[논문 리뷰] Wireless Environment as a Service Enabled by Reconfigurable Intelligent Surfaces: The RISE-6G Perspective

Emilio Calvanese Strinati, George C. Alexandropoulos외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크를 위한 무선 환경을 서비스로 제공하는(Radio wave propagation를 동적으로 제어할 수 있도록) 재구성가능한 지능 표 superficies(RIS)를 기반으로 한 Wireless Environment as a Service (WEaaS) 프레임워크를 제안한다. RIS를 활용한 전파 전파 모델링, RIS 설정 최적화, 도시 및 산업 환경에서의 현장 시험을 통해 RISE-6G는 센티미터 수준의 정밀 위치 추적, 1.488 Gbps의 고화질 영상 스트리밍, 목표 지향적 에너지 효율성 구현을 달성하였으며, 5G를 초월하는 프로그래밍 가능하고 지속 가능하며 지능적인 무선 인프라의 실현 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

The design of 6th Generation (6G) wireless networks points towards flexible connect-and-compute technologies capable to support innovative services and use cases. Targeting the 2030 horizon, 6G networks are poised to pave the way for sustainable human-centered smart societies and vertical industries, such that wireless networks will be transformed into a distributed smart connectivity infrastructure, where new terminal types are embedded in the daily environment. In this context, the RISE-6G project aims at investigating innovative solutions that capitalize on the latest advances in the emerging technology of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs), which offers dynamic and goal-oriented radio wave propagation control, enabling the concept of the wireless environment as a service. The project will focus on: i) the realistic modeling of RIS-assisted signal propagation, ii) the investigation of the fundamental limits of RIS-empowered wireless communications and sensing, and iii) the design of efficient algorithms for orchestrating networking RISs, in order to implement intelligent, sustainable, and dynamically programmable wireless environments enabling diverse services that go well beyond the 5G capabilities. RISE-6G will offer two unprecedented proof-of-concepts for realizing controlled wireless environments in near-future use cases.

연구 동기 및 목표

• 6G 네트워크에서 제어되지 않고 정적인 무선 전파 환경이 초래하는 근본적 과제를 해결한다.
• RIS를 통한 동적이고 목표 지향적인 전파 간섭 제어를 가능하게 하여 다양한 고성능 서비스를 지원한다.
• 5G의 한계를 극복하고 극한의 성능 목표를 달성한다: 10 Gbps/m³ 대역폭, 100 µs 지연, 1 Tb/J 에너지 효율성, 1 cm 정밀 위치 추적 정확도.
• 비의도된 사용자에 대한 에너지 노출을 최소화하고 네트워크 효율성을 최적화하기 위해 지능적인 RIS 배치를 통해 실현한다.
• 두 가지 실현 환경 시험(기차역 및 자동차 공장)을 통해 WEaaS 개념을 실증한다.

제안 방법

• RIS 기반 환경에서의 실제적이고 실험적으로 검증된 전파 전파 모델을 개발한다.
• 다중 RIS를 조율하여 동적이고 목표 지향적인 신호 제어를 가능하게 하는 최적화 알고리즘을 설계한다.
• 비선형 하드웨어를 갖춘 RIS 기반 시스템을 위해 피LOT 기반 및 딥 러닝 기반 채널 추정 기법을 구현한다.
• RIS를 재구성 가능한 반사체 또는 수신/송신 장치로 구현하여 다중 경로 기하학적 특성을 제어하고, 커버리지 범위를 확장하며, 장애물 영향을 완화한다.
• RIS를 sub-6 GHz 및 밀리미터파(26, 70, 130 GHz) 대역에 통합하여 고대역폭 및 고정밀 위치 추적 기능을 지원한다.
• 실생활 환경에서의 성능 검증을 위해 소형 RIS 기반 반사체와 77 GHz 무선 모듈을 사용한 현장 시험을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS를 어떻게 활용하여 무선 전파 전파를 동적으로 제어함으로써 프로그래밍 가능한 무선 환경을 서비스로 제공할 수 있는가?
• RQ2 용량, 정밀 위치 추적 정확도, 에너지 효율성 측면에서 RIS 기반 통신 및 센싱의 근본적 한계는 무엇인가?
• RQ3 동시에 고대역폭, 저지연, 저EMF 노출 서비스를 달성하기 위해 RIS 설정을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 대규모 비선형 RIS를 갖춘 RIS 기반 시스템에서 가장 효과적인 채널 추정 및 위치 추적 알고리즘은 무엇인가?
• RQ5 복잡한 실내 및 실외 환경에서 원활한 커버리지와 성능을 확보하면서도 RIS 설치 수를 최소화하는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 77 GHz 무선 모듈을 통해 소형 RIS 기반 반사체를 사용해 26 GHz 대역에서 최소 1.488 Gbps의 압축 해제된 4K 영상 스트리밍이 구현되었다.
• 산업 및 도시 테스트베드에서 70 GHz 및 130 GHz의 캐리어 주파수에서 센티미터 수준의 정밀 위치 추적 정확도가 달성되었다.
• RISE-6G 프로젝트는 비의도된 사용자 영역에서는 에너지 소비를 목표로 감소시키고, 의도된 영역에는 고대역폭 서비스 제공을 집중하였다.
• 프랑스 린느 및 FCA 자동차 공장에서의 현장 시험을 통해 RIS 기반 연결성 및 위치 추적의 실현 가능성과 실생활 환경 적용 가능성이 확인되었다.
• RIS를 통해 필요로 하는 액세스 포인트의 수를 줄이고 지능적인 전파 제어를 통해 네트워크 효율성을 향상시킬 수 있음을 입증하였다.
• 제안된 프레임워크는 규제 기준을 준수하면서도 용량, 에너지 효율성, EMF 노출, 정밀 위치 추적 정확도 간의 실시간 트레이드오프를 가능하게 하였다.