[论文解读] Physical Channel Modeling for RIS-Empowered Wireless Networks in Sub-6 GHz Bands

Muhammet Fatih Kılınç, İbrahim Yıldırım+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2021

Antenna Design and Analysis被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种用于 sub-6 GHz 频段的可重构智能表面（RIS）辅助无线网络的三维物理信道模型，同时考虑了近场和远场传播效应。通过引入真实的三维几何结构、RIS相位偏移以及路径损耗模型，研究结果表明，RIS的部署显著提升了可实现速率，尤其是在大尺寸RIS在近场区域工作时，其性能甚至优于发射功率高出10 dB的非RIS系统。

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.

研究动机与目标

• 为解决 sub-6 GHz 频段中 RIS 赋能网络缺乏全面物理信道建模的问题，该频段广泛应用于 4G/5G 和 Wi-Fi 系统。
• 开发一种考虑远场与近场传播条件的现实三维信道模型，特别是在 RIS 靠近终端时的情况。
• 利用经过验证的仿真器，评估 RIS 尺寸、位置、工作频率以及终端几何结构对系统性能的影响。
• 证明近场 RIS 部署可显著提升频谱效率，相较于传统系统具有明显优势。
• 提供一个开源的 sub-6 GHz RIS 网络物理信道仿真器，支持调整频率、RIS 尺寸和终端位置等参数。

提出的方法

• 基于 3GPP 规范采用三维信道建模方法，包含视 Line-of-Sight（LoS）和非视 Line-of-Sight（NLoS）簇，每个簇包含多条射线。
• 将 RIS 建模为具有 N 个单元的均匀平面阵列（UPA），每个单元可控制相位偏移以反射信号。
• 通过 RIS 反射矩阵 Θ 将发射端到 RIS、RIS 到接收端以及直接发射端到接收端的链路联合起来，推导出端到端 SISO 信道响应。
• 通过在 RIS 位于接收端近场区域时采用三维球面波前模型，建模 RIS-Rx 链路，以引入近场效应。
• 采用统计路径损耗模型，同时考虑 LoS 和 NLoS 条件下的距离相关路径损耗与阴影衰落。
• 采用闭式表达式计算瞬时信噪比：ρ = Pt |gᵀΘh + h_SISO|² / N₀，其中 h 和 g 分别表示 RIS 信道向量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 sub-6 GHz 频段中，RIS 赋能系统的可实现速率在近场与远场条件下如何变化？
• RQ2 RIS 尺寸（RIS 元素数量 N）和部署几何结构对室内与室外环境中系统性能有何影响？
• RQ3 RIS 相对于发射端和接收端的位置如何影响可实现速率，特别是在近场工作时？
• RQ4 在 sub-6 GHz 频段中，RIS 辅助系统是否能超越发射功率更高的传统非 RIS 系统？
• RQ5 在近场场景中，由于俯仰角差异，RIS 元素的有效孔径如何变化？

主要发现

• 当 RIS 安装高度与发射端一致时（例如 z^RIS = 3 m），可实现 100% 的 LoS 概率，相比更低位置部署，可实现速率显著提升。
• 在给定 RIS 尺寸下，可实现速率随 RIS 元素数量 N 增加而提升，即使在室外场景中使用 1024 个元素时仍可观测到增益。
• 在 2.4 GHz 的室外环境中，N = 1024 个元素的 RIS 系统频谱效率优于发射功率高出 10 dB 的非 RIS 系统。
• 当 RIS 靠近接收端（距离 2–3 m）时，随着 RIS 沿 y 轴远离，可实现速率先上升，这是由于有效孔径和相位对准得到改善。
• 当 RIS 位于接收端前方并工作在近场区域时，系统性能达到最大值，尤其在大尺寸 RIS 情况下表现更优。
• 与远场近似相比，近场建模能更准确预测系统性能，尤其在大尺寸 RIS 且靠近接收端时优势更为明显。