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

तकनीकी सारांश: रैंडमाइजेशन और ऑपर्चुनिस्टिक शेड्यूलिंग के माध्यम से 5G NR वायरलेस सिस्टम में व्यावहारिक RIS लाभ प्राप्त करना

समस्या विवरण
रीकॉन्फ़िगेरेबल इंटेलिजेंट सरफेसेस (RISs) संचार वातावरण को नियंत्रित करके बीयॉन्ड-5G (beyond-5G) प्रणालियों में सिग्नल स्ट्रेंथ, कवरेज और थ्रूपुट को बढ़ाने का एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं। हालाँकि, पारंपरिक RIS-असिस्टेड सिस्टम आमतौर पर सिग्नल-टू-नॉइज़ रेशियो (SNR) को अधिकतम करने के लिए स्पष्ट चैनल स्टेट इंफॉर्मेशन (CSI) अनुमान और जटिल अनुकूलन (optimization) पर निर्भर करते हैं। व्यावहारिक मल्टी-यूजर 5G न्यू रेडियो (NR) वातावरण में, यह दृष्टिकोण चैनल अनुमान, कम्प्यूटेशनल जटिलता और कंट्रोल सिग्नलिंग में महत्वपूर्ण ओवरहेड उत्पन्न करता है। इसके अलावा, CSI रिपोर्टिंग, मॉड्यूलेशन एंड कोडिंग स्कीम (MCS) चयन और मीडियम एक्सेस कंट्रोल (MAC) शेड्यूलिंग को ध्यान में रखते हुए—विशेष रूप से 5G NR प्रोटोकॉल स्टैक में—अनुकूलन-आधारित RIS डिजाइनों को एकीकृत करने से उनके सैद्धांतिक लाभ काफी कम हो सकते हैं। एक ऐसी RIS रणनीति की तत्काल आवश्यकता है जो वास्तविक CSI अधिग्रहण या रियल-टाइम फेज ऑप्टिमाइज़ेशन की आवश्यकता के बिना रिफ्लेक्टिविटी गुणों का लाभ उठा सके।

कार्यप्रणाली
यह कार्य एक निम्न-जटिलता वाले दृष्टिकोण का प्रस्ताव और सत्यापन करता है जहाँ RIS फेज अवस्थाओं को पूर्वनिर्धारित कॉन्फ़िगरेशन के बीच रैंडमली (यादृच्छिक रूप से) स्विच किया जाता है, जो तात्कालिक CSI से स्वतंत्र है। इसके परिणामस्वरूप होने वाले चैनल उतार-चढ़ाव का लाभ 5G NR में अंतर्निहित प्रोपोर्शनल फेयर (PF) शेड्यूलिंग तंत्र द्वारा अवसरवादी (opportunistically) रूप से उठाया जाता है।

