[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surfaces vs. Relaying: Differences, Similarities, and Performance Comparison

Marco Di Renzo, Konstantinos Ntontin외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 23.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 18인용 수 97

한 줄 요약

해당 논문은 재구성 가능한 표면(RISs)을 이상 반사체로 구성된 구성과 중계기를 비교하고, 확장 법칙을 분석하며, 특정 크기와 주파수 조건에서 RIS가 중계기의 성능에 부합하거나 이를 능가할 수 있음을 보이고, 남아 있는 연구 과제들을 강조한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have the potential of realizing the emerging concept of smart radio environments by leveraging the unique properties of meta-surfaces. In this article, we discuss the potential applications of RISs in wireless networks that operate at high-frequency bands, e.g., millimeter wave (30-100 GHz) and sub-millimeter wave (greater than 100 GHz) frequencies. When used in wireless networks, RISs may operate in a manner similar to relays. This paper elaborates on the key differences and similarities between RISs that are configured to operate as anomalous reflectors and relays. In particular, we illustrate numerical results that highlight the spectral efficiency gains of RISs when their size is sufficiently large as compared with the wavelength of the radio waves. In addition, we discuss key open issues that need to be addressed for unlocking the potential benefits of RISs.

연구 동기 및 목표

• RISs를 고주파 무선 네트워크를 위한 스마트한 라디오 환경으로 이끄는 방향성을 제시한다.
• RISs가 이상 반사체로 작동하는 경우와 전통적 중계기 사이의 차이점과 유사점을 설명한다.
• 스펙트럼 효율, 전력 예산 및 확장 법칙에 대해 질적 및 양적 비교를 제공한다.
• RIS의 실제 도입에서 잠재력을 열기 위한 주요 개방 연구 이슈를 식별한다.

제안 방법

• 하드웨어 복잡성 측면에서 중계기와 RISs를 비교하고 능동 구현과 거의 수동적 구현을 포함한 차이를 검토한다.
• 중계기와 RISs의 잡음, 자기 간섭 및 전력 예산에 대한 함의를 특징지운다.
• HD/FD 중계기, 또는 이상 반사체나 렌즈로서의 RIS 등 다른 이중화 및 작동 모드에서의 스펙트럼 효율을 분석한다.
• 요소 수 N에 따른 엔드투엔드 SNR의 스케일링 관계와 전기적으로 큰 RIS와 작은 RIS의 크기에 따른 스케일링을 도출한다.
• 28 GHz에서 RIS와 중계기를 비교하는 illustrative 숫자 결과를 제시하고 거리, 주파수, 크기 효과를 논의한다.
• 모형화, 검증, 제약된 설계, 정보 이론 등 실용적 고려사항 및 열린 연구 방향을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이상 반사체로 구성된 RISs와 기존 중계기의 근본적 차이점과 유사점은 무엇인가?
• RQ2 RISs는 요소 수의 증가에 따른 스펙트럼 효율, 전력 예산 및 확장에 대해 중계기와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 RIS가 중계기를 능가하는 지배적 영역은 어떤 크기, 거리, 주파수 조건이며, 실용적 한계는 무엇인가?
• RQ4 고주파 무선 네트워크에서 RIS의 잠재력을 열기 위해 해결해야 할 개방적 도전과제는 무엇인가?

주요 결과

• 중계기는 능동 전력 및 프런트 엔드 회로가 필요하는 반면, RISs는 저전력 스위치를 가진 거의 수동적 구성으로 복잡성과 비용을 줄일 수 있다.
• RISs는 이상 반사체로 구성될 때 반이중(하프듀플렉스) 제약이나 루프백 자기 간섭에 시달리지 않는 반면, FD 중계기는 그렇지 않다.
• 전기적으로 큰 RISs에서 RIS의 스펙트럼 효율 증가는 메타 원자 수 N에 대해 이차식으로 증가하며, 특정 조건에서 중계기에 비해 우수한 성능을 낼 수 있다.
• 전기적으로 큰 RIS는 이상 반사경과 비슷한 거리 스케일링을 모방할 수 있어, 짧은 거리에서 이상적인 FD 중계기와 유사한 엔드 투 엔드 성능을 제공한다.
• 전기적으로 작은 RIS는 확산체와 유사한 스케일링을 가지며, 거리와 주파수에 따라 중계기 성능을 능가하려면 더 큰 크기가 필요할 수 있다