[논문 리뷰] Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces: How it Works, State of Research, and Road Ahead

Marco Di Renzo, Alessio Zappone외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 307인용 수 3,052

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 스마트 라디오 환경(SRE)의 전환적 기술로 도입하여, 전자기파를 프로그래밍 방식으로 제어함으로써 무선 전파 환경을 동적으로 제어할 수 있음을 제시한다. 통신 이론과 전자기학을 융합하고, 물리 기반의 RIS 모델링을 제안하며, 6G 네트워크의 핵심 연구 과제를 규명한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are an emerging transmission technology for application to wireless communications. RISs can be realized in different ways, which include (i) large arrays of inexpensive antennas that are usually spaced half of the wavelength apart; and (ii) metamaterial-based planar or conformal large surfaces whose scattering elements have sizes and inter-distances much smaller than the wavelength. Compared with other transmission technologies, e.g., phased arrays, multi-antenna transmitters, and relays, RISs require the largest number of scattering elements, but each of them needs to be backed by the fewest and least costly components. Also, no power amplifiers are usually needed. For these reasons, RISs constitute a promising software-defined architecture that can be realized at reduced cost, size, weight, and power (C-SWaP design), and are regarded as an enabling technology for realizing the emerging concept of smart radio environments (SREs). In this paper, we (i) introduce the emerging research field of RIS-empowered SREs; (ii) overview the most suitable applications of RISs in wireless networks; (iii) present an electromagnetic-based communication-theoretic framework for analyzing and optimizing metamaterial-based RISs; (iv) provide a comprehensive overview of the current state of research; and (v) discuss the most important research issues to tackle. Owing to the interdisciplinary essence of RIS-empowered SREs, finally, we put forth the need of reconciling and reuniting C. E. Shannon’s mathematical theory of communication with G. Green’s and J. C. Maxwell’s mathematical theories of electromagnetism for appropriately modeling, analyzing, optimizing, and deploying future wireless networks empowered by RISs.

연구 동기 및 목표

• 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 스마트 라디오 환경(SRE)의 기초 원리를 수립하여 기존 무선 네트워크에서의 패러다임 전환을 이루는 것.
• C.E. 샤논의 통신 이론 수학적 기반과 G. 그린 및 J.C. 맥스웰의 전자기학 이론 수학적 기반 간 격차를 메우는 것.
• 무선 시스템 내에서의 파장 조작 능력을 정확하게 기술할 수 있는 물리 기반의 메타표면 및 RIS 모델을 제공하는 것.
• RIS 기반 SRE에 관한 현재 연구 동태를 조사하고 향후 발전을 위한 핵심 열린 과제를 규명하는 것.
• 분석적 및 계산 모델링 기법을 통해 RIS를 무선 네트워크에 통합하기 위한 실용적 지침을 제공하는 것.

제안 방법

• 무선 채널 내 RIS 행동을 모델링하기 위해 통신 이론 모델과 전자기파 이론을 통합한 통합 프레임워크를 제안한다.
• 외부 제어 신호를 통해 전파의 반사 또는 투과를 재구성할 수 있는 얇고 프로그래밍 가능한 표면으로서 RIS의 개념을 도입한다.
• 메타표면 이론에서 유도된 일반화된 반사 및 굴절 법칙을 활용하여 원거리 및 근거리 영역 모두에서 파면 형상 조절을 모델링한다.
• 실제 도시 및 실내 환경에서 성능을 평가하기 위해 메타표면 산란 모델이 통합된 레이 트레이싱 및 시스템 수준 시뮬레이터를 활용한다.
• 스토하스틱 기하학 및 스토하스틱 기하학 기반 모델을 사용하여 대규모 네트워크에서의 RIS 배치를 분석하고 커버리지 및 에너지 효율성을 평가한다.
• 통신을 초월한 응용 분야를 탐색하여 전기적으로 큰 RIS의 집중 능력을 활용한 고정밀 라디오 위치 측정 및 맵핑을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무선 전파 환경을 수동적이고 제어 불가능한 매체에서 프로그래밍 가능하고 지능적인 표면으로 전환하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)의 작동을 지배하는 기본 물리 원리는 무엇이며, 이를 수학적으로 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ3 샤논의 정보 이론과 맥스웰의 전자기학을 어떻게 조율하여 지능적인 전파 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 실제 대규모 구현 환경에서 RIS 기반 스마트 라디오 환경의 성능 향상과 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 근거리 통신, 위치 측정, 시스템 수준 통합을 위한 RIS의 구현에 있어 핵심 과제는 무엇인가?

주요 결과

• RIS는 간섭을 줄이고 신호 신뢰성을 향상시키며, 무선 전파 전파를 동적으로 제어함으로써 스펙트럼 및 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.
• 무선 네트워크에 메타표면을 통합하면 빔포밍, 파면 형상 조절, 지능적인 다중 경로 활용 등의 새로운 기능을 실현할 수 있다.
• 현재의 시스템 수준 시뮬레이터에서는 메타표면 산란 모델을 지원하지 않아 성능 평가 및 구현 계획 수립에 중요한 격차가 존재한다.
• 큰 RIS의 근거리 동작는 고이득 집중 및 정밀 위치 측정의 새로운 기회를 제공하지만, 기존 문헌에서는 아직 탐색되지 않은 분야이다.
• 대규모 RIS 배치를 위해서는 도시 및 산업 환경에서 커버리지 및 에너지 효율성을 고려한 최적의 밀도 및 배치를 결정하기 위한 새로운 분석 프레임워크가 필요하다.
• 통신을 초월하여 RIS는 라디오 맵핑 및 위치 측정 분야에서 잠재력을 보이며, 지능형 무선 환경에서 더 넓은 역할을 할 수 있음을 시사한다.