of functionalities. Incorporating RISs in wireless networks has been recently advocated as a revolutionary means to transform any naturally passive wireless communication environment to an active one. This can be accomplished by deploying cost-effective and easy to coat RISs to the environment's objects (e.g., building facades and indoor walls/ceilings), thus, offering increased environmental intelligence for the scope of diverse wireless networking objectives. In this paper, we first provide a brief history on wave propagation control for optics and acoustics, and overview two representative indoor wireless trials at 2.47GHz for spatial EM modulation with a passive discrete RIS. The first trial dating back to 2014 showcases the feasibility of highly accurate spatiotemporal focusing and nulling, while the second very recent one demonstrates that passive RISs can enrich multipath scattering, thus, enabling throughput boosted communication links. Motivated by the late research excitement on the RIS potential for intelligent EM wave propagation modulation, we describe the status on RIS hardware architectures and present key open challenges and future research directions for RIS design and RIS-empowered 6G wireless communications.

연구 동기 및 목표

• 6G 네트워크에서 지능형 EM 파동 전파 제어의 필요성을 동기 부여한다.
• RISs와 metamaterials를 수동적 환경을 능동적 무선 매체로 전환하는 낮은 발자국의 솔루션으로 소개한다.
• 스페이시오-템포럴 포커싱(spatiotemporal focusing)과 다중 경로 강화(multipath enrichment)를 보여주는 실내 RIS 기반 실험을 제시한다.
• 설계 상의 트레이드오프와 도전을 개략하기 위해 RIS 하드웨어 아키텍처와 작동 모드를 조사를 한다.
• 6G에서 홀로그래픽 무선 통신을 가능하게 하는 열린 연구 방향을 식별한다.

제안 방법

• 광학과 음향학에서 파동 전파 제어의 역사적 맥락을 기술한다.
• 2.47 GHz에서 이진 위상 상태를 갖는 패시브 RIS를 이용한 두 개의 실내 RIS 실험을 상세히 설명한다.
• 하이브리드 공진기를 사용한 RIS 유닛 셀 설계와 이의 이진 pi/0 위상 변조를 설명한다.
• 최신 RIS 하드웨어 아키텍처를 검토하고 active vs passive, contiguous vs discrete RISs, 및 작동 모드를 분류한다.
• RIS-empowered 네트워크를 위한 전자기학 기반 모델링, 채널 추적 및 알고리즘 설계의 열린 과제를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RISs metamaterials가 6G에서 EM 파를 어떻게 조작하여 처리량, 커버리지, 위치 인식을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 RIS 구현의 실용적 아키텍처와 작동 모드(active, passive, contiguous, discrete)는 무엇인가?
• RQ3 RIS-enabled 시스템의 모델링, 채널 추정 및 알고리즘 설계의 주요 도전과제는 무엇인가?
• RQ4 복잡한 환경에서 RIS가 채널 랭크와 다중화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 홀로그래픽 무선 통신을 실현하기 위해 필요한 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• 패시브 RIS는 WiFi 주파수의 실내 실험에서 공간 포커싱 및 널링을 개선할 수 있다.
• 102-요소 RIS가 가구가 비치된 방에서 스테이블한 이진 위상 상태를 시연하여 스페이시오-템포럴 제어를 가능하게 했다.
• RIS 보조 실험은 LOS MIMO 링크에서 다중경로 산란의 풍부화를 보여주고 잠재적 처리량 이점을 시사한다.
• 공진실 같은 캐비티 환경에서 RIS 구성의 반복적 최적화가 MIMO 채널의 유효 랭크를 증가시킬 수 있다.
• 수동적 RIS 배치가 근접 무전력 동작을 가능하게 하고 EM 파의 에너지 효율적 환경 제어를 가능하게 한다.