[论文解读] SimRIS Channel Simulator for Reconfigurable Intelligent Surface-Empowered Communication Systems

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

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 17

一句话总结

本文提出 SimRIS，一个用于太赫兹波（mmWave）通信系统的可重构智能表面（RIS）增强通信系统的开源、物理准确的信道模拟器。该模拟器对 RIS 辅助链路建模，考虑自由空间路径损耗、镜面反射及实际传播效应，结果表明：在视 Line-of-Sight（LOS）主导的室内和室外场景中，当发射端-RIS 和 RIS-接收端链路均为视距时，RIS 显著提升了可实现速率。

ABSTRACT

Reconfigurable intelligent surface (RIS)-assisted communication appears as one of the potential enablers for sixth generation (6G) wireless networks by providing a new way to optimize the communication system performance. This paper aims to fill an important gap in the open literature by providing an accurate, 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 aspects of wireless propagation in the presence of an RIS as well as various practical 5G channel modeling issues. The open-source and comprehensive SimRIS Channel Simulator is also introduced in this paper to be used in computer simulations of RIS-assisted communication systems.

研究动机与目标

• 解决 6G 研究中在毫米波频段缺乏开源、准确且广泛适用的 RIS 信道模型的问题。
• 将 RIS 集成到最先进的 5G 信道模型中，以反映真实世界的传播条件。
• 提供一个全面的开源仿真工具，以支持 RIS 增强系统的设计与性能评估。
• 在室内和室外环境中实现对 RIS 的精确建模，包含真实的路径损耗和反射效应。
• 通过提供可测试、可扩展的平台，促进未来 RIS 信道建模与实验验证的研究。

提出的方法

• 开发一个基线级联信道模型，整合自由空间路径损耗和镜面反射，用于 RIS 增强链路。
• 推导多散射体及实际 RIS 元素增益下 RIS 辅助系统的功率归一化规律。
• 实现一个基于 MATLAB 的 SimRIS 信道模拟器，支持可调工作频率、终端与 RIS 位置、RIS 元素数量以及环境类型。
• 集成物理层模型，包括有效孔径、再辐射效率和与距离相关的路径损耗，适用于发射端-RIS 和 RIS-接收端链路。
• 集成错误检查机制，以验证输入参数并确保仿真可靠性。
• 利用该模拟器在多种室内和室外场景下生成数值结果，包括视距（LOS）与非视距（non-LOS）条件。

Figure 1: RIS-assisted communication with LOS links.

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端-RIS 和 RIS-接收端链路均为视距或非视距时，RIS 在室内环境中的性能如何变化？
• RQ2 在视距概率变化的室内场景中，RIS 的高度和位置对可实现速率有何影响？
• RQ3 在城市峡谷型室外环境中，当直接发射端-接收端链路存在或缺失时，RIS 性能受到何种影响？
• RQ4 在真实传播条件下，RIS 在毫米波频段对频谱效率的提升程度如何？
• RQ5 当直接链路被阻塞时，RIS 与接收端之间的距离如何影响系统性能？

主要发现

• 当发射端-RIS 和 RIS-接收端链路均为视距时（例如 RIS 安装在 2 米高度），可实现速率显著提升，且在室内和室外场景中均观察到增益。
• 在中等 RIS 高度 1.5 米（视距概率较低）时，由于 RIS 辅助链路路径损耗较高，RIS 仅带来微小的信噪比（SNR）增益。
• 在城市峡谷型室外环境中，当直接发射端-接收端链路被阻塞时，随着接收端远离 RIS，可实现速率急剧下降，表明 RIS-接收端距离是关键性能因素。
• 在同时存在直接链路和 RIS 辅助链路的场景中，当接收端靠近发射端时，可实现最高的数据速率，因为此时直接链路起主导作用。
• SimRIS 模拟器成功建模了真实的毫米波传播效应，包括路径损耗和反射，从而支持高精度的系统级仿真。
• 开源的 SimRIS MATLAB 软件包支持在多样化环境与配置下实现可复现、灵活且可扩展的 RIS 增强系统仿真。

Figure 2: RIS-assisted communication with $M$ IOs between Tx-RIS.