[论文解读] On Channel Reciprocity in Reconfigurable Intelligent Surface Assisted Wireless Network

Wankai Tang, Xiangyu Chen+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文研究了可重构智能表面（RIS）辅助的时分双工（TDD）无线网络中的信道互易性，证明在标准RIS设计下，由于电磁互易性原理，互易性依然成立。在Sub-6 GHz和毫米波频段的实验验证表明，对于常见RIS，互易性成立，同时提出了通过放大、可切换传输状态以及角度相关响应控制实现非互易信道的方法。

ABSTRACT

Channel reciprocity greatly facilitates downlink precoding in time-division duplexing (TDD) multiple-input multiple-output (MIMO) communications without the need for channel state information (CSI) feedback. Recently, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) emerge as a promising technology to enhance the performance of future wireless networks. However, since the artificial electromagnetic characteristics of RISs do not strictly follow the normal laws of nature, it brings up a question: does the channel reciprocity hold in RIS-assisted TDD wireless networks? After briefly reviewing the reciprocity theorem, in this article, we show that there still exists channel reciprocity for RIS-assisted wireless networks satisfying certain conditions. We also experimentally demonstrate the reciprocity at the sub-6 GHz and the millimeter-wave frequency bands by using two fabricated RISs. Furthermore, we introduce several RIS-assisted approaches to realizing nonreciprocal channels. Finally, potential opportunities brought by reciprocal/nonreciprocal RISs and future research directions are outlined.

研究动机与目标

• 研究在RIS辅助的TDD MIMO系统中，传统TDD中的基本特性——信道互易性是否依然成立。
• 在Sub-6 GHz和毫米波频段，对RIS赋能的无线系统中的互易性进行实验验证。
• 探索可实现非互易RIS的设计策略，以支持先进应用。
• 识别并概述互易与非互易RIS辅助网络的关键未来研究方向。

提出的方法

• 基于电磁互易定理的理论分析，以确定RIS辅助信道保持互易性的条件。
• 使用在Sub-6 GHz和毫米波频段制造的两块RIS进行实验验证，测量上行链路和下行链路的信道响应。
• 通过信号放大、可切换传输状态以及角度相关相位移器设计非互易RIS，以打破互易性。
• 建立角度相关模型以描述互易RIS的响应，考虑入射角和观测角的敏感性。
• 原型制作与测量，以验证理论模型并评估实际性能极限。
• 利用广义斯涅尔定律和波-物质相互作用原理，对RIS波束成形和波前调控进行建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RIS辅助的TDD无线网络中，信道互易性在何种条件下成立？
• RQ2 在Sub-6 GHz和毫米波频段，电磁互易性是否可在RIS赋能系统中通过实验验证？
• RQ3 哪些设计策略可实现RIS的非互易行为，其物理实现方式是什么？
• RQ4 角度相关响应特性如何影响RIS辅助系统中的互易性与性能？
• RQ5 在RIS原型制作与测量方面，实际部署面临哪些关键挑战与机遇？

主要发现

• 当RIS为无源且其单元结构遵循电磁互易性原理时，RIS辅助TDD网络中的信道互易性成立。
• 实验结果证实，在使用两块自制RIS的Sub-6 GHz和毫米波频段中，信道互易性成立。
• 通过信号放大、可切换传输状态以及角度相关相位控制，可实现非互易RIS。
• 具备放大功能的RIS在5.55 GHz时可实现高达13 dB的增益，但同时实现相位与幅度控制仍具挑战。
• 当入射角与观测角互换时，角度相关RIS表现出互易行为，证实其在角度响应上的互易性。
• RIS的原型制作与测量仍处于早期阶段，亟需标准化测试平台与性能验证框架。