[論文レビュー] System-level Simulation of Reconfigurable Intelligent Surface assisted Wireless Communications System

Qi Gu, Dan Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、視線路（LOS）条件下におけるリアルなRIS素子放射パターンと2ホップ伝送をモデル化した、再構成可能知能表面（RIS）支援無線ネットワークのシステムレベルシミュレーションフレームワークを提案する。結果から、セル端部にRISを配置し、RISアレイを大きく（例：40×40素子）かつRIS密度を高め（1セクタあたり16個）ることで、受信信号電力が最大6.3 dB向上し、SINRが5.4 dB向上することが示され、6Gネットワークにおけるカバレッジとスペクトル効率の顕著な向上が得られる。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS) is an emerging technique employing metasurface to reflect the signal from the source node to the destination node. By smartly reconfiguring the electromagnetic (EM) properties of the metasurface and adjusting the EM parameters of the reflected radio waves, RIS can turn the uncontrollable propagation environment into an artificially reconfigurable space, and thus, can significantly increase the communications capacity and improve the coverage of the system. In this paper, we investigate the far field channel in which the line-of-sight (LOS) propagation is dominant. We propose an antenna model that can characterize the radiation patterns of realistic RIS elements, and consider the signal power received from the two-hop path through RIS. System-level simulations of network performance under various scenarios and parameter.

研究の動機と目的

• マルチセル環境下におけるRIS支援無線ネットワークの現実的なシステムレベルシミュレーションフレームワークの開発を目的とする。
• 偏光および角度応答を考慮した方向性アーレンテナモデルを用いて、実際のRIS素子の放射パターンをモデル化することを目的とする。
• 配置場所、素子数、RISパネル数などのRIS展開戦略がネットワーク性能に与える影響を評価することを目的とする。
• 6Gネットワーク環境下で、さまざまな設定における受信信号電力およびSINRの性能向上を定量することを目的とする。

提案手法

• 球面波面と角度応答を考慮した方向性アーレンテナモデルを用い、水平および垂直偏光における振幅パターンを捉えるRIS素子用のモデルを提案する。
• 3GPP 38.901都市マクロ（Uma）モデルを用いて、基地局（BS）からRIS、およびRISから端末（UE）へのリンクにおいて、視線路（LOS）条件下でのパスロスをモデル化する。
• RISを介した2ホップ伝送をシミュレートし、位相が整合したRIS素子によるビームフォーミング利得に加え、パスロスとシャドウフェイディングを組み合わせて受信電力をおよびSINRを計算する。
• 7セル21セクタ構成のシステムレベルシミュレータを用い、RISをセル端部または中心部に配置し、RISサイズ（16×16または40×40素子）および数（1セクタあたり8または16個）を変化させる。
• 相互結合効果を評価するため、素子間隔（0.5λ、0.8λ、および0.4λ）を変化させたシミュレーションを実施する。
• 単一偏光動作および基地局・RISの固定ドントティルト角度を含む、現実的なRIS展開シナリオを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セル端部にRISを配置する場合とセル中心部に配置する場合とを比較した場合、受信信号電力およびSINRにどのような差が生じるか？
• RQ2 パネル1枚あたりのRIS素子数を増加させること（16×16対40×40）が、システム性能に与える影響は何か？
• RQ3 1セクタあたりのRISパネル数を8から16に増加させることで、マルチセル環境下のネットワーク性能にどのような影響があるか？
• RQ4 素子間隔を小さくすることで（例：0.4λ対0.8λ）、SINRおよび信号電力にどのような性能向上が得られるか？
• RQ5 パスロスおよびシャドウフェイディングモデルは、都市マクロ環境下におけるRIS支援システムレベルシミュレーションの正確性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• セル端部にRISを配置すると、セル中心部に配置する場合に比べて性能向上が顕著であり、40×40素子のRISパネルを16個配置した場合、受信信号電力が最大6.3 dB向上し、SINRが5.4 dB向上する。
• パネル1枚あたりのRIS素子数を16×16から40×40に増加させることで、16×16パネル8個構成と比較して、受信信号電力が1.7 dB向上し、SINRが1.9 dB向上する。
• 1セクタあたりのRISパネル数を8個から16個に倍増させることで、受信信号電力が1.7 dB向上し、SINRが1.9 dB向上する。これは、RIS密度の向上が性能向上に顕著に寄与することを示している。
• RIS素子間隔を0.8λ×0.5λから0.4λ×0.4λに短縮させることで、SINR性能が向上し、密な素子配置がビームフォーミング利得を向上させるとともに、相互結合効果を低減することが示された。
• 提案されたRISアーレンテナモデルは、現実の放射パターンを的確に捉えており、視線路条件下でのRIS支援ネットワークの正確なシステムレベルシミュレーションを可能にする。
• シミュレーション結果から、RISの配置が素子数、パネル数、配置場所に最適化されれば、6Gネットワークにおけるカバレッジとスペクトル効率の顕著な向上が達成可能であることが確認された。