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

Resumo Técnico: Ganho Prático de RIS sem Dor via Randomização e Agendamento Oportuno em Sistemas Sem Fio 5G NR

Enunciação do Problema
Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RISs) oferecem uma via promissora para melhorar a força do sinal, a cobertura e a vazão em sistemas além do 5G, ao controlar ambientes de propagação sem fio. No entanto, sistemas convencionais assistidos por RIS tipicamente dependem de estimativa explícita de Informação de Estado do Canal (CSI) seguida de otimização complexa das configurações de fase da RIS para maximizar a Relação Sinal-Ruído (SNR). Em ambientes práticos de 5G New Radio (NR) com múltiplos usuários, essa abordagem incorre em sobrecarga significativa na estimativa de canal, complexidade computacional e sinalização de controle. Além disso, integrar designs de RIS baseados em otimização na pilha de protocolos 5G NR — especificamente considerando o reporte de CSI, a seleção do Esquema de Modulação e Codificação (MCS) e o agendamento de Controle de Acesso ao Meio (MAC) — pode diminuir substancialmente os ganhos teóricos de tais designs. Há uma necessidade crítica de estratégias de RIS que explorem propriedades de refletividade sem exigir aquisição explícita de CSI ou otimização de fase em tempo real.

Metodologia
Este trabalho propõe e valida uma abordagem de baixa complexidade onde os estados de fase da RIS são alternados aleatoriamente entre configurações predefinidas, independentemente do CSI instantâneo. As flutuações de canal resultantes são exploradas oportunisticamente pelo mecanismo de agendamento Proporcional Justo (PF) inerente ao 5G NR.

1. Arquitetura do Sistema: Os autores desenvolveram um banco de testes 5G NR de ponta a ponta integrando a pilha de software OpenAirInterface (OAI) com uma RIS construída sob medida, interna. A RIS é uma array plana uniforme 32×32 (1024 elementos) operando a 5 GHz com largura de banda de 300 MHz, utilizando diodos PIN de um bit para comutação de fase. O banco de testes usa USRP B210s como unidades de rádio e opera em modo Duplex por Divisão de Tempo (TDD) com largura de banda de 40 MHz.
2. Estratégia de Randomização: Em vez de otimizar fases para usuários específicos, a RIS seleciona aleatoriamente vetores de fase de uma distribuição de amostragem predefinida derivada das direções angulares dos Equipamentos de Usuário (UEs). A configuração da RIS permanece fixa durante um intervalo de comutação $T_s$ antes de alternar para um novo estado aleatório.
3. Agendamento Oportuno: A Estação Base 5G (gNB) utiliza um agendador PF. O agendador seleciona o UE com a maior métrica PF (vazão instantânea dividida pela vazão média de longo prazo) para transmissão. A média de longo prazo é atualizada usando uma Média Móvel Ponderada Exponencialmente (EWMA) com tamanho de janela $T_c$. A hipótese central é que a comutação aleatória da RIS cria variações de canal que o agendador PF pode explorar para selecionar usuários com condições instantâneas favoráveis, colhendo assim ganhos de RIS sem coordenação explícita.
4. Estrutura Teórica: Os autores desenvolveram um modelo teórico caracterizando a interação entre as dinâmicas de comutação da RIS e o agendamento PF. Eles analisaram a convergência da vazão do sistema à medida que a janela PF $T_c$ aumenta e derivaram diretrizes de projeto para selecionar $T_s$ e $T_c$ de modo a maximizar a vazão.
5. Validação Experimental: Experimentos foram conduzidos com dois UEs em um ambiente interno onde o caminho direto de linha de visada estava bloqueado. O estudo avaliou a Potência Recebida do Sinal de Referência (RSRP), a Taxa de Erro de Bloco (BLER), o índice MCS e a vazão sob vários intervalos de comutação da RIS ($T_s$) e janelas de média PF ($T_c$).