1. सिस्टम आर्किटेक्चर: लेखकों ने एक एंड-टू-एंड 5G NR टेस्टबेड विकसित किया है जो ओपनएयरइंटरफेस (OAI) सॉफ्टवेयर स्टैक को एक कस्टम-निर्मित, इन-हाउस RIS के साथ एकीकृत करता है। उपयोग किया गया RIS एक 32×32 यूनिफॉर्म प्लानर एरे (1024 तत्व) है जो 5 GHz पर 300 MHz बैंडविड्थ के साथ संचालित होता है, और फेज स्विचिंग के लिए वन-बिट PIN डायोड का उपयोग करता है। टेस्टबेड USRP B210s का उपयोग करता है और टाइम-डिवीजन डुप्लेक्स (TDD) मोड में 40 MHz बैंडविड्थ के साथ संचालित होता है।
2. रैंडमाइजेशन रणनीति: यूज़र्स (UEs) के लिए विशिष्ट फेज वेक्टर्स को अनुकूलित करने के बजाय, RIS यू sense (UEs) के कोणीय दिशाओं से प्राप्त एक पूर्वनिर्धारित सैंपलिंग डिस्ट्रीब्यूशन से फेज वेक्टर्स को रैंडमली चुनता है। RIS कॉन्फ़िगरेशन एक स्विचिंग इंटरवल $T_s$ के लिए एक नए रैंडम स्टेट में स्विच होने से पहले स्थिर रहता है।
3. ऑपर्चुनिस्टिक शेड्यूलिंग: 5G बेस स्टेशन (gNB) एक PF शेड्यूलर का उपयोग करता है। शेड्यूलर उस UE को चुनता है जिसमें उच्चतम PF मेट्रिक (तात्कालिक थ्रूपुट विभाजित तात्कालिक औसत थ्रूपुट द्वारा) होता है। लॉन्ग-टर्म एवरेज को एक एक्सपोनेंशियलली वेटेड मूविंग एवरेज (EWMA) का उपयोग करके अपडेट किया जाता है जिसका विंडो साइज $T_c$ है। मुख्य परिकल्पना यह है कि रैंडम RIS स्विचिंग उन चैनल विविधताओं को पैदा करती है जिनका लाभ PF शेड्यूलर अनुकूल तात्कालिक स्थितियों वाले उपयोगकर्ताओं को चुनने के लिए उठा सकता है, जिससे बिना किसी स्पष्ट समन्वय के RIS लाभ प्राप्त किया जा सके।
4. सैद्धांतिक ढांचा: लेखकों ने RIS स्विचिंग डायनेमिक्स और PF शेड्यूलिंग के बीच परस्पर क्रिया को चरित्रित करने वाला एक सैद्धांतिक मॉडल विकसित किया है। उन्होंने विश्लेषण किया कि जैसे-जैसे PF विंडो $T_c$ बढ़ता है, सिस्टम थ्रूपुट कैसे कन्वर्ज (अभिसरण) होता है और थ्रूपुट को अधिकतम करने के लिए $T_s$ और $T_c$ चुनने के लिए डिजाइन गाइडलाइन्स निकाली हैं।
5. प्रायोगिक सत्यापन: एक इनडोर वातावरण में दो UEs के साथ प्रयोग किए गए जहाँ डायरेक्ट लाइन-ऑफ-साइट पाथ ब्लॉक था। अध्ययन ने विभिन्न RIS स्विचिंग इंटरवल ($T_s$) और PF एवरेजिंग विंडोज ($T_c$) के तहत रेफरेंस सिग्नल रिसीव्ड पावर (RSRP), ब्लॉक एरर रेट (BLER), MCS इंडेक्स और थ्रूपुट का मूल्यांकन किया।

प्रमुख योगदान

1. एंड-टू-एंड टेस्टबेड: एक वास्तविक-समय, ओवर-द-एयर (OTA) 5G NR सिस्टम का विकास और प्रदर्शन, जो एक OAI-आधारित gNB और एक भौतिक रूप से निर्मित RIS को एकीकृत करता है, जो एक वास्तविक प्रोटोकॉल स्टैक वातावरण में प्रदर्शन लाभों को मापता है।
2. सैद्धांतिक अभिसरण (Convergence): एक विश्लेषणात्मक प्रमाण (थ्योरम 1) जो यह प्रदर्शित करता है कि जैसे-जैसे PF शेड्यूलिंग विंडो $T_c$ बड़ा होता जाता है, रैंडमली कॉन्फ़िगर किए गए RIS वाले सिस्टम का लॉन्ग-टर्म थ्रूपुट राउंड-रॉबिन (RR) शेड्यूलिंग के तहत अनुकूलित RIS द्वारा प्राप्त थ्रूपुट के बराबर हो जाता है।
3. डिजाइन गाइडलाइन्स: एक विश्लेषणात्मक व्युत्पत्ति (थ्योरम 2) जो PF विंडो $T_c$, RIS स्विचिंग इंटरवल $T_s$, UEs की संख्या और RIS अवस्थाओं की संख्या के बीच संबंध स्थापित करती है। विश्लेषण दिखाता है कि लगभग-इष्टतम (near-optimal) थ्रूपुट प्राप्त करने के लिए $T_c$ को केवल UEs और RIS अवस्थाओं की संख्या के लॉगरिदमिक रूप से स्केल होना चाहिए।
4. प्रायोगिक सत्यापन: एक प्रायोगिक प्रदर्शन कि एक रैंडमली ट्यून किया गया RIS, जब PF शेड्यूलिंग के साथ जोड़ा जाता है, तो स्पष्ट CSI अधिग्रहण या फेज ऑप्टिमाइज़ेशन के ओवरहेड के बिना, अनुकूलित RIS डिजाइनों के समकक्ष प्रदर्शन (RSRP, BLER, MCS, थ्रूपुट) प्राप्त करता है।
5. UE लोकेशन के प्रति मजबूती: प्रायोगिक साक्ष्य जो दिखाते हैं कि भले ही UE की स्थिति मनमानी हो (ज़रूरी नहीं कि RIS बीमफॉर्मिंग दिशाओं के साथ संरेखित हो), रैंडम RIS सिस्टम बिना RIS वाले सिस्टम की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है।

