[论文解读] Hybrid Reconfigurable Intelligent Metasurfaces: Enabling Simultaneous Tunable Reflections and Sensing for 6G Wireless Communications

George C. Alexandropoulos, Nir Shlezinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 60

一句话总结

本论文提出混合反射与感知的 RIS（HRISs），能够同时反射并感知入射信号，从而实现自配置、AoA 估计以及提高 6G 的信道估计；它提供硬件设计、一个简单的 HRIS 模型，以及概念验证的仿真。

ABSTRACT

The latest discussions on the upcoming sixth Generation (6G) of wireless communications are envisioning future networks as a unified communications, sensing, and computing platform. The recently conceived concept of the smart radio environment, enabled by Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs), contributes towards this vision offering programmable propagation of information-bearing signals. Typical RIS implementations include metasurfaces with almost passive unit elements capable of reflecting their incident waves in controllable ways. However, this solely reflective operation induces significant challenges for the RIS optimization from the wireless network orchestrator. For example, RISs lack information to locally tune their reflection pattern, which can only be acquired by other network entities, and then shared with the RIS controller. Furthermore, channel estimation, which is essential for coherent RIS-empowered communications, is challenging with the available RIS designs. This article reviews the emerging concept of Hybrid reflecting and sensing RISs (HRISs), which enables metasurfaces to reflect the impinging signal in a controllable manner, while simultaneously sensing a portion of it. The sensing capability of HRISs facilitates various network management functionalities, including channel parameter estimation and localization, while giving rise to potentially computationally autonomous and self-configuring metasurfaces. We discuss a hardware design for HRISs and detail a full-wave electromagnetic proof of concept. The distinctive properties of HRISs, in comparison to their solely reflective counterparts, are highlighted and a simulation study evaluating their capability for performing full and parametric channel estimation is presented. Future research challenges and opportunities arising from the HRIS concept are also included.

研究动机与目标

• 表明同时具备反射与感知能力的超表面的必要性，以解决纯粹反射型 RIS 的局限性，如缺乏本地感知和信道估计的挑战。
• 提出具有感知能力的混合元原子设计以及基于波导的采样机制。
• 通过全波 EM 仿真证明硬件的可行性，并说明对 AoA 估计和端到端信道估计的益处。
• 强调实现自配置、具备感知能力的 RIS 驱动无线网络在 6G 领域所面临的研究挑战与机遇。

提出的方法

• 描述混合元原子配置：在反射入射信号的一部分的同时对另一部分进行感知。
• 将超表面耦合到采样波导，其输出送至接收射频链实现本地处理。
• 使用含耦合参数 rho_n 的简单双向 HRIS 操作模型来表示反射能量与感知能量的分配。
• 在 19 GHz 条件下进行全波 EM 仿真，显示可实现同时反射与感知并具有可调相位移的特性。
• 为 HRIS 支持的无线系统提供模型，并评估 AoA 估计与端到端信道估计的性能。
• 将 HRIS 感知使能的估计能力与传统仅反射 RIS 的方法进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 HRIS 是否能够同时实现反射与感知，从而实现自我或半自我配置的超表面运行？
• RQ2 感知能力如何影响 HRIS 辅助系统中的 AoA 估计精度和信道估计性能？
• RQ3 能量分配参数 rho 对反射质量与感知精度有何影响？
• RQ4 使用 HRIS 需要多少个 pilot 和 RF 链来可靠估计 UT–RIS 与 RIS–BS 通道？
• RQ5 在实现面向 6G 的 HRIS 硬件时，实际设计考虑因素和权衡有哪些？

主要发现

• 在只感知信号的一小部分（低至 20%）时，HRIS 也能实现准确的 AoA 估计。
• 一个拥有 64 个元原子和 8 条 RF 链的 HRIS 能从 64 个 pilot 中恢复 UT–RIS 与 RIS–BS 通道，优于需要更多 pilot 的某些传统 RIS 方案。
• 增大对感知通道的耦合（更高的 rho）提升 AoA 估计，但会降低反射信号强度，揭示了一个可控的取舍。
• 优化耦合参数 rho（包括潜在的逐元优化）相较于固定设置，能提升级联信道估计性能。
• HRIS 感知使能的本地参数估计（AoA、RF 感知、RF 映射）可以促进自配置并减少网络控制开销，同时仍保留 RIS 风格的反射优点。
• 与纯粹反射型 RIS 相比，HRIS 在感知使能的信道估计方面具有潜在增益，但在功耗与硬件复杂度方面存在权衡。