Castle on a Cloud

本文所指的 RIS 通道模型, 參考自以下論文:  G. C. Trichopoulos et al., "Design and Evaluation of Reconfigurable Intelligent Surfaces  in Real-World Environment," in IEEE Open Journal of the Communications Society, vol. 3, pp. 462-474, 2022 在上一篇文章中, 我們介紹了 RIS 的另一種看法, 也就是以 codebook 的角度, 將 RIS 視為一個整體, 設計不同方向的天線增益. 在此處所謂的方向, 不只包含反射方向, 也包含了射入方向. 這是因為 RIS 的特性所致, 考慮到輸入的訊號為一個來自遠場的平面波, 不同射入的角度, 將導致不同的 RIS 增益*. *在 RIS 的假設中, 假設傳送端到 RIS 與 RIS 到接收端間為直視路徑, 因此, 不同的入射角度訊號, 代表不同的反射平面波,  考慮到 RIS 沒有主動發送訊號, 此平面波也扮演著發送端訊號的來源, 在設計 beamforming 中, 需要一併考慮造成的相位與傳輸距離. 在設計大小為 M x N 的 RIS 每一個元件對應的相位變化時,  我們可以先假設已知傳送端與接收端的通道響應,  並據此最大化使用者的通道容量, 作為設計準則, 如下所示: 其中,  \rho 代表的是傳送功率和雜訊的比例, h 為入射與出射的通道響應, \Phi 代表的是 RIS 產生的通道變化, 為一個 MN x MN 的矩陣, \phi 為對應的對角數值, 為一個 MN x 1 的向量數值, 代表 M x N 個元件的相位變化, 每一個 \phi_mn 的數值可以在 0-360 度之間調整, 並取最佳的數值作為設計, 至於 k 則標定 OFDM 系統中的 subcarrier 的頻率. 上述的問題為一最佳化問題, 我們可以對此進行一些簡化, (1) 考慮到 \rho 和變數無關, 以及 log2(.) 函數單調遞增的特性, 我們可以只考慮 RIS 與通道相乘產生的影響, 如下所示: (2) 考慮到傳送端到 RIS 與 RIS 到接收端間為直視路徑, 我們可以直接以 RIS 對不同入射角與出射角的通

本文所指的 RIS 通道模型, 參考自以下論文:  G. C. Trichopoulos et al., "Design and Evaluation of Reconfigurable Intelligent Surfaces  in Real-World Environment," in IEEE Open Journal of the Communications Society, vol. 3, pp. 462-474, 2022 在之前的介紹中, 我們把 RIS 視為一堆元件的集合, 其中, 每一個元件可以調整反射訊號對應的相位, 因此, 透過相位的調整, 以及對應的建設性或破壞性干涉, 便可以使用 RIS 控制接收端的訊號強度. 這樣的架構優點在於我們可以控制每一條反射路徑的細微變化, 但是, 也造成了訊號強度回報時, 因為過多的設定組合,  造成量測資料收集與回報的延遲, 以致無法適用於快速的裝置追蹤. 考慮到 RIS 技術的演進,  可預期的是單位面積內 RIS 元件的密度與元件的可調狀態上升, 若我們依然使用每個元件控制的方法進行, 則會面臨計算複雜度過高的問題, 我們可以減的的假設一個 4*4 的 RIS 元件, 若每個有8個可調狀態, 且每一個狀態切換需要 5ns (10^-9 second), 則切完一輪所有狀態, 需要時間約為: 8^16*5*10^-9 = 1.4*10^6 秒, 換句話說, 391 小時, 這樣的時間尺度當然是無法被允許的, 也因此, 若要去實作 RIS 系統, 比較有可能的是: 預先建立幾組往不同方向增益的 RIS 反射場型, 以及對應的 RIS 元件設定, 在對 RIS 進行狀態改變時, 就只需改變 RIS 的反射場型, 也因此, 在這一篇文章中就以這樣的角度探討 RIS 於真實世界的功用, 不同於之前探討 RIS 的論文中, 透過調整 RIS 元件的相位變化, 在此文章中, 將 RIS 反射板視為一個整體, 討論其整體對不同出射方向上之增益, 透過預先以電磁模擬軟體建立的建設性與破壞性干涉結果, 作為預先設定. 這樣的方法類似於波束指向中的 codebook 設計, 也就是透過預先的模擬與編碼 (設定 RIS 元件的狀態), 最佳化方向增益, 因此, 在系統實作時, 就只需要選擇不同方向增益,