Practical RIS Gain without the Pain via Randomization and Opportunistic Scheduling in 5G~NR Wireless Systems: Theory and Experiments

Résumé technique : Gain pratique des surfaces intelligentes reconfigurables sans complexité grâce à la randomisation et à la planification opportuniste dans les systèmes sans fil 5G NR

Énoncé du problème
Les surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) offrent une voie prometteuse pour améliorer la puissance du signal, la couverture et le débit dans les systèmes au-delà de la 5G en contrôlant les environnements de propagation sans fil. Cependant, les systèmes assistés par RIS conventionnels reposent généralement sur une estimation explicite de l'état du canal (CSI) suivie d'une optimisation complexe des configurations de phase du RIS afin de maximiser le rapport signal sur bruit (SNR). Dans les environnements pratiques multi-utilisateurs de la nouvelle radio 5G (NR), cette approche engendre une surcharge significative en termes d'estimation de canal, de complexité de calcul et de signalisation de contrôle. De plus, l'intégration de conceptions de RIS basées sur l'optimisation dans la pile de protocoles 5G NR — en tenant spécifiquement compte de la remontée d'état du canal (CSI), de la sélection du schéma de modulation et de codage (MCS) et de la planification d'accès au support (MAC) — peut considérablement réduire les gains théoriques de telles conceptions. Il existe un besoin critique de stratégies RIS qui exploitent les propriétés de réflexion sans nécessiter l'acquisition explicite de CSI ni l'optimisation de phase en temps réel.

Méthodologie
Ce travail propose et valide une approche à faible complexité où les états de phase du RIS sont commutés aléatoirement parmi des configurations prédéfinies, indépendamment du CSI instantané. Les fluctuations de canal résultantes sont exploitées de manière opportuniste par le mécanisme de planification proportionnellement équitable (PF) inhérent à la 5G NR.

1. Architecture du système : Les auteurs ont développé un banc d'essai 5G NR de bout en bout intégrant la pile logicielle OpenAirInterface (OAI) avec un RIS personnalisé construit en interne. Le RIS est un réseau planaire uniforme 32×32 (1024 éléments) fonctionnant à 5 GHz avec une bande passante de 300 MHz, utilisant des diodes PIN à un bit pour la commutation de phase. Le banc d'essai utilise des USRP B210 comme unités radio et fonctionne en mode duplex par répartition dans le temps (TDD) avec une bande passante de 40 MHz.
2. Stratégie de randomisation : Au lieu d'optimiser les phases pour des utilisateurs spécifiques, le RIS sélectionne aléatoirement des vecteurs de phase à partir d'une distribution d'échantillonnage prédéfinie dérivée des directions angulaires des équipements utilisateur (UE). La configuration du RIS reste fixe pendant un intervalle de commutation $T_s$ avant de passer à un nouvel état aléatoire.
3. Planification opportuniste : La station de base 5G (gNB) utilise un planificateur PF. Le planificateur sélectionne l'UE ayant la métrique PF la plus élevée (débit instantané divisé par le débit moyen à long terme) pour la transmission. La moyenne à long terme est mise à jour à l'aide d'une moyenne mobile pondérée exponentiellement (EWMA) avec une taille de fenêtre $T_c$. L'hypothèse centrale est que la commutation aléatoire du RIS crée des variations de canal que le planificateur PF peut exploiter pour sélectionner des utilisateurs ayant des conditions instantanées favorables, récoltant ainsi les gains du RIS sans coordination explicite.
4. Cadre théorique : Les auteurs ont développé un modèle théorique caractérisant l'interaction entre la dynamique de commutation du RIS et la planification PF. Ils ont analysé la convergence du débit du système à mesure que la fenêtre PF $T_c$ augmente et ont dérivé des lignes directrices de conception pour sélectionner $T_s$ et $T_c$ afin de maximiser le débit.
5. Validation expérimentale : Des expériences ont été menées avec deux UE dans un environnement intérieur où le trajet direct en visibilité directe était bloqué. L'étude a évalué la puissance reçue du signal de référence (RSRP), le taux d'erreur de bloc (BLER), l'indice MCS et le débit sous divers intervalles de commutation RIS ($T_s$) et fenêtres de moyennage PF ($T_c$).

