[논문 리뷰] Reconfigurable Intelligent Surface-Based Wireless Communication: Antenna Design, Prototyping and Experimental Results

Linglong Dai, Bichai Wang외 9명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 21인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 256개의 2비트 단계 이동 요소를 갖춘 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)의 설계, 프로토타이핑 및 실험적 검증을 제시한다. 이는 에너지 효율적이고 고이득 무선 통신을 가능하게 한다. RIS는 PIN 다이오드를 통해 복사 및 단계 제어를 통합하여 2.3 GHz에서 21.7 dBi, 28.5 GHz에서 19.1 dBi의 이득을 달성하였으며, 실외 테스트를 통해 실시간 HD VR 영상 전송과 1비트 RIS 시스템 대비 2 dB의 EIRP 이득을 확인하였다.

ABSTRACT

One of the key enablers of future wireless communications is constituted by massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems, which can improve the spectral efficiency by orders of magnitude. However, in existing massive MIMO systems, conventional phased arrays are used for beamforming, which result in excessive power consumption and hardware cost. Recently, reconfigurable intelligent surface (RIS) has been considered as one of the revolutionary technologies to enable energy-efficient and smart wireless communications, which is a two-dimensional structure with a large number of passive elements. In this paper, we propose and develop a new type of high-gain yet low-cost RIS having 256 elements. The proposed RIS combines the functions of phase shift and radiation together on an electromagnetic surface, where positive intrinsic-negative (PIN) diodes are used to realize 2-bit phase shifting for beamforming. Based on this radical design, the world's first wireless communication prototype using RIS having 256 2-bit elements is designed and developed. Specifically, the prototype conceived consists of modular hardware and flexible software, including the hosts for parameter setting and data exchange, the universal software radio peripherals (USRPs) for baseband and radio frequency (RF) signal processing, as well as the RIS for signal transmission and reception. Our performance evaluation confirms the feasibility and efficiency of RISs in future wireless communications. More particularly, it is shown that a 21.7 dBi antenna gain can be obtained by the proposed RIS at 2.3 GHz, while at the millimeter wave (mmWave) frequency, i.e., 28.5 GHz, a 19.1 dBi antenna gain can be achieved. Furthermore, the over-the-air (OTA) test results show that the RIS-based wireless communication prototype developed is capable of significantly reducing the power consumption.

연구 동기 및 목표

• 미래 무선 네트워크에서 기존의 대규모 MIMO 피지컬 어레이의 높은 전력 소모와 하드웨어 비용 문제를 해결하기 위해.
• 다중비트 단계 제어 기능을 갖춘 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 사용하여 저비용이고 에너지 효율적인 대안을 개발하기 위해.
• 유연한 빔포밍과 고직도를 위해 2비트 단계 이동 기능을 갖춘 256요소 RIS의 설계 및 프로토타이핑을 위해.
• 서브-6 GHz 및 mmWave 대역에서 실외 테스트를 통해 RIS 기반 무선 통신의 실현 가능성과 성능을 검증하기 위해.
• RIS 프로토타입을 사용하여 실시간 고속도 응용, 예를 들어 HD VR 영상 스트리밍과 같은 실시간 고데이터율 응용을 구현하기 위해.

제안 방법

• RIS는 각 요소가 PIN 다이오드를 사용하여 2비트 단계 이동(0°, 90°, 180°, 270°)을 구현하는 256요소 어레이를 사용하며, 활성 RF 체인 없이도 빔포밍이 가능하다.
• RIS 구조는 단일 전자기 표면에 복사 요소와 단계 제어 기능을 통합하여 복잡한 공급 네트워크를 제거하고 전력 소모를 감소시켰다.
• 빔포밍 제어 보드는 256개 요소의 단계 상태를 동적으로 조정하여 주 beam을 넓은 각도 범위(최대 ±60°)로 이동시켰다.
• 프로토타입은 USRP를 사용하여 베이스밴드 및 RF 신호 처리를 수행하며, 파rameter 설정과 데이터 교환을 위한 호스트를 활용하여 완전한 소프트웨어 정의 운영을 구현하였다.
• 시스템은 2.3 GHz와 28.5 GHz에서 작동하며, 고스펙트럼 효율성과 강건성을 확보하기 위해 OFDM 변조, QAM 및 터보 코딩을 사용하였다.
• 실외 테스트는 20미터 거리의 실내 환경에서 실시되었으며, 고해상도 스테레오 VR 영상이 데이터 소스로 사용되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2비트 단계 이동기능을 갖춘 256요소 RIS가 고속 무선 통신을 지원하기에 충분한 직도와 빔포밍 이득을 달성할 수 있는가?
• RQ2 EIRP와 스펙트럼 효율성 측면에서 2비트 RIS는 1비트 RIS에 비해 어떻게 성능이 뛰어나게 되는가?
• RQ3 모듈러 하드웨어와 융통성 있는 소프트웨어를 갖춘 완전 기능의 RIS 기반 무선 통신 프로토타입을 실현할 수 있는가?
• RQ4 다양한 스캐닝 각도에서 RIS의 빔 스캐닝 능력과 이득 감소 정도는 어떠한가?
• RQ5 RIS 프로토타입은 실시간 고데이터율 응용, 예를 들어 HD VR 영상 스트리밍을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 2.3 GHz에서 RIS는 측정된 이득이 21.7 dBi였으며, 2.4 GHz에서 최대 이득 21.9 dBi를 기록하고 1-dB 대역폭은 350 MHz(상대 대역폭 15.2%)를 확보하였다.
• 28.5 GHz에서 RIS는 측정된 이득이 19.1 dBi였으며, 밀리미터파 주파수 대역에서의 실현 가능성을 입증하였다.
• RIS는 빔 스캐닝을 보드사이드에서 60°까지 수행할 수 있었고, 이로 인한 이득 감소는 3.7 dB에 불과하여 빔포밍의 유연성을 확인하였다.
• 실외 테스트를 통해 64-QAM을 사용하여 3920×1440 HD VR 영상의 실시간 전송이 확인되었으며, 명확한 별도의 별도의 복조 기준점과 안정된 데이터 전송 속도를 확보하였다.
• 프로토타입의 EIRP는 30 dBm의 송신 전력에서 51.7 dBm에 도달하여 기존 1비트 RIS 시스템 대비 2 dB의 향상을 보였다.
• 기존 피지컬 어레이 대비 뚜렷한 전력 절감 효과를 보이며, RIS 기반 통신의 에너지 효율성을 검증하였다.