[论文解读] Multi-path fading and interference mitigation with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jean-Baptiste Gros, Geoffroy Lerosey+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

该论文表明，通过波前整形实现信道硬化，可重构智能表面（RIS）能够在丰富的多径环境中缓解多径衰落和同频干扰。在过模金属腔体内使用软件定义无线电（SDR），RIS优化将误码矢量幅度（EVM）降低至8%，即使在强干扰条件下仍表现出鲁棒性，证明其在对抗性电磁环境中的适用性。

ABSTRACT

We exploit multi-path fading propagation to improve both the signal-to-interference-plus-noise-ratio and the stability of wireless communications within electromagnetic environments that support rich multipath propagation. Quasi-passive propagation control with multiple binary reconfigurable intelligent surfaces is adopted to control the stationary waves supported by a metallic cavity hosting a software-defined radio link. Results are demonstrated in terms of the error vector magnitude minimization of a quadrature phase-shift modulation scheme under no-line-of-sight conditions. It is found that the magnitude of fluctuation of received symbols is reduced to a stable constellation by increasing the number of individual surfaces, or elements, thus demonstrating channel hardening. By using a second software-defined radio device as a jammer, we demonstrate the ability of the RIS to mitigate the co-channel interference by channel hardening. Results are of particular interest in smart radio environments for mobile network architectures beyond 5G.

研究动机与目标

• 研究可重构智能表面（RIS）在复杂电磁环境中缓解多径衰落和同频干扰的可行性。
• 证明RIS可在丰富的多径传播场景中实现超越能量聚焦的信道硬化。
• 通过在受控的过模金属腔体内进行实时软件定义无线电（SDR）实验，验证基于RIS的干扰抑制效果。
• 弥合理论RIS模型与6G及以后移动网络架构中实际部署之间的差距。
• 展示RIS优化可在动态干扰下稳定QPSK星座图，实现鲁棒的无线通信。

提出的方法

• 该研究采用带有两个壁挂式二元RIS元件的金属腔体，以模拟丰富的多径室内传播环境。
• 使用两台USRP设备的软件定义无线电（SDR）系统，在爱丽丝与鲍勃之间建立视 Line-of-sight（LOS）和非视 Line-of-sight（NLOS）链路。
• 第二台SDR设备（夏娃）作为可控干扰源，以可变功率水平注入同频干扰。
• 自主研发的顺序优化算法实时控制RIS元件，以最小化误码矢量幅度（EVM）。
• 系统通过监测EVM和星座图，评估在不同干扰条件下的信道质量与信道硬化性能。
• 在每次干扰功率增加后，迭代优化RIS配置，以在干扰与信号功率比（Int）上升的情况下仍保持低EVM。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS是否可用于在丰富多径环境中实现信道硬化，而不仅仅是简单的能量聚焦？
• RQ2 在非视 Line-of-sight（NLOS）无线链路中，RIS在多大程度上可缓解有意的同频干扰？
• RQ3 RIS优化如何影响在干扰功率增加时QPSK星座图的稳定性？
• RQ4 当干扰功率等于或超过期望信号功率时，基于RIS的波前整形是否仍能保持低EVM？
• RQ5 使用多个二元RIS元件是否能显著提升信号稳定性和干扰抑制性能？

主要发现

• 即使在干扰功率等于期望信号功率（Int = 0 dB）时，RIS优化仍将平均误码矢量幅度（EVM）降低至8%。
• 优化后，星座图质心接近理想的QPSK符号，符号展扩极小，表明实现了有效的信道硬化。
• 在所有测试的干扰水平下，EVM均稳定在8%，包括Int = 0 dB时，证明对强干扰具有鲁棒性。
• 红色星座图（干扰增加后立即显示）表现出高EVM（高达90%），但深绿色优化后的星座图迅速恢复至接近理想性能。
• 信道硬化是通过RIS控制实现的，而不仅仅是能量聚焦，这由在动态干扰下星座图的稳定性得到证实。
• 结果证实，增加RIS元件数量可提升信道稳定性，并在对抗性电磁环境中实现有效的干扰抑制。