[论文解读] Double-Sided Beamforming in OWC Systems Using Omni-Digital Reconfigurable Intelligent Surfaces

Alain R. Ndjiongue, Telex M. N. Ngatched+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出全向数字可重构智能表面（omni-DRIS）用于可见光通信（OWC），通过数字控制元件实现光的同步反射与透射。该系统实现双向波束成形，提升覆盖范围与可实现速率，性能在最优元件数量下达到峰值，并随相位移分辨率提高而增强。

ABSTRACT

In this paper, we introduce a variant of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) called omni-digital-RISs (DRISs), which allow multiple physical processes, with application to optical wireless communications systems. The proposed omni-DRIS contains both reflectors and refractive elements, as well as elements that perform both simultaneously. We describe and explain the concept of omni-DRIS, suggest and analyze an omni-DRIS coding structure, discuss metamaterials to be used, and provide a design example. Furthermore, we demonstrate that the achievable rate of an omni-DRIS system depends on the number of omni-DRIS elements, bits per phase shift, and the number of unused elements. In addition, we show that the achievable rate upper bound is related to the number of omni-DRIS elements, and conclude by discussing future research directions.

研究动机与目标

• 通过实现同步反射与透射，解决传统RIS在表面两侧用户覆盖受限的问题。
• 克服传统RIS部署中用户位于表面后方时无法被服务的盲区问题。
• 开发一种数字可重构表面，通过可编程元件实现反射与透射波前的联合控制。
• 设计编码结构与材料框架（如液晶），以支持 omni-DRIS 元素的多模式运行。
• 研究元件数量、相位移分辨率及未使用元件对 OWC 系统性能的影响。

提出的方法

• 提出 omni-DRIS 作为混合RIS，将反射器、折射器与双功能元件集成于单一表面。
• 设计四状态编码协议，使每个 omni-DRIS 元素可处于反射、透射、同步反射/透射或非激活状态。
• 利用基于液晶（LC）的超材料，实现相位移与透射/反射系数的动态重构。
• 实施双向波束管理，将光束波束导向 omni-DRIS 表面两侧的用户。
• 在模型中考虑反射元件的双程传输与透射元件的单程传输的 OWC 信道特性。
• 采用可实现速率作为性能度量，分析其对总元件数、有效元件数及每相位移的比特数的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单个RIS元件中集成反射与透射功能，如何提升OWC系统中的覆盖范围？
• RQ2 在VLC系统中，omni-DRIS元件的最优数量是多少，可使可实现速率最大化？
• RQ3 提高每相位移的比特数如何影响系统的可实现速率，性能饱和点出现在何处？
• RQ4 未使用或非激活的 omni-DRIS 元件对系统吞吐量与波束成形效率有何影响？
• RQ5 材料特性（如液晶）如何影响 omni-DRIS 在 OWC 中的可行性与性能？

主要发现

• omni-DRIS 辅助的 OWC 系统可实现速率取决于有效元件数量、每相位移的比特数以及未使用元件数量。
• 存在一个 omni-DRIS 元件的最优数量，可使可实现速率最大化，超过该数量后性能因相位量化开销增加而下降。
• 提高每相位移的比特数可提升可实现速率，但达到一定点后速率开始下降，原因在于增益递减与系统复杂度增加。
• 在总元件数固定时，可实现速率与有效元件数成反比，表明分辨率与资源利用率之间存在权衡。
• 基于液晶的 omni-DRIS 设计可通过底层调谐实现全部四种工作状态（反射、透射、双功能、非激活），支持全数字控制。
• 采用 omni-DRIS 的双向波束成形可实现360°用户覆盖，显著提升室内可见光通信环境下的网络连通性。