[论文解读] 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 47

一句话总结

本文提出一个物理的、开源的毫米波 RIS 通道模型，适用于室内外环境，包括 LOS/NLOS、阴影效应和 RIS 元件的辐射模式，以及用于 RIS 基于系统设计的 SimRIS 仿真器。

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.

研究动机与目标

• 开发一个基础的、开源的 RIS 增强通道模型，适用于毫米波频段，并与 5G 物理通道模型集成。
• 提供一个统一的室内/室外窄带 RIS 通道模型，包含 LOS、阴影、共享簇和 RIS 元件辐射模式。
• 为在各种环境中部署与定位 RIS 提供实用的见解与指南。
• 提供一个开源的 MATLAB 工具（SimRIS），用于跨频率与布置的可调 RIS 基通道建模。

提出的方法

• 在远场假设下采用级联 RIS 通道模型，并对 RIS 辅助链路进行功率缩放。
• 使用源自 3GPP/5G 模型的簇集统计 MIMO 方法来构建 Tx–RIS 和 RIS–Rx 子信道。
• 用 cos^q 辐射模式和均匀方阵响应来表示 RIS 元件，以计算导向向量。
• 通过 5G 的近距离自由空间参考距离模型并结合阴影衰落，纳入现实的路径损耗。
• 对 LOS 概率以及随机簇/子波参数进行建模，以生成现实的室内/室外 RIS 通道。
• 提供一个开源的 MATLAB SimRIS 通道仿真器，具可调频率、位置和 RIS 尺寸。

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

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在室内和室外环境中以物理准确的方式对 RIS 辅助的毫米波通道进行建模？
• RQ2 RIS 几何形状、元件辐射模式以及环境簇对 RIS 增强链路性能的影响有多大？
• RQ3 在不同部署场景中应如何定位 RIS 以最大化增益？
• RQ4 如何将 Tx–RIS 与 RIS–Rx 之间的共享簇和 LOS 条件纳入统一的 RIS 通道模型？

主要发现

• 为室内外毫米波场景开发了一种统一的、基于物理的窄带 RIS 通道模型，涵盖 LOS、阴影和共享簇。
• 引入一个开源的 SimRIS 通道仿真器，用于可调的 RIS 基通道建模。
• 该模型展示了潜在的 RIS 增益与应用场景，并提供高效 RIS 部署与定位的实用指南。
• 在后续工作中，该框架可扩展包括更真实的 RIS 架构、缺陷以及空间相关性。
• 该方法将 RIS 集成到最前沿的 5G 通道模型中，使 RIS 辅助系统分析更具现实性。

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