[論文レビュー] Physical Channel Modeling for RIS-Empowered Wireless Networks in Sub-6 GHz Bands

Muhammet Fatih Kılınç, İbrahim Yıldırım+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Antenna Design and Analysis被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、sub-6 GHz帯における再構成可能知能表面（RIS）支援無線ネットワークを対象として、近場および遠方場の伝搬効果を考慮した3次元物理的チャネルモデルを提案する。現実的な3次元幾何学的構造、RISの位相シフト、パスロスモデルを統合することで、特に近場に位置する大規模RISでは、10 dB高い送信電力を持つ非RISシステムでさえも上回る性能を示す。RISの導入により、実現可能なデータレートが顕著に向上することが明らかになった。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted communications is one of the promising candidates for next generation wireless networks by controlling the propagation environment dynamically. In this study, a channel modeling strategy for RIS-assisted wireless networks is introduced in sub-6 GHz bands by considering both far-field and near-field behaviours in transmission. We also proposed an open-source physical channel simulator for sub-6 GHz bands where operating frequency, propagation environment, terminal locations, RIS location and size can be adjusted. It is demonstrated via extensive computer simulations that an improved achievable rate performance is obtained in the presence of RISs for both near-field and far-field conditions.

研究の動機と目的

• sub-6 GHz帯におけるRIS搭載ネットワークの包括的な物理的チャネルモデリングの不足に応えること。この周波数帯は4G/5GおよびWi-Fiシステムで広く使用されている。
• 遠方場および近場伝搬状態の両方を考慮した現実的な3次元チャネルモデルを構築すること、特にRISが端末に近接して設置されている場合に焦点を当てる。
• 検証済みシミュレータを用いて、RISのサイズ、配置、周波数、端末の幾何学的配置がシステム性能に与える影響を評価すること。
• 近場RISの配置が、従来のシステムと比較してスペクトル効率を顕著に向上させることを示すこと。
• 周波数、RISのサイズ、端末の位置などのパラメータを調整可能な、オープンソースの物理的チャネルシミュレータを提供すること。

提案手法

• 3GPP仕様に基づく3次元チャネルモデリング手法を採用し、視線（LoS）および非視線（NLoS）クラスタを含み、各クラスタに複数のレイヤーをモデル化する。
• RISをN個の要素を持つ均一平面アレイ（UPA）としてモデル化し、各要素が信号を制御可能な位相シフトを施す。
• RISの反射行列Θを介して位相シフトを組み込むことで、送信機からRIS、RISから受信機、および直接送信機から受信機へのリンクの積として、エンドツーエンドのSISOチャネル応答を導出する。
• RISが受信機の近場領域にある場合、RIS-受信機リンクを3次元球面波面モデルでモデル化することで近場効果を組み込む。
• 距離依存パスロスとLoSおよびNLoS状態におけるシャドウイングを考慮した統計的パスロスモデルを採用する。
• 瞬時SNRの閉形式表現を用いる：ρ = Pt |gᵀΘh + h_SISO|² / N₀、ここでhおよびgはRISチャネルベクトルを表す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sub-6 GHz帯において、近場と遠方場の状態の下でRIS搭載システムの実現可能レートはどのように変化するか？
• RQ2 RISのサイズ（要素数N）および配置幾何学的配置が、屋内および屋外環境におけるシステム性能に与える影響は何か？
• RQ3 送信機および受信機に対するRISの配置が、特に近場で動作する場合、実現可能レートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 RIS支援システムは、より高い送信電力を持つ従来の非RISシステムを上回ることができるか、特にsub-6 GHz帯においては？
• RQ5 近場状況において、高度差の影響によりRIS要素の有効開口部はどのように変化するか？

主な発見

• RISを送信機と同じ高さ（例：z^RIS = 3 m）に配置した場合、100%のLoS確率が達成され、それより低い配置に比べて実現可能レートが顕著に向上する。
• 一定のRISサイズのもとで、実現可能レートはRIS要素数Nの増加に伴い向上し、屋外環境では1024要素でもさらなる利得が観察される。
• 2.4 GHzの屋外環境において、N = 1024要素のRISは、10 dB高い送信電力を使用する非RISシステムよりも優れたスペクトル効率を達成する。
• RISを受信機に近接して配置（2–3 m）した場合、y軸方向にRISを遠ざけることで、有効開口部および位相整合性が向上し、実現可能レートが一時的に増加する。
• RISが受信機の前側に配置され、近場で動作する場合、特に大規模RISでは性能が最大に達する。
• 特にRISが大きくかつ受信機に近接している場合、遠方場近似に比べて近場モデリングにより、より正確な性能予測が可能になる。