[논문 리뷰] System-level Simulation of Reconfigurable Intelligent Surface assisted Wireless Communications System

Qi Gu, Dan Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 라인오브사이트(LOS) 조건 하에서 실용적인 RIS 요소 복사 패턴과 이중호프 신호 전파를 모델링하는 재구성 가능 지능 표 superfuce(RIS) 지원 무선 네트워크를 위한 시스템 수준 시뮬레이션 프레임워크를 제안한다. 결과적으로, 세포 경계에 RIS를 설치하고 더 큰 RIS 어레이(예: 40×40 요소)와 높은 RIS 밀도(1섹터당 16개)를 적용할 경우 수신 신호 전력에서 최대 6.3 dB의 향상과 SINR에서 5.4 dB의 향상을 기록하여 6G 네트워크의 커버리지와 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 세포 환경에서 RIS 지원 무선 네트워크를 위한 현실적인 시스템 수준 시뮬레이션 프레임워크를 개발하는 것.
• 편광 및 각도 응답을 고려한 방사형 안테나 모델을 사용하여 실제 RIS 요소의 복사 패턴을 모델링하는 것.
• 위치, 요소 수, RIS 패널 수와 같은 RIS 배치 전략이 네트워크 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 6G 네트워크 환경에서 다양한 구성 조건 하에서 수신 신호 전력과 SINR 측면에서 성능 향상을 정량화하는 것.

제안 방법

• 구면 파면과 각도 응답을 기반으로 수평 및 수직 편광에서의 진폭 패턴을 반영하는 RIS 요소를 위한 방사형 안테나 모델을 제안한다.
• 3GPP 38.901 도시 매크로(UMa) 모델을 사용하여 LOS 조건 하에서 BS-에서-RIS 및 RIS-에서-UE 링크에 대한 경로 손실을 모델링한다.
• RIS를 통한 이중호프 전송을 시뮬레이션하며, 위상 정렬된 RIS 요소에서 기인하는 빔포밍 이득, 경로 손실 및 샤도잉 패러미터를 통합하여 수신 전력과 SINR를 계산한다.
• 7세포, 21섹터 구조를 가진 시스템 수준 시뮬레이터를 사용하여 RIS를 세포 경계나 중심에 설치하고, RIS 크기(16×16 또는 40×40 요소)와 개수(1섹터당 8개 또는 16개)를 다양하게 설정한다.
• 상호 커플링 영향을 평가하기 위해 요소 간격(0.5λ, 0.8λ, 0.4λ)을 다양하게 설정하여 성능을 분석한다.
• 단일 편광 작동 및 BS 및 RIS의 고정된 아래로 기울임 각도를 포함한 현실적인 RIS 배치 시나리오를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수신 신호 전력과 SINR 측면에서 세포 경계에 RIS를 설치하는 것과 세포 중심에 설치하는 것의 성능를 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ2 패널당 RIS 요소 수를 늘릴 경우(16×16 대비 40×40) 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 1섹터당 RIS 패널 수를 늘릴 경우(8개 대비 16개) 다중 세포 환경에서 네트워크 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SINR 및 신호 전력 측면에서 요소 간격을 줄일 경우(예: 0.4λ 대비 0.8λ) 성능 향상가능성이 어떻게 되는가?
• RQ5 경로 손실 및 샤도잉 패러미터 모델이 도시 매크로 환경에서 RIS 지원 시스템 수준 시뮬레이션의 정확성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 세포 경계에 RIS를 설치할 경우 세포 중심에 설치하는 것보다 더 높은 성능 향상을 기록하며, 16개의 40×40 요소 패널을 사용할 경우 수신 신호 전력에서 최대 6.3 dB 향상되고 SINR에서 5.4 dB 향상된다.
• 패널당 RIS 요소 수를 16×16에서 40×40으로 늘일 경우, 8개 패널을 사용하는 16×16 케이스 대비 수신 신호 전력에서 1.7 dB 향상되고 SINR에서 1.9 dB 향상된다.
• 1섹터당 RIS 패널 수를 8개에서 16개로 두 배로 늘일 경우, 수신 신호 전력에서 1.7 dB 향상되고 SINR에서 1.9 dB 향상되며, 이는 RIS 밀도가 성능 향상에 크게 기여한다는 것을 시사한다.
• RIS 요소 간격을 0.8λ×0.5λ에서 0.4λ×0.4λ로 줄일 경우 SINR 성능 향상이 이루어지며, 이는 더 좁은 요소 간격이 빔포밍 이득을 향상시키고 상호 커플링 영향을 감소시킨다는 것을 입증한다.
• 제안된 RIS 안테나 모델은 현실적인 복사 패턴을 효과적으로 반영하여 LOS 조건 하에서 RIS 지원 네트워크의 정확한 시스템 수준 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과는 RIS 배치가 요소 수, 패널 수 및 설치 위치를 최적화할 경우 커버리지와 스펙트럼 효율을 크게 향상시킬 수 있음을 확인한다. 특히 6G 네트워크에서 중요한 성능 향상이 가능하다.