[论文解读] RIS-Assisted Visible Light Communication Systems: A Tutorial

Sylvester Aboagye, Alain R. Ndjiongue+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2022

Optical Wireless Communication Technologies被引用 12

一句话总结

本教程全面概述了可见光通信（VLC）系统中可重构智能表面（RIS）的应用，展示了RIS如何通过动态信道重配置来缓解视 Line-of-sight（LoS）阻塞并提升系统性能。教程强调了关键设计挑战，与非正交多址接入（NOMA）和大规模多输入多输出（MIMO）等新兴技术的集成，并为RIS辅助的VLC网络提供了性能优化指导。

ABSTRACT

Recent development of the fifth-generation (5G) of cellular networks has led to their deployment worldwide. As part of the implementation, one of the challenges that must be addressed is the skip-zone problem, which occurs when objects obstruct the transmission of signals. A signal obstruction can significantly reduce the signal-to-noise ratio in radio frequency (RF) and indoor visible light communications (VLC) systems, whereas the obstruction can completely disrupt data transmission in free-space optical (FSO) systems. Therefore, the skip-zone dilemma must be resolved to ensure the efficient operation of 5G and beyond networks. In recent years, reconfigurable intelligent surfaces (RISs) that are more efficient than relays have become widely accepted as a method of mitigating skip-zones and providing reconfigurable radio environments. However, there have been limited studies on RISs for optical wireless communication (OWC) systems. This paper aims to provide a comprehensive tutorial on indoor VLC systems utilizing RISs technology. The article discusses the basics of VLC and RISs and reintroduces RISs for OWC systems, focusing on RIS-assisted indoor VLC systems. We also provide a comprehensive overview of optical RISs and examine the differences between optical RISs, RF-RISs, and optical relays. Furthermore, we discuss in detail how RISs can be used to overcome line-of-sight blockages and device orientation issue in VLC systems while revealing key challenges such as RIS element orientation design, RIS elements to access point/user assignment design, and RIS array positioning design problems that need to be studied. Moreover, we discuss and propose several research problems on integrating optical RISs with other emerging technologies and highlight other important research directions for RIS-assisted VLC systems.

研究动机与目标

• 解决由移动人员、物体或障碍物引起的可见光通信（VLC）系统中视 Line-of-sight（LoS）阻塞的严峻挑战。
• 为光学无线通信（OWC）提供关于可重构智能表面（RIS）的全面教程，重点聚焦于VLC应用。
• 区分光学RIS与射频RIS（RF-RIS）及光学中继，阐明其在VLC环境中的独特功能、优势与局限性。
• 识别并分析关键设计挑战，如RIS单元方向、用户到RIS的分配，以及阵列位置配置以实现最佳性能。
• 探索RIS辅助VLC与新兴技术（如非正交多址接入（NOMA）、物理层安全性和同时无线信息与能量传输）的集成机会。

提出的方法

• 利用超表面、镜面阵列、液晶（LCs）和微机电系统（MEMS）驱动器，介绍光学RIS的物理原理及其可重构机制。
• 对比光学RIS与RF-RIS及光学中继，强调在光域中信号反射、透射和可重构能力方面的差异。
• 建立RIS部署的优化问题，包括反射波束成形、用户关联和阵列位置配置，变量涵盖相位偏移、功率分配和空间坐标。
• 提出基于结构化优化框架的性能优化技术，包括凸松弛和迭代算法，以实现信噪比（SNR）最大化和数据速率增强。
• 将RIS集成到混合射频/可见光通信（RF/VLC）和独立VLC系统中，提出时分复用和动态聚类方法，用于双链路（上行链路/下行链路）RIS资源分配。
• 分析RIS材料（如氧化铟锡（ITO）、液晶、超表面）及其光学特性——折射率、双折射率、温度敏感性及电压需求——这些特性对系统设计和长期可靠性至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何有效部署RIS以克服室内可见光通信（VLC）系统中的视 Line-of-sight（LoS）阻塞？
• RQ2 在功能、性能和部署约束方面，光学RIS、RF-RIS和光学中继在VLC环境中的关键差异是什么？
• RQ3 在RIS辅助的VLC系统中，RIS单元方向、用户到RIS的分配以及阵列位置的最优设计策略是什么？
• RQ4 如何将RIS与非正交多址接入（NOMA）、大规模MIMO（MIMO）和物理层安全技术集成，以提升VLC系统性能？
• RQ5 在实际VLC部署中，RIS材料选择中的关键挑战是什么，包括光学特性、调谐机制和长期可靠性？

主要发现

• 通过动态重配置无线传播环境以克服LoS阻塞，RIS可显著提升VLC系统中的数据速率和系统可靠性。
• 优化的RIS部署，包括合理的阵列位置和用户分配，可降低系统复杂度并提升RIS辅助VLC网络的频谱效率。
• 在信道重配置能力和能量效率方面，光学RIS优于传统中继，为未来B5G和6G网络提供了更具可扩展性的解决方案。
• 将RIS与NOMA和MIMO技术结合，可实现更高的频谱效率并改善多用户VLC系统中的公平性。
• 折射率、双折射率和电压需求等材料特性对RIS性能具有决定性影响，必须在实际部署中仔细优化。
• 在不同环境条件下，对超表面和基于液晶的RIS在光波段的噪声、吸收和透射特性建模方面仍存在显著的研究空白。