[论文解读] Multi-RIS-aided Wireless Communications in Real-world: Prototyping and Field Trials

Rujing Xiong, Jianan Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种适用于一比特RIS单元的可扩展夹层架构，以及一种基于云的远程控制多RIS部署系统。在Wi-Fi和5G网络中的实地试验表明，采用两跳RIS中继时，信号增益最高可达20 dBm，平均RSRP提升14 dB，而多跳链路中后续节点的增益逐渐减弱。

ABSTRACT

The performance of multiple reconfigurable intelligent surfaces (RISs) receives limited attention in previous studies. This article fills this research gap by investigating the capabilities of multiple RISs in real-world networks. We propose a simplified yet highly scalable sandwich architecture for implementing one-bit unit cells, with the flexibility to accommodate multi-bit unit cells. To effectively control multiple RISs, we present a cost-effective remote-controlling scheme and develop a cloud-based RIS management system. Through a series of four field trials, we demonstrate the effectiveness of multi-hop routing schemes in establishing reliable links. Our experiments reveal significant improvements in signal strength and data transmission in multi-RIS-aided Wi-Fi and commercial 5G networks. Furthermore, we investigate the power scaling law of RIS-aided beamforming and provide insights into the roles of the later nodes in multi-hop relay chains.

研究动机与目标

• 填补商业网络中多RIS实际评估的空白。
• 设计一种适用于多比特和一比特单元的低功耗、可扩展RIS架构。
• 开发一种成本效益高的基于云的远程控制系统，用于管理多个RIS。
• 验证真实环境中多跳RIS中继的可行性与性能增益。
• 研究多跳RIS链路中的功率扩展行为与性能限制。

提出的方法

• 提出一种简化的三层夹层架构，包括顶部辐射贴片、中间基板和底部控制层，用于一比特RIS单元。
• 通过PIN二极管连接微带开路支路，实现5.8 GHz和3.4 GHz频段下1比特相位调制。
• 集成支持Wi-Fi的微控制器，通过局域网或互联网实现对多个RIS的远程网络控制。
• 开发基于云的RIS管理系统，实现配置集中化、监控与可扩展性管理。
• 开展四次实地试验：两次在真实5G网络中（包括一个配备两跳RIS的地下停车场），两次在电波消声室中进行多跳测试。
• 使用智能手机和专业工具（Cellular-Pro、Pilot Pioneer）实时采集RSRP、数据速率和信号强度测量值。

实验结果

研究问题

• RQ1 可扩展的低成本RIS架构是否能有效支持真实网络中的多RIS部署？
• RQ2 在实际场景中，远程基于云的控制对管理多个RIS的效率如何？
• RQ3 在隧道和停车场等复杂环境中，多跳RIS中继在提升信号覆盖和数据速率方面能达到何种程度？
• RQ4 RIS辅助波束成形在多跳中继链路中的功率扩展行为如何？
• RQ5 为何多跳链路中后续RIS节点的增益低于早期节点？

主要发现

• 在120米长的地下停车场中，两跳RIS部署使平均RSRP从-105.84 dBm提升至-91.87 dBm，增益约14 dB。
• 在两跳配置下，下行速率从79.63 Mbps提升至110.58 Mbps，上行速率从9.99 Mbps提升至17.54 Mbps。
• 在120米路径上，单个RIS将平均信号强度从-100 dBm提升至-80 dBm，实现20 dBm增益。
• RIS原型在峰值功耗下仅消耗0.2 W，证明了10×16一比特单元阵列的低功耗特性。
• 多跳RIS链路中，后续节点的增益逐渐减弱，表明在连续中继中信号放大的实际限制。
• 研究证实，RIS波束成形增益与单元数量成正比，支持RIS辅助系统中的功率扩展规律。