[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces in 6G: Reflective, Transmissive, or Both?

Shuhao Zeng, Hongliang Zhang외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크에서 반사형, 투과형, 하이브리드 재구성가능한 지능형 표면(RIS) 간의 성능 트레이드오프를 조사하며, 다양한 사용자 분포 조건 하에서 최적의 RIS 유형을 결정하기 위해 총 데이터율 상한을 유도한다. 연구 결과, RIS 요소 수가 한계를 초과할 경우 하이브리드 RIS가 반사형 및 투과형 RIS를 능가하는 것으로 나타났으며, 기지국과 사용자가 모두 RIS에서 멀리 떨어져 있을 경우 반사형 또는 투과형 RIS가 더 낫다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have attracted wide interest from industry and academia since they can shape the wireless environment into a desirable form with a low cost. In practice, RISs have three types of implementations: 1) reflective, where signals can be reflected to the users on the same side of the base station (BS), 2) transmissive, where signals can penetrate the RIS to serve the users on the opposite side of the BS, and 3) hybrid, where the RISs have a dual function of reflection and transmission. However, existing works focus on the reflective type RISs, and the other two types of RISs are not well investigated. In this letter, a downlink multi-user RIS-assisted communication network is considered, where the RIS can be one of these types. We derive the system sum-rate, and discuss which type can yield the best performance under a specific user distribution. Numerical results verify our analysis.

연구 동기 및 목표

• 다운링크 다중 사용자 RIS 지원 네트워크에서 반사형, 투과형, 하이브리드 RIS 유형 간의 성능 차이를 분석하기 위해.
• 다양한 사용자 분포 조건 하에서 RIS 성능을 평가하기 위해 시스템 총 데이터율 상한을 도출하기 위해.
• 사용자 위치와 RIS 크기에 기반하여 최적의 RIS 유형(반사형, 투과형, 하이브리드)을 결정하기 위해.
• 각 RIS 유형이 우수한 성능을 발휘하는 조건을 규명함으로써 6G 네트워크에 RIS를 구현하는 데 필요한 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 기지국과 다수의 단일 안테나 사용자로 구성된 다운링크 다중 사용자 RIS 지원 네트워크에 대해 시스템 총 데이터율 상한을 유도한다.
• 세 가지 RIS 유형을 모델링한다: 반사형(Γᵗ=0, Γʳ=1), 투과형(Γᵗ=1, Γʳ=0), 하이브리드(Γᵗ²=Γʳ²=0.5)로 에너지 균형 분할을 적용한다.
• 카르테시안 좌표계를 사용하여 반사 영역과 투과 영역을 정의하고, 사용자를 이러한 영역에 분포시킨다.
• RIS 크기(M×N)와 투과 영역에 있는 사용자 수(Sₜ)에 따라 총 데이터율의 행동을 분석한다.
• 이상적 분석과 SNR 근사치를 적용하여 하이브리드 RIS 총 데이터율의 도함수를 평가하고 반사형 및 투과형 유형과 비교한다.
• 다양한 거리와 RIS 구성 조건 하에서 이론적 결과를 수치 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 조건에서 하이브리드 RIS가 반사형 또는 투과형 RIS보다 총 데이터율 측면에서 열등하지 않게 되는가?
• RQ2 RIS 요소 수가 하이브리드 RIS가 반사형 및 투과형 유형보다 성능 우위를 점유하는 데 영향을 미치는 방식은 무엇인가?
• RQ3 사용자 분포(즉, 투과 영역 대비 반사 영역에 있는 사용자 수)가 최적의 RIS 유형 선택에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 기지국, 사용자, RIS 간의 거리가 세 가지 RIS 유형 간 성능 순위에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 RIS 요소 수가 특정 한계를 초과하면, 사용자 분포와 관계없이 하이브리드 RIS가 항상 다른 유형을 능가하는가?

주요 결과

• 기지국과 사용자가 모두 RIS에서 멀리 떨어져 있을 경우, 사용자 분포와 관계없이 하이브리드 RIS는 항상 반사형 또는 투과형 RIS보다 열등하다.
• RIS 요소 수가 유도된 한계를 초과할 경우, 어떤 사용자 분포 조건에서도 하이브리드 RIS가 반사형 및 투과형 RIS를 능가한다.
• 반사형 RIS의 총 데이터율은 투과 영역에 있는 사용자 수(Sₜ) 증가에 따라 감소하는 반면, 투과형 RIS의 총 데이터율은 Sₜ 증가에 따라 증가한다.
• RIS 크기가 커질수록 하이브리드 RIS와 다른 유형 간의 성능 격차가 더욱 커지며, 특히 기지국과 사용자가 RIS에 가까울 경우 두드러진다.
• 수치 결과는 총 데이터율 상한이 실제 시스템 용량을 잘 따라가며, RIS 유형 선택의 성능 지표로 사용될 수 있음을 확인한다.
• 하이브리드 RIS 총 데이터율의 Sₜ에 대한 도함수는 약 0에 가까워지며, 이는 다양한 사용자 수 조건 하에서도 안정적이고 최적의 성능 영역을 나타낸다.