[논문 리뷰] STAR-RISs: Simultaneous Transmitting and Reflecting Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 독립적으로 전송 및 반사 신호를 제어할 수 있는 새로운 RIS 아키텍처인 동시 전송 및 반사 재구성 가능 지능형 표면(_STAR-RISs_)을 제안한다. 이는 전방향 360도 커버리지 가능성을 제공한다. 저자들은 일반적인 하드웨어 모델과 두 가지 채널 모델(근거리 및 원거리)을 개발하여, STAR-RISs가 양측에서 전체 다중성 순서를 달성하며 기존의 반사 전용 RISs보다 커버리지 및 신뢰성 면에서 뛰어나다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

In this letter, simultaneous transmitting and reflecting reconfigurable intelligent surfaces (STAR-RISs) are studied. Compared with the conventional reflecting-only RISs, the coverage of STAR-RISs is extended to 360 degrees via simultaneous transmission and reflection. A general hardware model for STAR-RISs is presented. Then, channel models are proposed for the near-field and the far-field scenarios, base on which the diversity gain of the STAR-RISs is analyzed and compared with that of the conventional RISs. Numerical simulations are provided to verify analytical results and to demonstrate that full diversity order can be achieved on both sides of the STAR-RIS.

연구 동기 및 목표

• 기존의 반사 전용 RISs가 제공하는 180° 커버리지에 한계가 있어 송신기와 같은 측면에만 사용자가 위치할 수 있다는 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 보존 조건을 유지하면서 전송 및 반사 계수를 독립적으로 제어할 수 있는 물리적으로 타당하고 수학적으로 다룰 수 있는 STAR-RISs 하드웨어 모델을 개발하기 위해.
• STAR-RIS를 활용한 시스템의 신호 전파를 정확히 기술할 수 있는 근거리 및 원거리 채널 모델을 제안하기 위해.
• STAR-RISs와 기존 RISs의 다중성 이득을 분석하고 비교하여 성능 우월성을 입증하기 위해.
• 동일한 설정 조건에서 커버리지, 채널 이득 및 아웃리지 확률을 수치 시뮬레이션을 통해 분석하여 분석 모델의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 장 영역 등가 원리에 기반한 일반적인 하드웨어 모델을 수립하여, 각 STAR-RIS 요소를 등가 전기 및 자기 표면 전류로 모델링한다.
• 전송 및 반사 계수는 각각 $ T_m = \beta_m^T e^{j\theta_m^T} $ 및 $ R_m = \beta_m^R e^{j\theta_m^R} $ 로 표현되며, 에너지 보존 조건 $ |T_m|^2 + |R_m|^2 \leq 1 $ 를 만족한다.
• 등가 전류 방법을 사용하여 근거리 채널 모델을 유도하며, 구면파면을 고려하기 위해 거리에 따라 변하는 기울기 인자 $ F(\theta) = (1 + \tan\theta)/2 $ 를 포함한다.
• 원거리 근사법을 사용하여 원거리 채널 모델을 수립하며, 평면파면을 가정하고 경로 손실 및 위상 항목을 단순화한다.
• 모멘트 생성 함수**(MGF) 방법을 사용하여 점점 가까운 아웃리지 확률을 유도함으로써 다중성 순서 분석이 가능해진다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 동일한 설정 조건에서 STAR-RISs와 기존 RISs의 복사 패턴, 채널 이득 및 아웃리지 확률을 비교 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재구성 가능 지능형 표면을 동시에 전송 및 반사 신호를 가능하게 설계할 수 있는가? 이를 통해 커버리지가 360도로 확장될 수 있는가?
• RQ2 에너지 보존 조건을 유지하면서 전송 및 반사 계수를 독립적으로 제어할 수 있는 일반적인 하드웨어 모델을 어떻게 구성할 수 있는가?
• RQ3 STAR-RISs의 근거리 및 원거리 영역에서의 채널 거동의 주요 차이점은 무엇이며, 이를 어떻게 수학적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 STAR-RISs의 다중성 이득은 기존 RISs와 비교해 어떤가? 양측에서 전체 다중성 순서를 달성하는가?
• RQ5 제안된 채널 모델은 시스템 성능에 어떤 영향을 미치며, 특히 아웃리지 확률과 빔포밍 정렬성 측면에서 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• STAR-RISs는 요소 수 $ M $ 에 대해 전송 및 반사 측면에서 모두 $ M+1 $ 의 전체 다중성 순서를 달성하며, 기존의 반사 전용 RISs보다 뛰어난 성능을 보인다.
• 기울기 인자 $ F(\theta) = (1 + \tan\theta)/2 $ 를 포함한 근거리 채널 모델은 거리에 따른 이득 변화를 정확히 반영하지만, 원거리 모델은 표면 근처에서 벗어나게 된다.
• 수치 결과는 원거리 모델이 STAR-RIS에서 여러 파장 거리 이상 떨어진 곳에서는 근거리 모델을 잘 근사함을 확인한다.
• STAR-RISs는 목표 각도(예: $ 7.6^\text{°} $ 및 $ 16.6^\text{°} $)에서 더 높은 이득을 가지며 빔형 복사 패턴을 보이며, 기존 RISs의 경우 더 넓고 낮은 이득의 집중도가 떨어지는 패턴을 보인다.
• 아웃리지 확률 시뮬레이션 결과는 분석적 점점 가까운 결과와 완벽하게 일치하며, STAR-RIS와 기존 RISs 모두 예측된 다중성 순서를 달성함을 확인한다.
• 제안된 채널 모델은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, STAR-RISs가 표면의 양측에 커버리지를 확장하고 근거리 조건에서도 높은 신뢰성을 유지함을 입증한다.