Principais Contribuições

1. Banco de Testes de Ponta a Ponta: O desenvolvimento e demonstração de um sistema 5G NR em tempo real, via etérea (OTA), integrando um gNB baseado em OAI e uma RIS fisicamente construída, quantificando ganhos de desempenho em um ambiente de pilha de protocolos realista.
2. Convergência Teórica: Prova analítica (Teorema 1) demonstrando que, à medida que a janela de agendamento PF $T_c$ se torna grande, a vazão de longo prazo de um sistema com RIS configurada aleatoriamente converge para a vazão alcançada por uma RIS otimizada sob agendamento Round-Robin (RR).
3. Diretrizes de Projeto: Derivação analítica (Teorema 2) estabelecendo a relação entre a janela PF $T_c$, o intervalo de comutação da RIS $T_s$, o número de UEs e o número de estados da RIS. A análise mostra que $T_c$ precisa escalar apenas logaritmicamente com o número de UEs e estados da RIS para alcançar vazão quase ótima.
4. Verificação Experimental: Demonstração empírica de que uma RIS sintonizada aleatoriamente, quando emparelhada com agendamento PF, alcança desempenho (RSRP, BLER, MCS, vazão) comparável a designs de RIS otimizados, sem a sobrecarga de aquisição de CSI ou otimização de fase.
5. Robustez à Localização do UE: Evidência experimental mostrando que, mesmo com localizações arbitrárias de UE (não necessariamente alinhadas com direções de formação de feixe da RIS), o sistema RIS randomizado supera significativamente um sistema sem RIS.

Resultados

• Ganhos de Desempenho: Em cenários de UE único, a RIS forneceu um aumento de 10–13 dB na RSRP (um aumento de potência >10×), resultando em um impulso de vazão de ~26 Mbps (sem RIS) para ~53 Mbps (com RIS).
• Comparação de Vazão: Em cenários de agendamento multi-UE, a RIS randomizada com agendamento PF alcançou níveis de vazão que se aproximaram da referência "assistida por gênio" (RIS otimizada com agendamento RR). Especificamente, com uma janela PF $T_c = 10$ s e intervalo de comutação da RIS $T_s = 5$ s, o sistema alcançou uma vazão agregada de 52 Mbps, superando significativamente a linha de base sem RIS (26 Mbps) e o agendamento Round-Robin com RIS aleatória (~40-48 Mbps).
• Sensibilidade a Parâmetros: Os experimentos confirmaram que um intervalo de comutação de RIS intermediário ($T_s \approx 5-9$ s) produz a melhor vazão. Se $T_s$ for muito grande, o sistema falha em explorar estados da RIS dentro da janela de média; se $T_s$ for muito pequeno, há tempo insuficiente para a adaptação do MCS estabilizar antes que a RIS seja reconfigurada.
• Justiça: Apesar da natureza oportunista do agendamento, o sistema manteve justiça de longo prazo, com UEs recebendo intervalos de tempo aproximadamente iguais durante a duração do experimento.

Significado e Alegações
O artigo afirma que integrar uma RIS em sistemas 5G não requer necessariamente complexidade substancial ou otimização explícita de CSI. A principal conclusão é que a operação randomizada da RIS, combinada com mecanismos nativos de agendamento oportuno do 5G NR, é suficiente para entregar a maioria dos ganhos de desempenho comumente atribuídos a designs de RIS baseados em otimização.

Esta abordagem oferece um caminho prático e escalável para a implantação real de RIS porque:

• Elimina a sobrecarga de aquisição explícita de CSI e otimização de fase.
• Não requer coordenação entre a RIS e o sistema 5G NR.
• Aproveita a infraestrutura de agendamento 5G NR existente (agendador PF) para colher benefícios da RIS.
• Proporciona melhorias significativas de desempenho mesmo quando as localizações dos UEs são arbitrárias e não perfeitamente alinhadas com as direções de formação de feixe da RIS.

Os autores concluem que, embora seus experimentos tenham sido conduzidos em um cenário interno específico de dois usuários, o conceito se estende a sistemas práticos com múltiplas antenas e um número maior de usuários, apresentando uma alternativa viável a estratégias complexas de RIS baseadas em otimização.