[論文レビュー] Indoor and Outdoor Physical Channel Modeling and Efficient Positioning for Reconfigurable Intelligent Surfaces in mmWave Bands

Ertuğrul Başar, Ibrahim Yildirim+1 more|arXiv (Cornell University)|May 31, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用数 47

ひとこと要約

この論文は、屋内外環境に適用可能な物理ベースのオープンソースmmWave RISチャンネルモデルを提示し、LOS/NLOS、シャドウイング、RIS素子パターンを含むとともに、RISベースのシステム設計のためのSimRISシミュレータを提供します。

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.

研究の動機と目的

• mmWave帯の基本的なオープンソースのRIS強化チャンネルモデルを開発し、5G物理チャンネルモデルと統合する。
• LOS、シャドウイング、共有クラスタ、およびRIS素子パターンを含む統一的な屋内/屋外のナローバンドRISチャンネルモデルを提供する。
• さまざまな環境におけるRISの展開と配置に関する実用的な洞察とガイドラインを提供する。
• 周波数とレイアウトを横断して調整可能なRISベースのチャンネルモデリングのためのオープンソースMATLABツール（SimRIS）を提供する。

提案手法

• RIS支援リンクのための電力スケーリングを伴う遠方場仮定の連鎖RISチャンネルモデルを採用する。
• Tx–RISおよびRIS–Rxサブチャネルを、3GPP/5Gモデルに由来するクラスタ統計的MIMOアプローチを用いて構築する。
• RIS素子をcos^q放射パターンと一様正方形アレイ応答で表現し、ステアリングベクトルを計算する。
• シャドウフェージングを伴う5Gクローズイン自由-space参照距離モデルを用いて現実的なパス損失を組み込む。
• LOS確率とランダムなクラスタ/サブレイパラメータをモデル化し、現実的な屋内/屋外のRISチャンネルを生成する。
• 周波数、位置、RISサイズを調整可能なMATLABのオープンソースSimRIS Channel Simulatorを提供する。

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

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援mmWaveチャネルを屋内と屋外の両方の環境で物理的に正確な方法でどのようにモデリングできるか？
• RQ2 RIS幾何形状、素子パターン、環境クラスタリングがRIS強化リンクの性能に与える影響は何か？
• RQ3 さまざまな展開シナリオで利得を最大化するためにRISはどのように配置すべきか？
• RQ4 Tx–RISとRIS–Rx間の共有クラスタおよびLOS条件を統一RISチャンネルモデルにどのように組み込むことができるか？

主な発見

• LOS、シャドウイング、共有クラスタを含む屋内外mmWaveシナリオ向けの統一された物理ベースのナローバンドRISチャンネルモデルが開発された。
• 調整可能なRISベースのチャンネルモデリングのためのオープンソースSimRIS Channel Simulatorが導入される。
• モデルは潜在的なRIS利得とユースケースを示し、効率的なRIS展開と配置の実践的ガイドラインを提供する。
• 将来の研究で現実的なRISアーキテクチャ、欠陥、空間相関を含めるよう拡張可能。
• このアプローチはRISを最先端の5Gチャンネルモデルに統合し、より現実的なRIS支援システム解析を可能にする。

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