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

Technische Samenvatting: Praktische RIS-winst zonder de pijn via randomisatie en opportunistische planning in 5G NR-draadloze systemen

Probleemstelling
Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS's) bieden een veelbelovende weg voor het verbeteren van signaalsterkte, dekking en doorvoer in systemen voor na 5G door draadloze voortplantingsomgevingen te controleren. Echter, conventionele RIS-ondersteunde systemen vertrouwen doorgaans op expliciete schatting van Channel State Information (CSI), gevolgd door complexe optimalisatie van RIS-fasconfiguraties om het Signaal-Ruisverhouding (SNR) te maximaliseren. In praktische multi-gebruiker 5G New Radio (NR)-omgevingen brengt deze aanpak aanzienlijke overhead met zich mee in kanaalschatting, rekencomplexiteit en besturingssignalering. Bovendien kan het integreren van op optimalisatie gebaseerde RIS-ontwerpen in de 5G NR-protocolstack – specifiek rekening houdend met CSI-rapportage, selectie van Modulation and Coding Scheme (MCS) en Medium Access Control (MAC)-planning – de theoretische winsten van dergelijke ontwerpen aanzienlijk verminderen. Er is een kritieke behoefte aan RIS-strategieën die reflectie-eigenschappen benutten zonder dat expliciete CSI-verwerving of real-time fase-optimalisatie vereist is.

Methodologie
Dit werk stelt een laag-complexe aanpak voor en valideert deze, waarbij RIS-fasestaten willekeurig worden geschakeld tussen vooraf gedefinieerde configuraties, onafhankelijk van de instantane CSI. De resulterende kanaalschommelingen worden opportunistisch benut door het inherente Proportional Fair (PF)-planningsmechanisme dat native is voor 5G NR.

1. Systeemarchitectuur: De auteurs ontwikkelden een end-to-end 5G NR-testopstelling die de OpenAirInterface (OAI)-softwarestack integreert met een op maat gebouwd, intern RIS. Het RIS is een uniform planair array van 32×32 (1024 elementen) dat werkt op 5 GHz met een bandbreedte van 300 MHz, en maakt gebruik van één-bit PIN-diodes voor faseschakeling. De testopstelling gebruikt USRP B210's als radio-eenheden en werkt in een Time-Division Duplex (TDD)-modus met een bandbreedte van 40 MHz.
2. Randomisatiestrategie: In plaats van fasen te optimaliseren voor specifieke gebruikers, selecteert het RIS willekeurig fasevectoren uit een vooraf gedefinieerde steekproefverdeling die is afgeleid van de hoekrichtingen van de User Equipments (UE's). De RIS-configuratie blijft gedurende een schakelinterval $T_s$ vast voordat er wordt overgeschakeld naar een nieuwe willekeurige staat.
3. Opportunistische Planning: De 5G-basistation (gNB) maakt gebruik van een PF-planner. De planner selecteert de UE met de hoogste PF-metriek (instantane doorvoer gedeeld door de langetermijngemiddelde doorvoer) voor transmissie. Het langetermijngemiddelde wordt bijgewerkt met een Exponentially Weighted Moving Average (EWMA) met een venstergrootte $T_c$. De kernhypothese is dat willekeurige RIS-schakeling kanaalvariaties creëert die de PF-planner kan benutten om gebruikers met gunstige instantane omstandigheden te selecteren, waardoor RIS-winst wordt geoogst zonder expliciete coördinatie.
4. Theoretisch Kader: De auteurs ontwikkelden een theoretisch model dat de interactie tussen RIS-schakeldynamiek en PF-planning karakteriseert. Zij analyseerden de convergentie van de systeemdoorvoer naarmate het PF-venster $T_c$ toeneemt en leidden ontwerprichtlijnen af voor het selecteren van $T_s$ en $T_c$ om de doorvoer te maximaliseren.
5. Experimentele Validatie: Experimenten werden uitgevoerd met twee UE's in een binnenomgeving waar het directe zichtlijn-pad geblokkeerd was. De studie evalueerde de Reference Signal Received Power (RSRP), Block Error Rate (BLER), MCS-index en doorvoer onder verschillende RIS-schakelintervallen ($T_s$) en PF-averagingvensters ($T_c$).

