[B5G] Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) 模型: 系統實作的限制

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本文所指的 RIS 通道模型, 參考自以下論文: 
H. Zhang et al., "MetaRadar: Indoor Localization by Reconfigurable Metamaterials," 
in IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 21, no. 8, pp. 2895-2908, 1 Aug. 2022

在上一篇文章中, 我們介紹了如何投過訊號的疊加建立一個訊號強度模型,
此模型基於每一個 RIS 元件狀態對於固定位置的訊號變化,
並將各 RIS 元件狀態導致的訊號差異進行疊加作為最終的訊號模型.

在這一篇論文中, 除了提出並驗證此訊號強度模型之外,
另一個值得注意的成果就是透過實驗的訊號量測, 
對於 RIS 的反射訊號強度進行各種實驗與分析, 並提出目前 RIS 的實作限制.
先從結論說起, 此 RIS 通道模型的限制大致上可以分成下列 3 項:
  • 多裝置之間的干擾:
    多個定位目標, 將導致新的 multipath 效應, 影響收到的訊號強度
    在實驗中, 越多裝置在目標區域內, 通道模型的誤差上升,
    同時, 遮蔽相對 RIS 的 LoS 的影響 (裝置沿入射方向擺放) 非常顯著.
  • 距離對於通道場型的影響:
    根據實驗結果, 訊號強度的變化隨著和 RIS 間的距離上升而下降,
    在 3 公尺後, RIS 在目標量測空間中的效果就不顯著.
  • RIS 的物理限制 (窄頻):
    RIS 的設計對於操作頻率很敏感
    只可以操作在極窄的頻帶上 (本篇論文只使用單一頻率作為訊號源)
除了第三點之外, 我們以下以 RIS 的不同實驗作為說明,
在這篇研究中, 討論的是定位的問題, 因此, 實驗的統計結果的是定位的誤差,
不過, 考慮到定位中參考的資訊就是接收的訊號強度,
定位的結果也可以延伸為 RIS 對於通道產生的影響強度.

  • 實驗一: 不同距離的訊號強度差異

在此實驗中, 測試在不同距離 (1, 2, 3 公尺) 處 RIS 對通道產生的變化,
其中, 有兩個測試結果值得注意, 
第一, 在右圖 (c) 比較了訊號源為指向性天線和全向性天線的定位結果,
可以看到全向性天線 (有直視路徑到接收立方) 的定位結果較差,
這也代表 RIS 在有其他直視路徑時, 能夠藉由改變反射訊號帶來的差異不大.
第二, 在右圖 (e) 中比較了不同距離中, 訊號強度受 RIS 的影響,
在圖中, 我們可以看到當距離 RIS 3公尺時, 訊號強度的變化就不再明顯.
  • 實驗二: 不同數量使用者的交互影響

在此實驗中, 放置了不同數量的使用者, 進行多使用者的定位.
當有多個使用者時, 要最佳化 RIS 的配置, 自然造成對單一使用者的效能較差.
不過更值得注意的時, 這種疊加的通道強度模型, 並未考慮其他使用者的遮擋,
因此, 當使用者垂直 (相對 RIS) 排列時, 會出現不預期的通道響應. 
  • 實驗三: 垂直使用者的互相干擾

實驗三可以說是實驗二的延伸, 我們可以得到兩個結論: 
  • 相對於 RIS 的直視路徑對於該通道模型而言極為重要
  • 阻擋的效應和使用者之間距離相關
以上三組實驗, 說實話, 結果都非常直觀, 驗證了此疊加模型的優點與限制.
比較令人訝異的應該是 RIS 有效的距離, 似乎只在短距離內有效用.
針對此點, 論文作者也提出了兩個解決的方案:
第一, 使用更大的 RIS 平面, 更多的 RIS 單元, 應可達成更強的 RIS 效應
第二, 廣泛的布建多個 RIS 平面, 使短距離的 RIS 操作距離可以覆蓋整個室內區域


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