[B5G] Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) 模型: 訊號強度模型

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 RIS 的實作,

也說明了用以建立 RIS 通道模型時的各種變因,

作為結論而言, 在目前的實作限制下, 我們的確可以透過 RIS 改變通道,

但考慮到入射的相位無法控制, 以及入射角度無法控制的前提下,

我們無法像是 beamforming 一樣, 準確的調控反射訊號的方向響應.

若我們考慮的是接收的訊號強度, 此問題就變得更加困難,

因為所收到的訊號不只是來自於 RIS 反射, 

同時還包含了直視路徑 (訊號較強), 以及其他的反射訊號 (多路徑效應).

考慮到上述的問題, 這篇文章以一個實驗驗證 RIS 對通道的影響,

實驗環境圖如下所示:

在其實驗環境中, 我們可以看到一些特殊的設計:

1) 使用指向性天線 (horn antenna) 對準 RIS 產生一個方向固定, 能量集中的訊號.

2) 避免訊號源和量測區域 (綠色立方) 有直視路徑.

3) 量測區域 (綠色立方) 和 RIS 相距 1 公尺, 以無線傳輸而言, 算近距離

4) 量測立方中, 每一點距離相距 5 公分, 代表 RIS 反射在小區間內變化

基於上述的實驗環境, 論文作者假設每個 RIS 反射單元的變化是可疊加的,

換句話說, 相對於一個相同的基準 (例如: 所有 RIS 單元都在初始狀態),

我們可以個別調動每一個 RIS 單元的狀態, 量測其和基準的差異, 作成紀錄.

而通道的接收訊號模型, 也就表示為基準加上每一個 RIS 單元產生的差異的總和.

下圖則是其驗證的結果:

 

在圖中, 我們可以看到針對不同的設定 (RIS 單元操作於不同狀態),

根據訊號強度疊加所重建的訊號強度和量測值吻合,

不過需要注意的是, 其表示數值的單位為 Watt, 而非常見的 dBm,

若是換算成 dBm 的單位, 在上圖左中的 1 Watt 和 4 Watt 的差異才 6 dB,

並沒有大幅的差異, 相對的, 在 0~1 Watt 的數值在 log-scale 的差異會再放大.

在上圖右中, 顯示的是在同一位置的訊號強度變化, 其中的分布範圍約為 +/- 2 dB.

此實務上的通道模型, 反應的是 RIS 每一個元件的變化對通道的影響,

考慮到每個 RIS 元件對應的是一組反射路徑,

在訊號強度上的疊加的特性應是可以預期的結果. 

(也因此在 linear scale 上進行功率疊加的操作)

透過上述的實驗結果, 我們可以驗證 RIS 的確可以對通道產生變化,

但是, 實作上的訊號強度與通道模型的對應仍缺乏可分析的結果.

在下一篇文章中, 我們將介紹更多實驗結果, 分析目前 RIS 實作的限制.