[논문 리뷰] Physical Channel Modeling for RIS-Empowered Wireless Networks in Sub-6 GHz Bands

Muhammet Fatih Kılınç, İbrahim Yıldırım외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 02.

Antenna Design and Analysis인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 6GHz 이하 대역에서 재구성 가능한 지능형 표 superfice(RIS) 기반 무선 네트워크를 위한 3차원 물리적 채널 모델을 제안한다. 이 모델은 근거리 및 원거리 전파 효과를 모두 고려한다. 실제 3차원 기하학, RIS의 위상 이득, 경로 손실 모델을 통합함으로써, 특히 근거리에서 작동하는 대규모 RIS를 사용할 경우, 도달 가능한 속도가 크게 향상되며, 비록 전송 전력이 10 dB 더 높더라도 RIS가 없는 시스템보다도 뛰어난 성능을 발휘함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 6GHz 이하 대역에서 널리 사용되는 4G/5G 및 Wi-Fi 시스템에서 RIS 기반 네트워크에 대한 종합적인 물리적 채널 모델링의 부족을 해결하기 위해.
• 특히 RIS가 단말기 근처에 설치된 경우에 해당하는 원거리 및 근거리 전파 조건을 모두 고려한 현실적인 3차원 채널 모델을 개발하기 위해.
• 검증된 시뮬레이터를 사용하여 RIS 크기, 위치, 운영 주파수, 단말기 기하학적 구조가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 근거리 RIS 배치가 기존 시스템 대비 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 주파수, RIS 크기, 단말기 위치와 같은 조절 가능한 매개변수를 갖춘 6GHz 이하 RIS 네트워크를 위한 오픈소스 물리적 채널 시뮬레이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 3GPP 사양에 기반한 3차원 채널 모델링 방법을 채택하며, 각 클러스터에 다수의 레이저를 포함하는 선로장(LoS) 및 비선로장(NLoS) 클러스터를 포함한다.
• 각 요소가 신호를 반사할 때 제어 가능한 위상을 적용하는 균일 평면 어레이(UPA)로 RIS를 모델링한다.
• RIS 반사 행렬 Θ를 통해 위상을 포함한 Tx-to-RIS, RIS-to-Rx, 그리고 직접 Tx-to-Rx 링크의 곱으로 종단 간 SISO 채널 응답을 유도한다.
• 수신기의 근거리 영역에 RIS가 위치할 경우, RIS-Rx 링크를 3차원 구형파면 모델로 모델링하여 근거리 효과를 포함한다.
• LoS 및 NLoS 조건에서 거리에 따른 경로 손실과 색잡이를 고려한 통계적 경로 손실 모델을 사용한다.
• 즉각적인 신호 대 잡음비(SNR)에 대한 폐쇄형 표현식을 사용한다: ρ = Pt |gᵀΘh + h_SISO|² / N₀, 여기서 h와 g는 RIS 채널 벡터를 나타낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6GHz 이하 대역에서 RIS 기반 시스템의 도달 가능한 속도는 근거리 조건과 원거리 조건에서 어떻게 달라지나?
• RQ2 RIS 크기(요소 수 N)와 배치 기하학이 실내 및 실외 환경에서 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 송신기 및 수신기와의 RIS 위치가 도달 가능한 속도에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 근거리에서 작동할 경우 어떻게 되는가?
• RQ4 RIS 지원 시스템은 더 높은 전송 전력을 사용하는 전통적인 비-RIS 시스템을 능가할 수 있는가, 특히 6GHz 이하 대역에서?
• RQ5 근거리 시나리오에서 고도의 차이로 인해 RIS 요소의 유효 면적이 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• RIS를 송신기와 같은 높이에 배치할 경우(예: z^RIS = 3 m), 100%의 LoS 확률을 확보하여 도달 가능한 속도가 크게 향상된다.
• 일정한 RIS 크기에서 도달 가능한 속도는 RIS 요소 수 N이 증가함에 따라 증가하며, 실외 환경에서 1024개 요소일 경우에도 성능 향상이 관찰된다.
• 2.4 GHz에서 실외 환경에서 N = 1024개 요소를 가진 RIS는 전송 전력이 10 dB 더 높은 비-RIS 시스템보다 더 뛰어난 스펙트럼 효율을 달성한다.
• RIS가 수신기 근처에 위치할 경우(2~3m 거리), 수신기에서 y축으로 멀어지면서 유효 면적과 위상 정렬이 향상되어 도달 가능한 속도가 일시적으로 증가한다.
• RIS가 수신기 앞에 위치하고 근거리에서 작동할 경우, 특히 대규모 RIS를 사용할 경우 시스템 성능이 최고에 이른다.
• 특히 대규모 RIS가 수신기와 가까이 있을 경우, 근거리 모델링은 원거리 근사치보다 더 정확한 성능 예측을 가능하게 한다.