[论文解读] Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces: How it Works, State of Research, and Road Ahead

Marco Di Renzo, Alessio Zappone+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 307被引用 3,052

一句话总结

本文将可重构智能表面（RIS）引入为智能无线电环境（SREs）的变革性技术，通过编程调控电磁波实现对无线传播的动态控制。该研究将通信理论与电磁学统一，提出基于物理的RIS建模方法，并识别出6G网络中的关键研究挑战。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are an emerging transmission technology for application to wireless communications. RISs can be realized in different ways, which include (i) large arrays of inexpensive antennas that are usually spaced half of the wavelength apart; and (ii) metamaterial-based planar or conformal large surfaces whose scattering elements have sizes and inter-distances much smaller than the wavelength. Compared with other transmission technologies, e.g., phased arrays, multi-antenna transmitters, and relays, RISs require the largest number of scattering elements, but each of them needs to be backed by the fewest and least costly components. Also, no power amplifiers are usually needed. For these reasons, RISs constitute a promising software-defined architecture that can be realized at reduced cost, size, weight, and power (C-SWaP design), and are regarded as an enabling technology for realizing the emerging concept of smart radio environments (SREs). In this paper, we (i) introduce the emerging research field of RIS-empowered SREs; (ii) overview the most suitable applications of RISs in wireless networks; (iii) present an electromagnetic-based communication-theoretic framework for analyzing and optimizing metamaterial-based RISs; (iv) provide a comprehensive overview of the current state of research; and (v) discuss the most important research issues to tackle. Owing to the interdisciplinary essence of RIS-empowered SREs, finally, we put forth the need of reconciling and reuniting C. E. Shannon’s mathematical theory of communication with G. Green’s and J. C. Maxwell’s mathematical theories of electromagnetism for appropriately modeling, analyzing, optimizing, and deploying future wireless networks empowered by RISs.

研究动机与目标

• 建立由可重构智能表面（RIS）赋能的智能无线电环境（SREs）的基础原理，作为对传统无线网络的范式转变。
• 弥合C.E.香农的通信数学理论与G.格林及J.C.麦克斯韦的电磁学数学理论之间的鸿沟。
• 提供基于物理的超表面与RIS模型，准确描述其在无线系统中对电磁波的调控能力。
• 综述当前关于RIS赋能SREs的研究现状，并识别未来发展的关键开放挑战。
• 通过分析与计算建模技术，提供将RIS集成到无线网络中的实用指导。

提出的方法

• 提出一个统一框架，将通信理论模型与电磁波理论相结合，用于建模无线信道中RIS的行为。
• 引入RIS作为一层薄而可编程的表面，可通过外部控制信号重新配置无线电波的反射或透射特性。
• 采用源自超表面理论的广义反射与折射定律，用于建模远场与近场区域的波前整形。
• 利用增强有超表面散射模型的射线追踪与系统级仿真器，评估在真实城市与室内环境中的性能。
• 采用随机几何及其衍生模型分析大规模网络中RIS的部署，以评估覆盖范围与能量效率。
• 探索通信之外的应用，如利用电大尺寸RIS的聚焦能力实现高精度无线电定位与测绘。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将无线传播环境从被动且不可控的介质转变为可编程、智能的表面？
• RQ2 可重构智能表面（RIS）运行的基本物理原理是什么？如何对其进行数学建模？
• RQ3 如何调和香农的信息论与麦克斯韦的电磁学理论，以实现对智能无线电波的控制？
• RQ4 在真实世界的大规模部署中，RIS赋能的智能无线电环境在性能增益与局限性方面如何？
• RQ5 在近场通信、定位与系统级集成方面，RIS应用面临的关键挑战是什么？

主要发现

• 通过动态控制无线电波传播，RIS可显著提升频谱效率与能量效率，降低干扰并提高信号可靠性。
• 将超表面集成到无线网络中，可实现波束成形、波前整形与智能多径利用等新能力。
• 当前系统级仿真器缺乏对超表面散射模型的支持，导致性能评估与部署规划中存在关键缺口。
• 大尺寸RIS的近场操作为高增益聚焦与高精度定位提供了新机遇，但现有文献对此仍研究不足。
• 大规模部署RIS需要新的分析框架，以确定城市与工业环境中覆盖与能量效率最优的密度与部署位置。
• 除通信外，RIS在无线电测绘与定位方面也展现出潜力，预示其在智能无线环境中具有更广泛的角色。