[논문 리뷰] Transmissive RIS for 6G Communications: Design, Prototyping, and Experimental Demonstrations

Junwen Tang, Mingyao Cui외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 30.

Advanced Antenna and Metasurface Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 90° 디지털 역상 이동기와 전류 반전 다이폴을 사용하여 6G 통신을 위한 2비트 투과형 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 제안한다. 이는 저손실과 함께 전체 360°의 위상 제어를 가능하게 한다. 16×16 프로토타입은 27 GHz에서 22.0 dBi의 빔 방향성 이득을 달성했으며, 실험적으로 8.2 dB의 송신 전력 감소, 장애물 통과 능력, ±60°까지의 빔 조정 기능을 입증하여 더 높은 데이터 전송 속도와 신호 방향에 대한 동적 적응이 가능하다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has been widely considered as a key technique to improve spectral efficiency for 6G communications. Compared with most existing research that only focuses on the reflective RIS, the design and prototyping of a novel transmissive RIS are presented in this paper, and its enhancement to the RIS-aided communication system is experimentally demonstrated. The 2-bit transmissive RIS element utilizes the penetration structure, which combines a 1-bit current reversible dipole and a 90° digital phase shifter based on a quadrature hybrid coupler. A transmissive RIS prototype with 16$ imes$16 elements is designed, fabricated, and measured to verify the proposed design. The measured phase shift and insertion loss of the RIS element validate the 2-bit phase modulation capability. Being illuminated by a horn feed, the prototype achieves a maximum broadside gain of 22.0 dBi at 27 GHz, and the two-dimensional beamforming capability with scan angles up to $\pm$60° is validated. The experimental results of the RIS-aided communication system verify that by introducing the extra gain and beam steering capability, the transmissive RIS is able to achieve a higher data rate, reduce the transmit power, improve the transmission capability through obstacles, and dynamically adapt to the signal propagation direction.

연구 동기 및 목표

• 반사형 RIS의 커버리지 한계를 해결하기 위해 장애물 뒤편에서도 통신이 가능하고 비대칭 구조에서도 활용 가능한 투과형 RIS를 제안한다.
• 기존의 투과형 RIS 설계에서 높은 손실과 제한된 위상 해상도 문제를 해결하기 위해 2비트 위상 제어 메커니즘을 도입한다.
• 90° 디지털 위상 이동기와 전류 반전 다이폴을 사용하여 2비트 위상 해상도를 갖춘 16×16 투과형 RIS를 설계, 프로토타입 제작 및 실험적 검증을 수행한다.
• RIS 보조 시스템이 실제 환경에서 데이터 전송 속도 향상, 송신 전력 감소, 장애물 회피, 동적 빔 조정 능력을 갖추고 있음을 입증한다.

제안 방법

• 2비트 투과형 RIS 요소는 1비트 전류 반전 다이폴과 90° 디지털 위상 이동기를 조합하여 네 가지 안정된 위상 상태를 구현한다. 이는 4분면 혼합기 기반의 위상 이동 방식을 활용한다.
• 90° 디지털 위상 이동기는 두 개의 PIN 다이오드를 사용하여 두 개의 정현파 출력을 전환함으로써 0°, 90°, 180°, 270° 위상 이동을 가능하게 한다.
• 2.5차원 관통 구조를 도입하여 전파 방향에 수직으로 구성 요소를 쌓아 평면 면적을 줄이고 16×16 요소의 고밀도 통합을 실현한다.
• 모든 요소에 DC/RF 별도 배선 회로를 통합한 다층 프린팅 회로기판(PCB) 기술을 사용하여 프로토타입을 제작한다.
• 빔 포밍은 어레이 전역에서 위상 이동을 동적으로 제어함으로써 달성되며, 수평 방향으로 ±60°까지의 빔 조정이 가능하다.
• 아나코이크 챔버에서 허브 안테나와 소프트웨어 정의 무선(SDR)을 사용하여 시스템 수준의 실험을 수행하여 데이터 전송 속도, 전력 감소, 장애물 대응 능력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2비트 투과형 RIS는 mmWave 주파수 대역에서 저손실과 고이득을 확보하면서 전체 360° 위상 제어를 달성할 수 있는가?
• RQ2 투과형 RIS는 RIS 보조 통신 시스템에서 스펙트럼 효율을 향상시키고 송신 전력을 어떻게 감소시키는가?
• RQ3 마블과 같은 장애물에 의한 신호 차단 문제를 투과형 RIS는 어느 정도 해결할 수 있는가?
• RQ4 투과형 RIS는 변화하는 신호 입사 각도에 맞춰 빔을 동적으로 조정할 수 있는가?
• RQ5 실제 실험 조건에서 도달 가능한 데이터 전송 속도와 어레이 이득은 얼마인가?

주요 결과

• 2비트 투과형 RIS 프로토타입은 27.0 GHz에서 최대 22.0 dBi의 빔 방향성 이득을 확보하여 효과적인 빔 포밍과 높은 직접성의 가능성을 입증한다.
• RIS는 1121 Mbps 데이터 전송 속도를 유지하기 위해 송신 전력을 13.6 dBm에서 5.4 dBm으로 8.2 dB 감소시켰으며, 측정된 9.3 dB의 어레이 이득과 일치한다.
• 직선 시야 경로가 마블에 의해 차단된 상황에서도 RIS가 1683 Mbps 링크를 복구함으로써 장애물 통과 능력을 입증한다.
• ±60°까지의 빔 조정 능력은 실험적으로 검증되었으며, 30° 입사 각도에서 빔 스캐닝을 통해 데이터 전송 속도가 1683 Mbps로 복원됨을 확인했다.
• 16-QAM 변조 방식을 사용하여 최대 지원 데이터 전송 속도 1683 Mbps를 달성함으로써 높은 스펙트럼 효율성을 확인했다.
• RIS 요소의 측정된 손실이 낮아 2비트 위상 제어가 성능 저하를 최소화하면서도 실현 가능함을 입증했다.