[论文解读] RIS-Aided Wireless Communications: Prototyping, Adaptive Beamforming, and Indoor/Outdoor Field Trials

Xilong Pei, Haifan Yin+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用 32

一句话总结

论文提出一个在5.8 GHz工作的1100元件RIS原型、一个基于反馈的自适应波束形成算法，以及室内/室外现场试验，显示端到端的大功率增益和在500 m距离、约1 W RIS功耗下的32 Mbps链路。

ABSTRACT

The prospects of using a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) to aid wireless communication systems have recently received much attention from academia and industry. Most papers make theoretical studies based on elementary models, while the prototyping of RIS-aided wireless communication and real-world field trials are scarce. In this paper, we describe a new RIS prototype consisting of 1100 controllable elements working at 5.8 GHz band. We propose an efficient algorithm for configuring the RIS over the air by exploiting the geometrical array properties and a practical receiver-RIS feedback link. In our indoor test, where the transmitter and receiver are separated by a 30 cm thick concrete wall, our RIS prototype provides a 26 dB power gain compared to the baseline case where the RIS is replaced by a copper plate. A 27 dB power gain was observed in the short-distance outdoor measurement. We also carried out long-distance measurements and successfully transmitted a 32 Mbps data stream over 500 m. A 1080p video was live-streamed and it only played smoothly when the RIS was utilized. The power consumption of the RIS is around 1 W. Our paper is vivid proof that the RIS is a very promising technology for future wireless communications.

研究动机与目标

• 在室内和室外环境中演示面向辅助无线通信的实用RIS原型。
• 在现实入射角下验证上行/下行信道互易性与反射相位响应。
• 开发并测试基于反馈、低复杂度的RIS波束形成算法，适合集成到现有标准中。
• 通过室内非LOS和长距离室外试验展示实际性能提升。
• 评估RIS使能的网络的实际功耗和系统集成可行性。

提出的方法

• 设计并制造一个55x20网格、在5.8 GHz工作、具有1-bit相位状态的1100元件RIS薄片，使用基于变容二极管的单元。
• 使用双变容配置对单元行为进行建模与测量，并为每个变容二极管建立简化的等效RLC电路。
• 开发一个两级RIS控制体系结构（基于FPGA的主控制器和28个移位寄存偏置），以驱动220个不同偏置信号。
• 提出一种基于码本的波束形成方法，利用2D-DFT结构F(M)⊗F(N)在1-bit量化下逼近最优相位配置。
• 提出一种贪婪型快速波束形成算法（算法1），通过RIS-UE反馈迭代性地切换行/列相位状态，在O(M+N)次迭代内最大化接收功率。
• 与基于IEEE 802.11ac的PHY系统、USRP、简单的视频载荷以及RIS反馈链路集成，实现实时调整反射系数。
• 进行室内外现场试验，测量开启RIS时的接收功率增益、数据速率（高达32 Mbps）以及视频流性能（1080p）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室内非LOS场景中，与铜板基准相比，RIS可以提供哪些端到端的功率增益？
• RQ2 在实际1-bit相移约束下，低复杂度、基于反馈的RIS波束形成算法在多大程度上改善端到端链路质量？
• RQ3 RIS使能的反射能否在室外环境中支持具有显著数据速率的远距离无线通信？
• RQ4 在真实世界原型中，RIS运行的实际功耗和硬件需求是多少（例如，1 W 消耗）？

主要发现

• 室内非LOS RIS试验对铜板基线实现了26 dB的功率增益。
• 室外短距离试验实现了高达27 dB的功率增益。
• 远距离室外测试在500 m实现了32 Mbps的数据速率。
• 只有在RIS辅助下才能实现1080p视频直播，展示了实际的服务质量增益。
• RIS原型由1100个元件组成，功耗约1 W，具有1位相位控制。
• 带有UE反馈的贪婪快速波束形成算法在O(M+N)次迭代内收敛并改善SNR。