[论文解读] Digital RIS (DRIS): The Future of Digital Beam Management in RIS-Assisted OWC Systems

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2021

Underwater Vehicles and Communication Systems参考文献 37被引用 25

一句话总结

本文提出数字可重构智能表面（DRIS）用于光无线通信（OWC）系统，使数字信号处理（DSP）技术（如空时编码，STC）可直接在物理超表面中实现。通过使用由二进制码控制的可编程液晶（LC）元件，DRIS实现了具有可调相移和反射系数的精确波束成形，成功研制了4单元DRIS原型，其波束方向可调至0°、90°、180°和270°，对应信号功率分别为-0.9151 dBm至-5.6864 dBm。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have been recently introduced to optical wireless communication (OWC) networks to resolve skip areas and improve the signal-to-noise ratio at the user's end. In OWC networks, RIS are based on mirrors or metasurfaces. Metasurfaces have evolved significantly over the last few years. As a result, coding, digital, programmable, and information metamaterials have been developed. The advantage of these materials is that they can enable digital signal processing (DSP) techniques. For the first time, this paper proposes the use of digital RIS (DRIS) in OWC systems. We discuss the concept of DRIS and the application of DSP methods to the physical material. In addition, we examine metamaterials for optical DRIS with liquid crystals serving as the front row material. Finally, we present a design example and discuss future research directions.

研究动机与目标

• 解决由于视 Line-of-Sight（LoS）阻塞导致的OWC系统信号阻塞与低信噪比问题。
• 克服传统模拟RIS的局限性，实现在物理超表面内嵌入数字信号处理（DSP）技术。
• 提出一种新型DRIS架构，将RIS单元视为二进制编码序列，实现动态波束控制。
• 展示一种基于LC的实用DRIS原型，具备可调波束转向与功率水平，适用于OWC应用。

提出的方法

• 提出DRIS作为由代码（X, k, ρ₀）定义的RIS，其中X为单元数量，k为每个单元的比特数，ρ₀为初始反射系数。
• 利用具有闪耀光栅结构的液晶（LC）超表面，通过电调谐双折射率与折射率控制光的衍射。
• 采用LC单元的二维阵列，每个单元分配2位数字码（'00'、'01'、'10'、'11'），以将光束引导至四个不同角度：0°、90°、180°和270°。
• 应用光栅方程 na(sinϕr + sinϕi) = mλ 建模衍射，其中m = ±1表示一级衍射，ϕr = ±ϕi + 2α。
• 使用矩阵建模（公式4）模拟反射系数对入射角与折射率的依赖关系。
• 设计一个4单元DRIS原型，采用A4907 LC面板，通过1.3 V、1.6 V、1.8 V和2.6 V的控制电压生成不同功率水平的波束。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可有效在物理超表面中实现数字信号处理（DSP）技术（如空时编码，STC）以应用于OWC系统？
• RQ2 如何设计基于液晶（LC）的超表面，以实现具有可控相位与幅度的可编程波束成形？
• RQ3 入射角与折射率对基于LC的DRIS单元反射系数有何影响？
• RQ4 在2位DRIS配置中，不同数字码对应的波束图与功率分布如何变化？
• RQ5 实现高增益与高效波束成形的关键设计参数是什么？

主要发现

• 成功设计了基于液晶（LC）面板的4单元DRIS原型，每个单元通过2位数字码控制，可将光束引导至四个不同方向：0°、90°、180°和270°。
• DRIS在0°方向实现-0.9151 dBm的波束功率，90°为-2.0066 dBm，270°为-3.4679 dBm，180°为-5.6864 dBm，分别对应1.3 V、1.6 V、1.8 V和2.6 V的控制电压。
• 反射系数随入射角与折射率增加而降低，不同LC单元类型的反射系数从0.81降至0.27。
• 由于闪耀光栅设计，波束图在不同入射角下保持稳定，主瓣增益与方向性保持较高。
• LC材料通过外加电压实现可调双折射率与相移，支持波束方向与幅度的动态重构。
• DRIS架构成功在物理材料中实现STC等DSP技术，提供空间分集增益，提升衰落环境下的系统性能。