[論文レビュー] SimRIS Channel Simulator for Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Communication Systems

Ertuğrul Başar, Ibrahim Yildirim|arXiv (Cornell University)|May 31, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、再構成可能インテリジェント表面（RIS）を活用する通信システム向けに、オープンソースで物理的に正確なミリ波周波数帯チャネルシミュレータであるSimRISを提案する。本シミュレータは、自由空間損失、鏡面反射、実用的な伝搬効果を含むRIS支援リンクをモデル化し、送信機-RISおよびRIS-受信機リンクの両方が視線（LOS）状態にある室内および屋外シナリオにおいて、RISが実現可能なデータレートを顕著に向上させることを示している。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted communication appears as one of the potential enablers for sixth generation (6G) wireless networks by providing a new way to optimize the communication system performance. This paper aims to fill an important gap in the open literature by providing an accurate, source, and widely applicable RIS channel model for mmWave frequencies. Our model is not only applicable in various indoor and outdoor environments but also includes the physical aspects of wireless propagation in the presence of an RIS as well as various practical 5G channel modeling issues. The open-source and comprehensive SimRIS Channel Simulator is also introduced in this paper to be used in computer simulations of RIS-assisted communication systems.

研究の動機と目的

• 6G研究におけるミリ波周波数帯におけるオープンで正確かつ広く適用可能なRISチャネルモデルの不足に対処すること。
• 実世界の伝搬状態を反映させるために、最新の5GチャネルモデルにRISを統合すること。
• RISを活用するシステム設計および性能評価を支援する包括的でオープンソースのシミュレーションツールを提供すること。
• 現実的なパスロスおよび反射効果を備えた、屋内および屋外環境におけるRISの正確なモデル化を可能にすること。
• 将来の研究を促進するために、RISチャネルモデリングおよび実験的検証に適した検証可能で拡張可能なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• RIS支援リンクに自由空間損失および鏡面反射を組み込んだベースラインの直列チャネルモデルを構築する。
• 複数の散乱体および実用的なRIS素子利得を考慮した、RIS支援システムの電力スケーリング則を定式化する。
• 周波数、端末およびRISの位置、RIS素子数、環境タイプを調整可能なMATLABベースのSimRISチャネルシミュレータを実装する。
• 送信機-RISおよびRIS-受信機リンクの両方に対して、有効アパーチャ、再放射効率、距離に依存するパスロスといった物理層モデルを統合する。
• 入力パrameterの検証とシミュレーションの信頼性を確保するためのエラーチェック機構を統合する。
• さまざまな屋内および屋外シナリオ（LOSおよび非LOS状態を含む）における数値結果を、シミュレータを用いて生成する。

Figure 1: RIS-assisted communication with LOS links.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 送信機-RISおよびRIS-受信機リンクの両方が視線（LOS）状態か非視線（non-LOS）状態かに応じて、屋内環境におけるRISの性能はどのように変化するか？
• RQ2 視線確率が変化する屋内シナリオにおいて、RISの高さと配置が実現可能なデータレートに与える影響は何か？
• RQ3 屋外の都市渓谷環境において、直接的な送信機-受信機リンクが存在するか否かがRIS性能に与える影響は何か？
• RQ4 現実的な伝搬条件下で、ミリ波帯域におけるRISのスペクトル効率向上の程度はどの程度か？
• RQ5 直接リンクが遮断されている状況で、RISと受信機の距離がシステム性能に与える影響は何か？

主な発見

• 送信機-RISおよびRIS-受信機リンクの両方が視線（LOS）状態である場合（例：RIS高さ2 m）、実現可能なデータレートが顕著に向上し、屋内および屋外両シナリオで利得が確認された。
• 中程度のRIS高さ（1.5 m、視線確率が低い）では、RIS支援リンクのパスロスが高いため、SINRの向上は限定的であった。
• 直接送信機-受信機リンクが遮断された屋外都市渓谷環境では、受信機がRISから遠ざかると実現可能なデータレートが急激に低下し、RIS-受信機距離が性能に大きな影響を与えることが示された。
• 直接リンクとRIS支援リンクの両方が存在する状況では、受信機が送信機に近い位置にあれば、直接リンクが支配的となり、最も高い実現可能なデータレートが達成された。
• SimRISシミュレータは、パスロスおよび反射を含む現実的なミリ波伝搬効果を正確にモデル化できており、正確なシステムレベルのシミュレーションを可能にしている。
• オープンソースのSimRIS MATLABパッケージにより、多様な環境および構成におけるRISを活用するシステムの再現可能で柔軟かつスケーラブルなシミュレーションが可能になった。

Figure 2: RIS-assisted communication with $M$ IOs between Tx-RIS.