[论文解读] Transmissive RIS for 6G Communications: Design, Prototyping, and Experimental Demonstrations

Junwen Tang, Mingyao Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2022

Advanced Antenna and Metasurface Technologies被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种用于6G通信的2比特透射式可重构智能表面（RIS），采用90°数字移相器与电流可逆偶极子，实现低插入损耗的全360°相位控制。16×16原型在27 GHz频段实现22.0 dBi端射增益，实验验证了8.2 dB的发射功率降低、障碍物穿透能力以及最高±60°的波束赋形，支持更高数据速率并能动态适应信号方向。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) has been widely considered as a key technique to improve spectral efficiency for 6G communications. Compared with most existing research that only focuses on the reflective RIS, the design and prototyping of a novel transmissive RIS are presented in this paper, and its enhancement to the RIS-aided communication system is experimentally demonstrated. The 2-bit transmissive RIS element utilizes the penetration structure, which combines a 1-bit current reversible dipole and a 90° digital phase shifter based on a quadrature hybrid coupler. A transmissive RIS prototype with 16$ imes$16 elements is designed, fabricated, and measured to verify the proposed design. The measured phase shift and insertion loss of the RIS element validate the 2-bit phase modulation capability. Being illuminated by a horn feed, the prototype achieves a maximum broadside gain of 22.0 dBi at 27 GHz, and the two-dimensional beamforming capability with scan angles up to $\pm$60° is validated. The experimental results of the RIS-aided communication system verify that by introducing the extra gain and beam steering capability, the transmissive RIS is able to achieve a higher data rate, reduce the transmit power, improve the transmission capability through obstacles, and dynamically adapt to the signal propagation direction.

研究动机与目标

• 为解决反射式RIS的覆盖限制，提出一种透射式RIS，实现障碍物后的通信及非对称拓扑结构下的通信能力。
• 通过引入2比特相位控制机制，克服现有透射式RIS设计中插入损耗高和相位分辨率有限的问题。
• 设计、制作原型并实验验证一种采用90°数字移相器与电流可逆偶极子的16×16透射式RIS，具备2比特相位分辨率。
• 展示RIS辅助系统在实际场景中提升数据速率、降低发射功率、克服信号阻塞以及实现动态波束赋形的能力。

提出的方法

• 2比特透射式RIS单元采用1比特电流可逆偶极子与基于正交混合耦合器的90°数字移相器结合，实现四个稳定相位状态。
• 90°数字移相器通过两个PIN二极管在两个正交输出之间切换，实现0°、90°、180°和270°相移。
• 采用2.5-D穿通结构，将组件在传播方向上垂直堆叠，减小平面面积，实现16×16单元的高密度集成。
• 原型采用多层印刷电路板（PCB）技术制造，每个单元集成DC/RF偏置电路。
• 通过动态控制阵列中各单元的相位偏移实现波束赋形，实现方位角±60°范围内的波束赋形。
• 在电波暗室中通过喇叭馈源与软件定义无线电（SDR）开展系统级实验，评估数据速率、功率降低及障碍物处理能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 2比特透射式RIS是否能在毫米波频段实现全360°相位控制，同时具备低插入损耗和高增益？
• RQ2 透射式RIS在RIS辅助通信系统中如何提升频谱效率并降低发射功率？
• RQ3 透射式RIS在多大程度上可克服由大理石等障碍物引起的信号阻塞？
• RQ4 透射式RIS是否能动态波束赋形以适应变化的信号入射角？
• RQ5 在真实实验条件下，系统可实现的数据速率与阵列增益是多少？

主要发现

• 2比特透射式RIS原型在27.0 GHz频点实现最大端射增益22.0 dBi，证实了有效的波束赋形与高方向性。
• RIS将发射功率降低8.2 dB（从13.6 dBm降至5.4 dBm），在维持1121 Mbps数据速率的同时，与实测9.3 dB阵列增益一致。
• 当直接视距路径被大理石阻挡时，透射式RIS成功恢复1683 Mbps链路，证明其具备障碍物穿透能力。
• 实验验证了最高±60°的波束赋形能力，在30°入射角下通过波束扫描将数据速率恢复至1683 Mbps。
• 系统采用16-QAM调制实现最大支持数据速率1683 Mbps，证实了高谱效率。
• RIS单元的实测插入损耗较低，支持2比特相位控制且性能损耗最小化。