[论文解读] SRAR-RISs: Simultaneous Reflecting and Refracting Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jiaqi Xu, Yuanwei Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2021

Advanced Antenna and Metasurface Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出同步反射与透射可重构智能表面（SRAR-RISs），通过同时实现信号的反射与透射来扩展覆盖范围。提出了近场与远场区域的闭式信道模型，明确将信道增益与物理参数及接收端几何结构关联，并通过理论分析与仿真结果凸显了两种工作模式下的关键差异。

ABSTRACT

In this letter, simultaneous reflecting and refracting reconfigurable intelligent surfaces (SRAR-RISs) are studied. Compared with RISs that only operate in the reflection mode, the coverage area of SRAR-RISs is extended via simultaneous reflection and refraction. We separately present a hardware model and channel models for the near-field region and the far-field region. The proposed channel models give closed-form expressions of the channel gains in terms of physical parameters of the SRAR-RIS and the geometrical information of the receivers. The differences between the far-field and the near-field channel models are revealed by analytical results and simulations.

研究动机与目标

• 解决仅工作于反射模式的传统RIS覆盖范围受限的问题。
• 通过同时实现信号的反射与透射，扩展RIS的覆盖区域。
• 为SRAR-RISs在近场与远场传播区域建立精确的信道模型。
• 表征SRAR-RIS系统中近场与远场信道行为的差异。
• 提供基于物理与几何参数的信道增益闭式表达式。

提出的方法

• 提出一种SRAR-RISs的硬件模型，实现对反射与透射系数的同步控制。
• 基于从RIS到接收端的几何路径损耗与相位偏移，推导近场信道模型，整合距离与角度信息。
• 利用标准远场近似，基于平面波前与均匀相位偏移，建立远场信道模型。
• 通过RIS的物理参数（如阵元间距、相位偏移）与接收端几何结构（如距离、出发角）的组合，以闭式表达信道增益。
• 通过理论推导与仿真对比近场与远场性能，验证模型有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅支持反射的传统RIS相比，RIS中同时实现反射与透射如何影响信号覆盖范围？
• RQ2 SRAR-RISs在近场与远场区域的信道行为存在哪些关键差异？
• RQ3 如何为SRAR-RISs推导出同时包含物理与几何参数的闭式信道模型？
• RQ4 RIS阵元间距与相位控制对近场与远场场景下信道增益有何影响？
• RQ5 所推导的模型在不同传播区域中的准确性与适用性如何比较？

主要发现

• SRAR-RISs通过利用反射与透射信号，显著扩展了覆盖范围，相比传统仅反射RIS有明显优势。
• 由于球面波前与非均匀相位偏移，近场信道模型表现出更高的路径损耗与更强的角敏感性，相较于远场模型。
• 已推导出基于RIS物理参数与接收端几何结构的信道增益闭式表达式，支持精确系统设计。
• 理论与仿真结果证实，远场近似在近场场景下会低估路径损耗并错误表征相位变化。
• 通过对比分析，定量揭示了近场与远场区域信道行为的差异，凸显了采用不同建模方法的必要性。