[论文解读] On the Enabling of Multi-receiver Communications with Reconfigurable Intelligent Surfaces

Hamidreza Taghvaee, Akshay Jain+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 52被引用 25

一句话总结

本文提出一种仅相位可重构智能表面（RIS）技术，用于多接收端毫米波通信，实现无需幅度调节的独立波束成形。在室内办公室场景中，吞吐量最高达2 Gbps，在城市微小区场景中，每位用户吞吐量超过0.5 Gbps，相较于幅度-相位方法，在8个用户情况下提升0.8 Gbps，得益于更低的硬件复杂度和损耗。

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface is a promising technology for the manipulation and control of wireless electromagnetic signals. In particular, it has the potential to provide significant performance improvements for wireless networks. However, to do so, a proper reconfiguration of the reflection coefficients of unit cells is required, which often leads to complex and expensive devices. To amortize the cost, one may share the system resources among multiple transmitters and receivers. In this paper, we propose an efficient reconfiguration technique providing control over multiple beams independently. Compared to time-consuming optimization techniques, the proposed strategy utilizes an analytical method to configure the surface for multi-beam radiation. This method is easy to implement, effective and efficient since it only requires phase reconfiguration. We analyze the performance for indoor and outdoor scenarios, given the broadcast mode of operation. The aforesaid scenarios encompass some of the most challenging scenarios that wireless networks encounter. We show that our proposed technique provisions sufficient improvements in the observed channel capacity when the receivers are close to the surface in the indoor office environment scenario. Further, we report a considerable increase in the system throughput given the outdoor environment.

研究动机与目标

• 解决RIS系统在多波束应用中需要同时控制幅度和相位所带来的高成本与高复杂度问题。
• 仅通过RIS单元的相位重配置，实现高效、低复杂度的毫米波频段多接收端通信。
• 在具有挑战性的室内和城市视 Line-of-Sight（LoS）与非视 Line-of-Sight（NLoS）环境 中，提升系统吞吐量与信道容量。
• 证明仅相位RIS重配置可实现与幅度-相位控制相当或更优的性能，同时降低硬件开销。
• 在广播/多播传输模式下，于真实的室内办公室与城市微小区（UMi）场景中验证该方法。

提出的方法

• 提出一种分析型仅相位波束成形方法，通过RIS控制多个独立波束，避免复杂的幅度调节。
• 基于傅里叶变换原理建立数学模型，推导出生成所需多波束辐射图样的相位分布。
• 将该方法应用于固定基站与移动用户场景，覆盖室内（28 GHz，30 dBi增益）与室外（3.55 GHz，17 dBi增益）两种环境。
• 采用实际路径损耗指数建模（如LoS为1.7，NLoS为3.8），计算不同用户距离RIS时的信噪比（SNR）与吞吐量。
• 从总吞吐量与每用户吞吐量角度，对比该方法与幅度-相位RIS及直接传输（MCBS/SCBS）的性能表现。
• 通过仿真验证结果，用户数量为8人，距离RIS 3–7米，在两种环境下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅相位RIS重配置是否可在无需幅度调节的情况下，实现对多个接收端的有效多波束控制？
• RQ2 与幅度-相位RIS相比，仅相位RIS波束成形在系统吞吐量与每用户数据速率方面表现如何？
• RQ3 在广播/多播操作下，RIS在室内办公室与城市微小区（UMi）环境中带来的性能增益如何？
• RQ4 用户距离RIS的远近如何影响室内与室外场景下的信噪比（SNR）与吞吐量？
• RQ5 RIS在毫米波通信中，对NLoS遮挡与路径损耗的补偿能力如何？

主要发现

• 所提出的仅相位RIS配置在8个用户的室内办公室场景中，总吞吐量最高达2 Gbps，每位用户约0.33 Gbps。
• 在8个用户情况下，仅相位方法相比幅度-相位方法总吞吐量提升0.8 Gbps，展现出显著性能增益。
• 在UMi场景中，RIS系统为每位用户提供超过0.5 Gbps的速率，而直接MCBS传输因NLoS遮挡导致吞吐量可忽略不计。
• 当用户距离RIS 1–2米时，其数据速率至少达到0.5 Gbps，室内场景下峰值可达约2.2 Gbps。
• 在UMi环境中，7个用户时，RIS系统相比直接MCBS通信，信道容量提升一个数量级以上。
• 随着用户距离RIS增加，SNR显著下降，证实RIS在短距离、近距离用户部署中效果最佳。