[논문 리뷰] STAR: Simultaneous Transmission And Reflection for 360° Coverage by Intelligent Surfaces

Yuanwei Liu, Xidong Mu외 5명|ePrints Soton (University of Southampton)|2021. 03. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 입사 신호를 전송 및 반사 파로 분할함으로써 360° 무선 커버리지가 가능한 새로운 RIS 아키텍처인 동시 전송 및 반사 재구성가능 지능형 표면(STAR-RIS)을 제안한다. 저자들은 에너지 분할, 모드 전환, 시간 전환의 세 가지 운영 프로토콜을 도입하고, 수치적 결과를 통해 STAR-RIS가 단일 전송 및 다중 전송 시나리오에서 기존 RIS 및 옴니-표면보다 전송 및 반사에서의 자유도를 극대화함으로써 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

A novel simultaneously transmitting and reflecting (STAR) system design relying on reconfigurable intelligent surfaces (RISs) is conceived. First, an existing prototype is reviewed and the potential benefits of STAR-RISs are discussed. Then, the key differences between conventional reflecting-only RISs and STAR-RISs are identified from the perspectives of hardware design, physics principles, and communication system design. Furthermore, the basic signal model of STAR-RISs is introduced, and three practical protocols are proposed for their operation, namely energy splitting, mode switching, and time switching. Based on the proposed protocols, a range of promising application scenarios are put forward for integrating STAR-RISs into next-generation wireless networks. By considering the downlink of a typical RIS-aided multiple-input single-output (MISO) system, numerical case studies are provided for revealing the superiority of STAR-RISs over other baselines, when employing the proposed protocols. Finally, several open research problems are discussed.

연구 동기 및 목표

• 기존 반사 전용 RIS의 제한된 공간 커버리지 문제를 해결하기 위해 전체 공간 신호 조작이 가능한 새로운 RIS 아키텍처를 제안한다.
• 기존 RIS와 STAR-RIS 간 하드웨어 설계, 물리적 원리, 시스템 수준의 통신 설계에서의 핵심 차이점을 규명한다.
• STAR-RIS의 유연하고 효율적인 신호 제어를 가능하게 하는 실용적인 운영 프로토콜(에너지 분할, 모드 전환, 시간 전환)을 개발한다.
• MISO 다운링크 시스템에서 STAR-RIS의 성능을 평가하고, 단일 전송 및 다중 전송 시나리오에서 기존 RIS 및 옴니-표면과의 성능을 비교한다.
• STAR-RIS 기반 네트워크의 공간 모델링, 채널 추정, 구현 전략 분야에서의 열린 연구 과제를 부각시킨다.

제안 방법

• 입사 신호를 표면을 통해 동시에 전송하고 반사할 수 있도록 해주는 새로운 RIS 아키텍처인 STAR-RIS를 제안하여 360° 커버리지 가능성을 확보한다.
• 에너지 분할(전력 분할을 통한 동시 전송 및 반사), 모드 전환(전송 및 반사 간 동적 전환), 시간 전환(시간 슬롯에서 순차적 작동)의 세 가지 실용적인 운영 프로토콜을 도입한다.
• 각 재구성 가능 요소의 전송 및 반사 계수를 고려한 STAR-RIS의 신호 모델을 개발하여 두 링크의 공동 최적화를 가능하게 한다.
• 단일 안테나 사용자와 함께 다운링크 MISO 시스템에 제안된 프로토콜을 적용하여, 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 비음향형 조정 및 RIS 계수를 최적화한다.
• 단일 전송 및 다중 전송 시나리오에서 기존 RIS(반사 전용) 및 옴니-표면(전송 및 반사 계수 동일)과의 성능 비교를 위해 수치적 사례 연구를 수행한다.
• 스토하스틱 기하학 및 시스템 수준 시뮬레이션을 활용하여 다양한 프로토콜 및 사용자 구성에서의 성능 향상과 상호 상충 관계를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 어떻게 재구성하여 동시에 전송 및 반사를 가능하게 하여 전체 공간 360° 커버리지를 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존 반사 전용 RIS와 STAR-RIS 간의 핵심 하드웨어 및 물리적 차이점은 무엇인가?
• RQ3 실제 시스템에서 스펙트럼 효율과 파ilot 오버헤드 사이의 균형을 가장 잘 맞추는 운영 프로토콜은 에너지 분할, 모드 전환, 시간 전환 중 어느 것인가?
• RQ4 단일 전송 및 다중 전송 시나리오에서 STAR-RIS는 기존 RIS 및 옴니-표면과 비교해 스펙트럼 효율 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 실제 네트워크에 STAR-RIS를 구현할 때 주요 도전 과제는 무엇인가, 특히 공간 모델링, 채널 추정, 구현 최적화 측면에서?

주요 결과

• STAR-RIS는 전송 및 반사에서의 자유도를 극대화할 수 있기 때문에 단일 전송 및 다중 전송 시나리오에서 기존 RIS 및 옴니-표면보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 단일 전송 시나리오에서 STAR-RIS는 항상 기존 RIS 및 옴니-표면보다 높은 스펙트럼 효율을 달성하며, 에너지 분할 프로토콜이 동시 링크 활용 덕분에 가장 우수한 성능을 보인다.
• 다중 전송 시나리오에서 RIS 요소 수 M 이 작을 경우 기존 RIS가 시간 전환 STAR-RIS보다 성능이 뛰어나지만, M이 증가함에 따라 STAR-RIS가 더 나은 자유도 활용 덕분에 슈퍼어리어를 기록한다.
• 옴니-표면은 다중 전송에서 사용자 간 간섭이 없기 때문에 모드 전환 STAR-RIS와 거의 유사한 성능을 보이지만, 빔포밍의 자유도가 감소함에 따라 여전히 에너지 분할 STAR-RIS에 뒤지게 된다.
• 수치적 결과는 제안된 프로토콜이 STAR-RIS가 특히 고자유도 영역에서 뛰어난 스펙트럼 효율 향상을 달성하도록 해줌을 확인한다.
• M이 증가함에 따라 기존 RIS와 STAR-RIS 간 성능 격차가 커지며, 대규모 구현에서 전체 공간 신호 제어의 이점이 두드러진다.

(a) Reflecting-only RISs (biscuits placed on a metal plate)