[B5G] Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) 模型: 理論

本文所指的 RIS 通道模型, 參考自以下論文:

H. Zhang, H. Zhang, B. Di, K. Bian, Z. Han and L. Song,
"Towards Ubiquitous Positioning by Leveraging Reconfigurable Intelligent Surface,"
in IEEE Communications Letters, vol. 25, no. 1, pp. 284-288, Jan. 2021

為了對 RIS 的系統進行分析, 首先, 我們要賦予其通道的模型.

RIS 的通道模型是基於光線追踪模型 (ray tracing model),

在此通道模型下, 將接收端所收到的訊號表示成許多路徑的疊加,

按照其路徑的特性, 又可以分成 LoS (直視) 與 NLoS (非直視) 路徑,

透過上述假設, 我可以把通道模型描述如下:

在此通道模型中, c 代表的是位置的資訊,

接收的訊號表示為傳送的功率, 扣去來自路徑的衰減 (path-loss),

在 path-loss 的項次中, 又可以分成三項: 

h_lo (直視路徑的通道), h_m,n (非直視路徑的通道), \xi 則是遮蔽效應的衰減,

我們可以把詳細的資訊如下:

其中, 我們先看 h_lo (直視路徑的通道), 

在 RIS 的通道模型中, 直視路徑的通道不經過 RIS, 

因此, 這項次就是一般的路徑衰減形式, 可以進一步分成兩項:

1. 強度變化: 包含傳送與接收端的增益, 以及在分母項的距離 (l),

2. 相位變化: 在 exp 項次內, 代表訊號的相位改變, 和距離 (l) 和波長 (\lambda) 相關

而在 h_m,n (非直視路徑的通道), 除了直視路徑的項次外,

也加入了 RIS 的對於相位的影響 (r_m(c_m)).

在 RIS 的通道模型中, 假設一個 RIS 反射板有 M 個 RIS 區塊,

每一個 RIS 區塊對應於一條反射路徑, 可以透過調整 C 個 RIS 元件,

來改變 RIS 所對應的通道變化, 如下所示:

在可以調整的項次中, 包含兩項: 

• Configuration (c): 代表的是 RIS 區塊的設定, 對應於相位變化
• ON/OFF Switch (r(c_m)): 代表 RIS 區塊是否開啟, 若不開啟, 此反射路徑消失

這兩層的 RIS 控制項代表著對 RIS 實作的想法,

Configuration 是必須被預先設計決定, 同時, 也有設頻電路切換速度的限制,

相對的, ON/OFF Switch 就比較能夠及時的改變, 可以用來快速變化通道的響應.

不論如何, 目前在 RIS 的理想通道環境中, 仍是有許多不完美的地方,

例如: 如何確定 RIS 對應的反射路徑? 其他未經 RIS 反射的訊號影響?

甚至, ON/OFF Switch 使反射路徑消失也是一個不直觀的假設,

接下來, 我們會透過 RIS 的系統實作, 來對於此通道模型進行分析,

進一步了解目前 RIS 的希望與困難.