[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface: Power Consumption Modeling and Practical Measurement Validation

Jinghe Wang, Wankai Tang+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 14

一句话总结

本文通过将可重构智能表面（RIS）硬件分解为FPGA控制板、驱动电路和单元结构，提出了一种实用的功耗模型，并在PIN二极管、变容二极管和射频开关型RIS等多种类型上进行了验证。关键贡献在于提出了一种经验证的、基于组件的功耗模型，表明单元结构功耗显著受控制方式和编码影响，从而可在RIS辅助系统中实现精确的能效优化。

ABSTRACT

The reconfigurable intelligent surface (RIS) has received a lot of interest because of its capacity to reconfigure the wireless communication environment in a cost- and energy-efficient way. However, the realistic power consumption modeling and measurement validation of RIS has received far too little attention. Therefore, in this work, we model the power consumption of RIS and conduct measurement validations using various RISs to fill this vacancy. Firstly, we propose a practical power consumption model of RIS. The RIS hardware is divided into three basic parts: the FPGA control board, the drive circuits, and the RIS unit cells. The power consumption of the first two parts is modeled as $P_{ ext {static}}$ and that of the last part is modeled as $P_{ ext {units}}$. Expressions of $P_{ ext {static}}$ and $P_{ ext {units}}$ vary amongst different types of RISs. Secondly, we conduct measurements on various RISs to validate the proposed model. Five different RISs including the PIN diode, varactor diode, and RF switch types are measured, and measurement results validate the generality and applicability of the proposed power consumption model of RIS. Finally, we summarize the measurement results and discuss the approaches to achieve the low-power-consumption design of RIS-assisted wireless communication systems.

研究动机与目标

• 解决实际系统中RIS硬件缺乏真实功耗建模与测量验证的问题。
• 识别并量化RIS三大核心组件（FPGA控制板、驱动电路、单元结构）的功耗贡献。
• 通过实测数据在多种RIS类型（PIN二极管、变容二极管、射频开关）上验证所提模型。
• 基于实测功耗特性，为低功耗RIS辅助无线通信系统提供设计指导。
• 通过区分不同RIS技术中静态功耗（P_static）与动态单元结构功耗（P_units），实现精确的能效优化。

提出的方法

• 将RIS功耗建模为来自FPGA控制板和驱动电路的静态功耗（P_static）与来自RIS单元结构的动态功耗（P_units）之和。
• 将P_static定义为FPGA板为恒定值，驱动电路为可变值，其大小取决于控制信号数量及其自身功耗。
• 基于活动单元结构数量、其控制状态（开/关）以及可重构元件类型（PIN二极管、变容二极管、射频开关）来建模P_units。
• 推导出P_units的显式公式：对于PIN二极管，其取决于比特分辨率和极化模式；对于变容二极管，其可忽略不计；对于射频开关，其与单元结构数量成线性关系。
• 在五种不同类型的RIS原型（PIN型、变容型、射频开关型）上，通过多种配置进行实测，以验证模型。
• 利用实测数据校准并验证理论模型，确立各类RIS中P_static和P_units的典型取值。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同类型的可重构元件（PIN二极管、变容二极管、射频开关）的RIS功耗如何变化？
• RQ2 RIS单元结构编码（如比特分辨率、开/关状态）与功耗之间的定量关系是什么？
• RQ3 控制板和驱动电路在不同RIS架构中的总功耗预算中分别起到何种贡献？
• RQ4 所提模型在多种RIS实现中预测真实功耗的能力有多高？
• RQ5 在变容二极管型RIS中，主要功耗因素是什么？控制自由度（控制组数量）如何影响其功耗？

主要发现

• FPGA控制板的功耗在所有RIS配置中保持恒定，是P_static的固定组成部分。
• 驱动电路的功耗显著受控制信号数量影响，在变容二极管型RIS中最高，因其需生成复杂相位。
• 对于PIN二极管型RIS，P_units随设为“1”（开启状态）的单元结构数量增加而上升，且对比特分辨率和极化模式敏感。
• 在变容二极管型RIS中，P_units接近于零，但当控制自由度从10降低至1（如从列控制变为全局控制）时，P_total_drive_circuits可降低一个数量级。
• 射频开关型RIS展现出最低的整体功耗，其驱动电路和单元结构功耗均较低，因而具有极高的能效。
• 实测结果证实了该模型在所有RIS类型中的准确性，模型成功捕捉了波束成形设计中频谱效率与能效之间的权衡。