Belangrijkste Bijdragen

1. End-to-End Testopstelling: De ontwikkeling en demonstratie van een real-time, over-the-air (OTA) 5G NR-systeem dat een op OAI gebaseerde gNB integreert met een fysiek gebouwd RIS, waarbij prestatiewinsten worden gekwantificeerd in een realistische protocolstack-omgeving.
2. Theoretische Convergentie: Analytisch bewijs (Stelling 1) dat aantoont dat naarmate het PF-planningsvenster $T_c$ groot wordt, de langetermijndoorvoer van een systeem met willekeurig geconfigureerd RIS convergeert naar de doorvoer die wordt bereikt door een geoptimaliseerd RIS onder Round-Robin (RR)-planning.
3. Ontwerprichtlijnen: Analytische afleiding (Stelling 2) die de relatie vaststelt tussen het PF-venster $T_c$, het RIS-schakelinterval $T_s$, het aantal UE's en het aantal RIS-staten. De analyse toont aan dat $T_c$ slechts logaritmisch hoeft te schalen met het aantal UE's en RIS-staten om bijna-optimale doorvoer te bereiken.
4. Experimentele Verificatie: Empirische demonstratie dat een willekeurig afgestemd RIS, wanneer gekoppeld aan PF-planning, prestaties (RSRP, BLER, MCS, doorvoer) bereikt die vergelijkbaar zijn met geoptimaliseerde RIS-ontwerpen, zonder de overhead van CSI-verwerving of fase-optimalisatie.
5. Robuustheid ten opzichte van UE-locatie: Experimenteel bewijs dat toont dat zelfs bij willekeurige UE-locaties (niet noodzakelijk uitgelijnd met RIS-straalvormingsrichtingen), het gerandomiseerde RIS-systeem significant beter presteert dan een systeem zonder RIS.

Resultaten

• Prestatiewinst: In scenario's met één UE leverde het RIS een toename van 10–13 dB in RSRP op (een >10× toename in vermogen), wat resulteerde in een doorverhoging van ~26 Mbps (zonder RIS) naar ~53 Mbps (met RIS).
• Vergelijking van Doorvoer: In planningscenario's met meerdere UE's bereikte het gerandomiseerde RIS met PF-planning doorvoerniveaus die de "genie-aided"-benchmark benaderden (geoptimaliseerd RIS met RR-planning). Specifiek, met een PF-venster $T_c = 10$ s en RIS-schakelinterval $T_s = 5$ s, bereikte het systeem een aggregatiedoorvoer van 52 Mbps, wat significant beter was dan de baseline zonder RIS (26 Mbps) en de Round-Robin-planning met willekeurig RIS (~40-48 Mbps).
• Parametergevoeligheid: De experimenten bevestigden dat een intermediair RIS-schakelinterval ($T_s \approx 5-9$ s) de beste doorvoer oplevert. Als $T_s$ te groot is, faalt het systeem om RIS-staten binnen het averagingvenster te verkennen; als $T_s$ te klein is, is er onvoldoende tijd voor MCS-aanpassing om te stabiliseren voordat het RIS wordt herconfigureerd.
• Fairness: Ondanks het opportunistische karakter van de planning, behield het systeem langetermijnfairness, waarbij UE's gedurende de duur van het experiment ongeveer gelijke tijdsblokken ontvingen.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat het integreren van een RIS in 5G-systemen niet noodzakelijkerwijs aanzienlijke complexiteit of expliciete CSI-optimalisatie vereist. De belangrijkste conclusie is dat gerandomiseerde RIS-bedrijfsvoering, gecombineerd met native 5G NR opportunistische planningsmechanismen, voldoende is om het grootste deel van de prestatiewinsten te leveren die doorgaans worden toegeschreven aan op optimalisatie gebaseerde RIS-ontwerpen.

Deze aanpak biedt een praktische en schaalbare weg voor real-world RIS-deployments omdat:

• Het de overhead van expliciete CSI-verwerving en fase-optimalisatie elimineert.
• Het geen coördinatie vereist tussen het RIS en het 5G NR-systeem.
• Het gebruikmaakt van bestaande 5G NR-planningsinfrastructuur (PF-planner) om RIS-voordelen te oogsten.
• Het aanzienlijke prestatieverbeteringen biedt, zelfs wanneer UE-locaties willekeurig zijn en niet perfect uitgelijnd met RIS-straalvormingsrichtingen.

De auteurs concluderen dat hoewel hun experimenten werden uitgevoerd in een specifieke binnenomgeving met twee gebruikers, het concept uitbreidt naar praktische multi-antennasystemen met grotere aantallen gebruikers, en een levenswaardig alternatief biedt voor complexe, op optimalisatie gebaseerde RIS-strategieën.