परिणाम

• प्रदर्शन लाभ: सिंगल-UE परिदृश्यों में, RIS ने RSRP में 10-13 dB की वृद्धि प्रदान की (एक >10× पावर वृद्धि), जिसके परिणामस्वरूप थ्रूपुट ~26 Mbps (बिना RIS के) से बढ़कर ~53 Mbps (RIS के साथ) हो गया।
• थ्रूपुट तुलना: मल्टी-UE शेड्यूलिंग परिदृश्यों में, PF शेड्यूलिंग के साथ रैंडम RIS ने "जीनी-एडेड" (genie-aided) बेंचमार्क (RR शेड्यूलिंग के साथ अनुकूलित RIS) के करीब थ्रूपुट स्तर प्राप्त किया। विशेष रूप से, $T_c = 10$ s और $T_s = 5$ s के साथ, सिस्टम ने 52 Mbps का कुल थ्रूपुट प्राप्त किया, जो नो-RIS बेसलाइन (26 Mbps) और रैंडम RIS के साथ राउंड-रॉबिन शेड्यूलिंग (~40-48 Mbps) से काफी बेहतर है।
• पैरामीटर संवेदनशीलता: प्रयोगों ने पुष्टि की कि एक मध्यवर्ती RIS स्विचिंग इंटरवल ($T_s \approx 5-9$ s) सर्वोत्तम थ्रूपुट देता है। यदि $T_s$ बहुत बड़ा है, तो सिस्टम औसत विंडो के भीतर RIS अवस्थाओं का पता लगाने में विफल रहता है; यदि $T_s$ बहुत छोटा है, तो RIS पुनर्गठित होने से पहले MCS अनुकूलन को स्थिर होने के लिए पर्याप्त समय नहीं मिलता है।
• निष्पक्षता (Fairness): अवसरवादी प्रकृति के बावजूद, सिस्टम ने दीर्घकालिक निष्पक्षता बनाए रखी, जिसमें प्रयोग की अवधि के दौरान UEs को लगभग समान टाइम स्लॉट प्राप्त हुए।

महत्व और दावे
पेपर का दावा है कि 5G सिस्टम में RIS को एकीकृत करने के लिए आवश्यक रूप से अत्यधिक जटिलता या स्पष्ट CSI अनुकूलन की आवश्यकता नहीं होती है। मुख्य निष्कर्ष यह है कि रैंडम RIS ऑपरेशन, जिसे नेटिव 5G NR अवसरवादी शेड्यूलिंग तंत्र के साथ जोड़ा जाता है, अनुकूलन-आधारित RIS डिजाइनों के लिए आमतौर पर दिए जाने वाले अधिकांश प्रदर्शन लाभों को वितरित करने के लिए पर्याप्त है।

यह दृष्टिकोण वास्तविक दुनिया के RIS परिनियोजन के लिए एक व्यावहारिक और स्केलेबल पथ प्रदान करता है क्योंकि:

• यह स्पष्ट CSI अधिग्रहण और फेज ऑप्टिमाइज़ेशन के ओवरहेड को समाप्त करता है।
• इसके लिए RIS और 5G NR सिस्टम के बीच किसी समन्वय की आवश्यकता नहीं है।
• यह RIS लाभों को प्राप्त करने के लिए मौजूदा 5G NR शेड्यूलिंग इंफ्रास्ट्रक्चर (PF शेड्यूलर) का लाभ उठाता है।
• यह महत्वपूर्ण प्रदर्शन सुधार प्रदान करता है, भले ही UE की स्थिति मनमानी हो और RIS बीमफॉर्मिंग दिशाओं के साथ पूरी तरह से संरेखित न हो।

लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि हालांकि उनके प्रयोग एक विशिष्ट इनडोर, दो-यूजर सेटअप में किए गए थे, यह अवधारणा बड़े संख्या में उपयोगकर्ताओं वाले व्यावहारिक मल्टी-एंटीना सिस्टम तक विस्तृत होती है, जो जटिल अनुकूलन-आधारित RIS रणनीतियों के लिए एक व्यवहार्य विकल्प प्रस्तुत करती है।