[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces for 6G Systems: Principles, Applications, and Research Directions

Cunhua Pan, Hong Ren+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 42

一句话总结

本文综述面向6G的可重构智能表面（RIS/IRS），详细介绍RIS是什么、其体系结构及潜在应用，并概述关键挑战与八个未来研究方向。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) or intelligent reflecting surfaces (IRSs), are regarded as one of the most promising and revolutionizing techniques for enhancing the spectrum and/or energy efficiency of wireless systems. These devices are capable of reconfiguring the wireless propagation environment by carefully tuning the phase shifts of a large number of low-cost passive reflecting elements. In this article, we aim for answering four fundmental questions: 1) Why do we need RISs? 2) What is an RIS? 3) What are RIS's applications? 4) What are the relevant challenges and future research directions? In response, eight promising research directions are pointed out.

研究动机与目标

• 解释在超越5G/6G的无线系统中为何需要RIS。
• 界定RIS是什么以及它如何工作。
• 在新兴无线范式中识别并归类RIS的应用。
• 突出挑战并提出八个前瞻性研究方向以指导未来工作。

提出的方法

• 描述RIS的体系结构和硬件实现（基于天线阵列与基于超表面的对比）。
• 通过反射元件的相位移控制实现无源波束形成及其对CSI的依赖进行解释。
• 调查RIS使能的应用，涵盖毫米波、MEC、SWIPT、NOMA、组播、物理层安全（PLS）、认知无线（CR）以及其他6G用例。
• 给出一个案例研究，将RIS辅助的多小区MIMO性能与基准方案进行比较。
• 概述八个研究方向，涵盖信道估计、鲁棒设计、分布式算法、FDD/THz相关考量、移动性、部署，以及基于AI的优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在6G网络中为何需要RIS？
• RQ2 RIS是什么以及它在无线环境中如何工作？
• RQ3 RIS在未来无线系统中能够使哪些应用成为现实？
• RQ4 RIS在6G中的主要挑战与研究方向是什么？
• RQ5 在代表性场景中，RIS的性能与非RIS基准相比如何？

主要发现

• RIS可以通过调整大量被动元件的相位移来重新配置传播环境，从而创建有利或抑制的路径。
• RIS在毫米波和THz系统中具有潜在收益，可缓解阻塞和覆盖范围受限的问题。
• 案例研究表明，在正确配置时，RIS辅助的多小区MIMO在加权和速率方面可超越基准。
• RIS在SWIPT、MEC延迟降低、NOMA信道成型、组播以及物理层安全等方面具有应用潜力。
• 识别出八个研究方向，包括信道估计、不完美CSI、分布式算法、FDD/THz部署、移动性、部署策略，以及基于AI的优化。