[논문 리뷰] Indoor and Outdoor Physical Channel Modeling and Efficient Positioning for Reconfigurable Intelligent Surfaces in mmWave Bands

Ertuğrul Başar, Ibrahim Yildirim외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 31인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 실내외 환경에 적용 가능한 물리적, 오픈 소스 mmWave RIS 채널 모델과 LOS/NLOS, 음영, RIS 소자 패턴을 포함하고 RIS 기반 시스템 설계를 위한 SimRIS 시뮬레이터를 제시한다.

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted communication appears as one of the potential enablers for sixth generation (6G) wireless networks by providing a new degree of freedom in the system design to telecom operators. Particularly, RIS-empowered millimeter wave (mmWave) communication systems can be a remedy to provide broadband and ubiquitous connectivity. This paper aims to fill an important gap in the open literature by providing a physical, accurate, open-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 characteristics of wireless propagation in the presence of RISs by considering 5G radio channel conditions. Various deployment scenarios are presented for RISs and useful insights are provided for system designers from the perspective of potential RIS use-cases and their efficient positioning. The scenarios in which the use of an RIS makes a big difference or might not have a big impact on the communication system performance, are revealed. The open-source and comprehensive SimRIS Channel Simulator is also introduced in this paper.

연구 동기 및 목표

• 5G 물리 채널 모델과 통합되는 mmWave 대역용 기초적인 오픈 소스 RIS 보강 채널 모델을 개발한다.
• LOS, 음영, 공유 클러스터 및 RIS 소자 패턴을 포함하는 실내/실외 통합 좁은 대역 RIS 채널 모델을 제공한다.
• 다양한 환경에서 RIS 배치 및 포지션에 대한 실용적인 통찰과 지침을 제공한다.
• 주파수와 레이아웃에 걸친 RIS 기반 채널 모델링을 조정할 수 있는 오픈 소스 MATLAB 도구(SimRIS)를 제공한다.

제안 방법

• RIS 보조 링크에 대한 전력 스케일링을 적용한 원거리장 신호 가정 하의 연쇄적(RIS-채널) 채널 모델을 채택한다.
• Tx–RIS 및 RIS–Rx 서채널을 3GPP/5G 모델에서 파생된 군집화된 통계적 MIMO 접근 방식으로 구성한다.
• RIS 소자를 cos^q 방사 패턴과 균일한 정사각형 배열 응답으로 표현하여 스티어링 벡터를 계산한다.
• 그늘 음영을 포함한 5G 근거리 자유공간 기준 거리 모델로 현실적인 경로 손실을 반영한다.
• 실내/실외 RIS 채널을 현실적으로 생성하기 위해 LOS 확률과 무작위 클러스터/서레이 매개변수를 모델링한다.
• 주파수, 위치 및 RIS 크기를 조정할 수 있는 MATLAB 기반 오픈소스 SimRIS 채널 시뮬레이터를 제공한다.

Figure 1: RIS-assisted communication with $M$ IOs between Tx-RIS.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실내외 환경 모두에 대해 RIS 보조 mmWave 채널을 물리적으로 정확하게 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ2 RIS 기하학, 소자 패턴 및 환경적 클러스터링이 RIS 향상 링크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 배치 시나리오에서 이익을 극대화하도록 RIS를 어떻게 배치해야 하는가?
• RQ4 Tx–RIS와 RIS–Rx 간의 공유 클러스터 및 LOS 조건을 어떻게 하나의 RIS 채널 모델에 통합할 수 있는가?

주요 결과

• LOS, 음영, 공유 클러스터를 포함한 실내외 mmWave 시나리오에 대한 통합적이고 물리 기반의 좁은 대역 RIS 채널 모델이 개발되었다.
• 조정 가능한 RIS 기반 채널 모델링을 위한 오픈 소스 SimRIS 채널 시뮬레이터가 소개된다.
• 모델은 잠재적 RIS 이득과 활용 사례를 보여주고, 효율적인 RIS 배치 및 포지셔닝에 대한 실용적 지침을 제공한다.
• 향후 연구에서 현실적인 RIS 아키텍처, 불완전성, 공간 상관 등을 포함하도록 프레임워크를 확장할 수 있다.
• 이 접근법은 RIS를 최첨단 5G 채널 모델에 통합하여 RIS 보조 시스템 분석의 현실화를 가능하게 한다.

Figure 2: 3D array response geometry for a square RIS with $N$ elements.