Contributions clés

1. Banc d'essai de bout en bout : Le développement et la démonstration d'un système 5G NR en temps réel et en transmission hertzienne (OTA) intégrant un gNB basé sur OAI et un RIS physiquement construit, quantifiant les gains de performance dans un environnement de pile de protocoles réaliste.
2. Convergence théorique : Preuve analytique (Théorème 1) démontrant que, lorsque la fenêtre de planification PF $T_c$ devient grande, le débit à long terme d'un système avec un RIS configuré aléatoirement converge vers le débit atteint par un RIS optimisé sous une planification Round-Robin (RR).
3. Lignes directrices de conception : Déduction analytique (Théorème 2) établissant la relation entre la fenêtre PF $T_c$, l'intervalle de commutation RIS $T_s$, le nombre d'UE et le nombre d'états RIS. L'analyse montre que $T_c$ ne doit croître que logarithmiquement avec le nombre d'UE et d'états RIS pour atteindre un débit quasi optimal.
4. Vérification expérimentale : Démonstration empirique qu'un RIS réglé aléatoirement, lorsqu'il est couplé à une planification PF, atteint des performances (RSRP, BLER, MCS, débit) comparables aux conceptions de RIS optimisées, sans la surcharge d'acquisition de CSI ni d'optimisation de phase.
5. Robustesse à la localisation des UE : Preuve expérimentale montrant que même avec des emplacements d'UE arbitraires (non nécessairement alignés avec les directions de formation de faisceau du RIS), le système RIS randomisé surpasse considérablement un système sans RIS.

Résultats

• Gains de performance : Dans les scénarios à un seul UE, le RIS a fourni une augmentation de 10 à 13 dB du RSRP (une augmentation de puissance supérieure à 10×), entraînant une augmentation du débit de ~26 Mbps (sans RIS) à ~53 Mbps (avec RIS).
• Comparaison des débits : Dans les scénarios de planification multi-UE, le RIS randomisé avec planification PF a atteint des niveaux de débit s'approchant de la référence « aidée par un génie » (RIS optimisé avec planification RR). Plus précisément, avec une fenêtre PF $T_c = 10$ s et un intervalle de commutation RIS $T_s = 5$ s, le système a atteint un débit agrégé d'environ 52 Mbps, surpassant significativement la référence sans RIS (26 Mbps) et la planification Round-Robin avec RIS aléatoire (40-48 Mbps).
• Sensibilité aux paramètres : Les expériences ont confirmé qu'un intervalle de commutation RIS intermédiaire ($T_s \approx 5-9$ s) produit le meilleur débit. Si $T_s$ est trop grand, le système ne parvient pas à explorer les états RIS dans la fenêtre de moyennage ; si $T_s$ est trop petit, il n'y a pas assez de temps pour que l'adaptation MCS se stabilise avant que le RIS ne se reconfigure.
• Équité : Malgré le caractère opportuniste de la planification, le système a maintenu une équité à long terme, les UE recevant des créneaux temporels à peu près égaux sur la durée de l'expérience.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'intégration d'un RIS dans les systèmes 5G ne nécessite pas nécessairement une complexité substantielle ni une optimisation explicite de CSI. L'essentiel à retenir est que l'opération randomisée du RIS, combinée aux mécanismes de planification opportuniste natifs de la 5G NR, suffit à fournir la majeure partie des gains de performance couramment attribués aux conceptions de RIS basées sur l'optimisation.

Cette approche offre une voie pratique et évolutive pour le déploiement réel des RIS car :

• Elle élimine la surcharge de l'acquisition explicite de CSI et de l'optimisation de phase.
• Elle ne nécessite aucune coordination entre le RIS et le système 5G NR.
• Elle exploite l'infrastructure existante de planification 5G NR (planificateur PF) pour récolter les bénéfices du RIS.
• Elle apporte des améliorations de performance significatives même lorsque les emplacements des UE sont arbitraires et non parfaitement alignés avec les directions de formation de faisceau du RIS.

Les auteurs concluent que, bien que leurs expériences aient été menées dans une configuration spécifique en intérieur à deux utilisateurs, le concept s'étend aux systèmes pratiques multi-antennes avec un plus grand nombre d'utilisateurs, présentant une alternative viable aux stratégies de RIS complexes basées sur l'optimisation.