[논문 리뷰] RIS-Aided Wireless Communications: Prototyping, Adaptive Beamforming, and Indoor/Outdoor Field Trials

Xilong Pei, Haifan Yin외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 28.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 32

한 줄 요약

본 논문은 5.8 GHz에서 작동하는 1100요소 RIS 프로토타입, 피드백 기반의 적응 빔형성 알고리즘, 그리고 실내/실외 현장 시험을 제시하며 엔드 투 엔드 전력 이득이 크고 약 1 W의 RIS 전력 소비로 500 m에서 32 Mbps의 링크를 보여준다.

ABSTRACT

The prospects of using a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) to aid wireless communication systems have recently received much attention from academia and industry. Most papers make theoretical studies based on elementary models, while the prototyping of RIS-aided wireless communication and real-world field trials are scarce. In this paper, we describe a new RIS prototype consisting of 1100 controllable elements working at 5.8 GHz band. We propose an efficient algorithm for configuring the RIS over the air by exploiting the geometrical array properties and a practical receiver-RIS feedback link. In our indoor test, where the transmitter and receiver are separated by a 30 cm thick concrete wall, our RIS prototype provides a 26 dB power gain compared to the baseline case where the RIS is replaced by a copper plate. A 27 dB power gain was observed in the short-distance outdoor measurement. We also carried out long-distance measurements and successfully transmitted a 32 Mbps data stream over 500 m. A 1080p video was live-streamed and it only played smoothly when the RIS was utilized. The power consumption of the RIS is around 1 W. Our paper is vivid proof that the RIS is a very promising technology for future wireless communications.

연구 동기 및 목표

• 실내외 환경에서 보조 무선 통신을 위한 실용적인 RIS 프로토타입을 시연한다.
• 현실적인 입사 각도에서 업링크/다운링크 채널 상호대칭성 및 반사 위상 응답을 검증한다.
• 기존 표준과의 통합에 적합한 피드백 기반 저복잡도 RIS 빔형성 알고리즘을 개발하고 테스트한다.
• 실내 비가시선(indoor non-LoS) 및 장거리 실외 시험을 통해 실세계 성능 향상을 시연한다.
• RIS-활용 네트워크를 위한 실용적 전력 소비 및 시스템 통합 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 5.8 GHz에서 가변캐패시터 기반 셀을 사용하여 1비트 위상 상태를 갖는 1100요소 RIS 시트(55x20 격자)를 설계하고 제작한다.
• 두 개의 가변캐패시터 구성과 각 가변캐패시터에 대한 간소화된 등가 RLC 회로를 사용하여 소자 동작을 모델링하고 측정한다.
• 220개 서로 다른 바이어스 신호를 구동하기 위해 FPGA 기반 마스터 컨트롤러와 28개의 시프트 레지스터 바이어싱으로 구성된 2단계 RIS 제어 아키텍처를 개발한다.
• 1비트 양자화 하에서 최적 위상 프로파일을 근사하기 위해 2D-DFT 구조 F(M)⊗F(N)을 활용한 코드북 기반 빔형성 접근법을 제시한다.
• RIS-UE 피드백을 사용해 행/열 위상 상태를 반복적으로 토글하여 수신 전력을 최대화하고 O(M+N) 반복으로 수렴하는 탐욕적 빠른 빔형성 알고리즘(Algorithm 1)을 제안한다.
• USRPs를 이용한 IEEE 802.11ac 기반 물리계층 시스템에 RIS 피드백 링크를 포함하고 간단한 비디오 페이로드와 함께 실시간으로 반사 계수(reflection coefficients)를 조정한다.
• RIS 작동 시 수신 전력 이득, 데이터 전송 속도(최대 32 Mbps), 그리고 비디오 스트리밍 성능(1080p)을 실내/실외 현장 시험으로 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내 비가시선 상황에서 RIS가 구리판(reference plate) 대비 엔드투엔드 전력 이득을 어느 정도 제공할 수 있는가?
• RQ2 실용적인 1비트 위상 시프 제약하에서 저복잡도 피드백 기반 RIS 빔형성 알고리즘이 엔드투엔드 링크 품질을 얼마나 효과적으로 개선할 수 있는가?
• RQ3 RIS 활성 반사가 야외 환경에서 상당한 데이터 속도로 장거리 무선 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ4 현실 세계 프로토타입에서 RIS 작동의 실용적 전력 및 하드웨어 요구사항은 무엇인가(예: 1 W 소비)?

주요 결과

• 실내 비가시선 RIS 시험에서 구리판 기준 대비 26 dB 전력 이득을 달성했다.
• 실외 단거리 시험에서 최대 27 dB 전력 이득을 얻었다.
• 장거리 실외 테스트에서 500 m에 걸쳐 32 Mbps 데이터 속도를 제공했다.
• RIS 지원이 없으면 불가능했던 1080p 라이브 스트리밍이 RIS 보조로만 성공적으로 수행되었으며 실용적인 QoS 이득을 시연한다.
• RIS 프로토타입은 1100요소로 구성되었고 약 1 W의 전력 소비와 1비트 위상 제어를 갖는다.
• UE 피드백을 갖춘 탐욕적 빠른 빔형성 알고리즘은 O(M+N) 반복으로 수렴하고 SNR을 향상시킨다.