Single/Multi-Beam Scanning 1-Bit Reconfigurable Metasurface with Suppressed Quantization Lobes = 양자화 로브가 억제된 단일/다중빔 스캐닝 1비트 재구성 가능 메타표면|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Next-generation applications such as eXtended Reality (XR), digital twins, holography, Vehicle-to-Everything (V2X), and the Internet of Everything (IoE) demand ultra-high data rates, ultra-low latency, and massive connectivity, driving the evolution of wireless networks beyond 5G. While migration to higher frequency bands enables wider bandwidths, it also exacerbates propagation issues such as severe path loss and signal blockage, resulting in persistent coverage holes. Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs) have emerged as a cost- and energy- efficient solution by intelligently manipulating the wireless environment to establish virtual line-of-sight links. Among various architectures, the 1-bit RIS is particularly attractive for practical deployment due to its low hardware complexity and digital control. However, its widespread adoption has been hindered by the quantization lobe problem under plane-wave incidence, which generates undesired beams of the same magnitude as the main lobe. This thesis proposes and experimentally validates a 1-bit pre-phased RIS capable of both single- and multi-beam scanning while suppressing quantization lobes. A slot-coupled patch unit cell was designed with built-in pre-phase offsets, enabling destructive interference of quantization lobes without the need for multi-bit or analog circuitry. The fabricated 16 × 16 RIS prototype was thoroughly evaluated. Anechoic chamber measurements confirmed robust single-beam steering from −45° to +45° and multi-beam generation at target angles (−45°, +30°), (−30°, +15°), and ( − 15°, +45°), all free from quantization lobes. Furthermore, communication experiments using a commercial 5G signal in a non-line-of-sight environment demonstrated substantial performance gains, including up to 20.9 dB and 15.3 dB for single/multi-beam configuration improvement in received power respectively, throughput increase to 459 Mbits/s, and significant error vector magnitude (EVM) reduction. This research makes three primary contributions to the field of RIS. First, by applying pre-phasing, it proposes for the first time an RIS capable of single/multi- beam scanning using only 1-bit phase control, and it includes communication experiments not previously conducted on pre-phased RISs. Finally, a methodology for selecting phase values for a discrete pre-phasing scheme is presented, accompanied by an analysis of radiation patterns based on different pre-phase distributions. Collectively, these contributions bridge the gap between theoretical RIS concepts and field-ready implementations, providing a foundation for cost- effective adoption in 5G, 6G, and future wireless systems.

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국문 초록 (Abstract)

차세대 응용 분야인 확장현실(XR), 디지털 트윈, 홀로그래피, 차량-사물 간 통신(V2X), 만물인터넷(IoE) 등은 초고속 데이터 전송률, 초저지연, 초대규모 연결성을 요구하며, 이는 무선 네트워크가 5G를 넘어 발전하도록 이끌고 있다. 더 높은 주파수 대역으로의 이동은 넓은 대역폭을 가능하게 하지만, 동시에 심각한 경로 손실과 신호 차단과 같은 전파 문제를 악화시켜 지속적인 커버리지 홀을 발생시킨다. 재구성 지능 표면(RIS)은 무선 환경을 지능적으로 조작하여 가상의 가시선 링크를 형성함으로써 비용 및 에너지 효율적인 해결책으로 주목받고 있다. 다양한 구조 중 1비트 RIS는 낮은 하드웨어 복잡성과 디지털 제어로 인해 실제 배치에 특히 매력적이다. 그러나 평면파 입사 조건에서 발생하는 양자화 로브 문제로 인해 주요 로브와 동일한 크기의 원치 않는 빔이 생성되어 널리 채택되는 데 제약이 있었다.
본 논문은 양자화 로브를 억제하면서 단일 및 다중 빔 스캐닝이 가능한 1비트 사전 위상(pre-phased) RIS를 제안하고 실험적으로 검증하였다. 슬롯 결합 패치 유닛 셀이 내장된 사전 위상 오프셋과 함께 설계되어 다중 비트 또는 아날로그 회로 없이도 양자화 로브의 파괴적 간섭을 가능하게 하였다. 제작된 16×16 RIS 시제품은 철저히 평가되었다. 무반향실 측정을 통해 -45°에서 +45°까지 견고한 단일 빔 조향과 목표 각도 (-45°, +30°), (-30°, +15°), (-15°, +45°)에서의 다중 빔 생성이 확인되었으며, 모두 양자화 로브가 나타나지 않았다. 더 나아가, 비가시선 환경에서 상용 5G 신호를 이용한 통신 실험에서 단일/다중 빔 구성 시 수신 전력 개선이 각각 최대 20.9 dB와 15.3 dB에 달했으며, 전송 속도는 459 Mbit/s까지 증가하였고, 오류 벡터 크기(EVM)는 크게 감소하는 성능 향상이 입증되었다.
본 연구는 RIS 분야에서 세 가지 주요 기여를 한다. 첫째, 사전 위상을 적용하여 오직 1비트 위상 제어만으로 단일/다중 빔 스캐닝이 가능한 RIS를 최초로 제안하였으며, 사전 위상 RIS에 대해 이전에 수행되지 않았던 통신 실험을 포함한다. 마지막으로, 이산 사전 위상 방식에서 위상 값을 선택하는 방법론을 제시하고, 다양한 사전 위상 분포에 따른 방사 패턴 분석을 수행하였다. 이러한 기여들은 이론적 RIS 개념과 실제 구현 사이의 격차를 해소하며, 5G, 6G 및 미래 무선 시스템에서 비용 효율적인 채택을 위한 기반을 제공한다.

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차세대 응용 분야인 확장현실(XR), 디지털 트윈, 홀로그래피, 차량-사물 간 통신(V2X), 만물인터넷(IoE) 등은 초고속 데이터 전송률, 초저지연, 초대규모 연결성을 요구하며, 이는 무선 네트워크...

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