[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) Assisted Wireless Coverage Extension: RIS Orientation and Location Optimization

Shuhao Zeng, Hongliang Zhang+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 11

一句话总结

本文提出了一种可 reconfigurable intelligent surface（RIS）辅助下行链路网络的覆盖率最大化算法（CMA），通过联合优化RIS的定向与基站（BS）的水平距离。推导出RIS最优定向为π/2（垂直于BS-RIS方向），并采用内点法优化距离，结果表明适度的部署位置可最大化覆盖率，并显著提升边缘用户性能。

ABSTRACT

Recently, reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have attracted a lot of attention due to their capability of extending cell coverage by reflecting signals toward the receiver. In this letter, we analyze the coverage of a downlink RIS-assisted network with one base station (BS) and one user equipment (UE). Since the RIS orientation and the horizontal distance between the RIS and the BS have a significant influence on the cell coverage, we formulate an RIS placement optimization problem to maximize the cell coverage by optimizing the RIS orientation and horizontal distance. To solve the formulated problem, a coverage maximization algorithm (CMA) is proposed, where a closed-form optimal RIS orientation is obtained. Numerical results verify our analysis.

研究动机与目标

• 为解决现有RIS辅助网络中缺乏系统性RIS部署优化的问题，特别是针对覆盖扩展问题。
• 研究RIS定向与RIS到基站（BS）的水平距离如何影响单个基站与一个用户设备（UE）的下行链路场景中的小区覆盖范围。
• 建立并求解一个联合优化问题，通过调节RIS定向与位置以最大化小区覆盖范围。
• 开发一种实用算法（CMA），实现RIS定向的闭式最优解与高效的距离优化。

提出的方法

• 通过将RIS的反射系数建模为入射角与相位移的函数，建立覆盖率最大化问题。
• 利用几何分析与信噪比（SNR）分析，推导出RIS最优定向为π/2弧度（90度）的闭式解。
• 应用内点法对RIS与BS之间的水平距离进行数值优化，以实现最大覆盖率。
• 将RIS建模为具有可调相移的M×N亚波长单元平面阵列，其振幅响应为Γ = cos(θi)。
• 利用余弦定理根据BS-RIS与RIS-UE链路之间的夹角φ，计算UE与RIS之间的水平距离。
• 引入阈值距离d_th(φ)，基于SNR需求定义小区覆盖区域的边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RIS辅助的下行链路网络中，使小区覆盖最大化的最优RIS定向是什么？
• RQ2 RIS与基站之间的水平距离如何影响可实现的小区覆盖范围？
• RQ3 信号入射到RIS上的入射角如何影响反射系数，进而影响UE处的信噪比（SNR）？
• RQ4 在现实信道模型下，能否通过解析方法推导出最优RIS定向的闭式解？
• RQ5 与随机或启发式部署策略相比，所提出的CMA算法在覆盖率增益方面表现如何？

主要发现

• 最优RIS定向为π/2弧度（90度），即RIS应垂直于连接基站与RIS的连线方向。
• 当RIS位于距基站适中水平距离时，小区覆盖达到最大，既不过近也不过远。
• 当RIS距离基站过远时，尽管入射角有利导致反射系数较高，但路径损耗仍导致覆盖性能下降。
• 所提出的CMA算法相比随机部署显著提升了覆盖率，且优于忽略入射角影响的基准方案。
• 仿真结果表明，随着发射功率与RIS单元数量的增加，覆盖率随之提升，这是由于信噪比（SNR）得到改善。
• 理论与仿真得到的覆盖率曲线一致，验证了分析模型与推导出的最优定向的正确性。