[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces in 6G: Reflective, Transmissive, or Both?

Shuhao Zeng, Hongliang Zhang+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文研究了6G网络中反射型、透射型和混合型可重构智能表面（RIS）之间的性能权衡，推导出容量和速率的上界，以确定在不同用户分布下最优的RIS类型。结果表明，当RIS单元数量超过某一阈值时，混合型RIS优于反射型和透射型RIS；而当基站和用户均远离RIS时，反射型或透射型RIS表现更优。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have attracted wide interest from industry and academia since they can shape the wireless environment into a desirable form with a low cost. In practice, RISs have three types of implementations: 1) reflective, where signals can be reflected to the users on the same side of the base station (BS), 2) transmissive, where signals can penetrate the RIS to serve the users on the opposite side of the BS, and 3) hybrid, where the RISs have a dual function of reflection and transmission. However, existing works focus on the reflective type RISs, and the other two types of RISs are not well investigated. In this letter, a downlink multi-user RIS-assisted communication network is considered, where the RIS can be one of these types. We derive the system sum-rate, and discuss which type can yield the best performance under a specific user distribution. Numerical results verify our analysis.

研究动机与目标

• 分析在下行链路多用户RIS辅助网络中，反射型、透射型和混合型RIS之间的性能差异。
• 推导系统容量和速率的上界，以评估不同用户分布下的RIS性能。
• 根据用户位置和RIS尺寸，确定最优的RIS类型（反射型、透射型或混合型）。
• 通过识别每类RIS在何种条件下性能更优，为6G网络中RIS的部署提供设计指导。

提出的方法

• 为单个基站和多个单天线用户组成的下行链路多用户RIS辅助网络，推导系统容量和速率的上界。
• 建立三种RIS类型的模型：反射型（Γᵗ=0, Γʳ=1）、透射型（Γᵗ=1, Γʳ=0）和混合型（Γᵗ²=Γʳ²=0.5），能量均分。
• 采用笛卡尔坐标系定义反射区和透射区，用户分布于这些区域中。
• 分析容量和速率随透射区用户数（Sₜ）和RIS尺寸（M×N）的变化行为。
• 应用渐近分析和信噪比（SNR）近似，评估混合型RIS容量和速率的导数，并与反射型和透射型进行比较。
• 通过在不同距离和RIS配置下进行数值仿真，验证理论结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，混合型RIS在容量和速率方面优于反射型或透射型RIS？
• RQ2 RIS单元数量如何影响混合型RIS相对于反射型和透射型RIS的性能优势？
• RQ3 用户分布（即透射区与反射区的用户数量）对最优RIS类型选择有何影响？
• RQ4 基站、用户与RIS之间的距离如何影响三类RIS的性能排序？
• RQ5 是否存在一个RIS单元数量的阈值，使得当超过该阈值时，混合型RIS在任何用户分布下均持续优于其他类型？

主要发现

• 当基站和用户均远离RIS时，无论用户分布如何，混合型RIS始终劣于反射型或透射型RIS。
• 当RIS单元数量超过推导出的阈值时，对于任意用户分布，混合型RIS均优于反射型和透射型RIS。
• 反射型RIS的容量和速率随透射区用户数（Sₜ）增加而下降，而透射型RIS的容量和速率则随Sₜ增加而上升。
• 随着RIS尺寸增大，混合型RIS与其他类型之间的性能差距更加显著，尤其是在基站和用户均靠近RIS时。
• 数值结果证实，容量和速率的上界能紧密跟踪实际系统容量，验证了其作为RIS类型选择性能指标的有效性。
• 混合型RIS容量和速率关于Sₜ的导数近似为零，表明在用户数量变化时，其性能保持稳定且处于最优区域。