[논문 리뷰] SimRIS Channel Simulator for Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Communication Systems

Ertuğrul Başar, Ibrahim Yildirim|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능 지능 표면(RIS) 기반 통신 시스템을 위한 오픈소스이자 물리적으로 정확한 mmWave 채널 시뮬레이터인 SimRIS를 제안한다. 이 시뮬레이터는 자유공간 경로 손실, 정규 반사, 그리고 실제 전파 효과를 고려한 RIS 보조 링크를 모델링하며, Tx-RIS 및 RIS-Rx 링크 모두 선로간 시야(LOS) 조건이 유지될 경우 RIS가 LOS 지배적인 실내 및 실외 환경에서의 구현 가능한 데이터 전송률을 크게 향상시킨다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 6G 연구에서 mmWave 대역에서 사용 가능한 오픈소스이자 정확하며 광범위하게 적용 가능한 RIS 채널 모델의 부족을 해결한다.
• 실제 전파 조건을 반영하기 위해 최신 5G 채널 모델에 RIS를 통합한다.
• RIS 기반 시스템 설계 및 성능 평가를 지원하기 위한 종합적이고 오픈소스의 시뮬레이션 툴을 제공한다.
• 실제 경로 손실 및 반사 효과를 고려한 실내 및 실외 환경에서 RIS의 정확한 모델링을 가능하게 한다.
• RIS 채널 모델링 및 실험적 검증을 위한 검증 가능하고 확장 가능한 플랫폼을 제공하여 향후 연구를 촉진한다.

제안 방법

• RIS 기반 링크에 자유공간 경로 손실과 정규 반사를 통합한 기본 캐스케이드 채널 모델을 개발한다.
• 다양한 산란체와 실제 RIS 요소 이득을 고려한 RIS 보조 시스템의 전력 스케일링 법칙을 수립한다.
• 조정 가능한 운영 주파수, 단말기 및 RIS 위치, RIS 요소 수, 환경 유형을 지원하는 MATLAB 기반 SimRIS 채널 시뮬레이터를 구현한다.
• Tx-RIS 및 RIS-Rx 링크 모두에 대해 유효한 영향 면적, 재방사 효율성, 거리에 따른 경로 손실 등의 물리 계층 모델을 통합한다.
• 입력 파rameter의 정합성을 검증하고 시뮬레이션 신뢰성을 확보하기 위해 오류 검사 메커니즘을 통합한다.
• 다양한 실내 및 실외 환경(LOS 및 비LOS 조건 포함)에서 시뮬레이터를 사용해 수치적 결과를 생성한다.

Figure 1: RIS-assisted communication with LOS links.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Tx-RIS 및 RIS-Rx 링크가 모두 선로간 시야(LOS)인지 비선로간 시야(NLOS)인지에 따라 실내 환경에서 RIS 성능은 어떻게 달라지는가?
• RQ2 다양한 LOS 확률을 가진 실내 환경에서 RIS 높이와 위치가 구현 가능한 데이터 전송률에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 실외 도시 협곡 환경에서 직접 Tx-Rx 링크가 차단되었을 경우 RIS 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 전파 조건 하에서 mmWave 대역에서 RIS가 스펙트럼 효율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 직접 링크가 차단된 상태에서 RIS와 수신기 간 거리가 시스템 성능에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• Tx-RIS 및 RIS-Rx 링크가 모두 선로간 시야(예: RIS가 2m 높이에 위치한 경우)일 경우, 실내 및 실외 환경 모두에서 구현 가능한 데이터 전송률이 크게 향상되며, 이는 성능 향상이 관찰된다.
• 중간 수준의 RIS 높이인 1.5m(낮은 LOS 확률)일 경우, RIS 보조 링크의 경로 손실이 더 크기 때문에 신호 대 잡음비**(SNR) 향상은 미미한 편이다.
• 직접 Tx-Rx 링크가 차단된 실외 도시 협곡 환경에서는 수신기가 RIS에서 멀어질수록 구현 가능한 데이터 전송률이 급격히 감소함을 확인하여, RIS-Rx 거리가 성능에 결정적인 영향을 미친다는 것을 입증한다.
• 직접 링크와 RIS 보조 링크가 모두 존재하는 상황에서는 수신기가 송신기 근처에 위치할 경우 가장 높은 구현 가능한 전송률을 기록하며, 이는 직접 링크가 지배적임을 시사한다.
• SimRIS 시뮬레이터는 경로 손실 및 반사와 같은 실제 mmWave 전파 효과를 정확하게 모델링하여 정확한 시스템 수준의 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 오픈소스인 SimRIS MATLAB 패키지는 다양한 환경과 구성에서 RIS 기반 시스템의 재현 가능하고 유연하며 확장 가능한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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