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 以下的圖片與部分說明來自 3GPP 標準會議現況與趨勢研討會 (4/11), 講題為: ETSI 可重構智慧表面群組報告初探 (A brief summary of ETSI Group Report) 報告者為: 陽明交大電信所 黃昱智 副教授. 對於一個通訊系統的研究中, 最重要的是要有一個共通的比較基礎, 讓大家可以進行演算法開發, 有一個標準可以進行演算法開發的比較以及討論的基礎, 對於 RIS 來說也是, 因此, ETSI 也討論了相對應的通道模擬基礎. 在理論上, 我們可以把通道模型表示如下: 相較於原有的通道模型, 通常是只討論基地台到使用者的通道, 在此通道的基礎下, 我們討論兩種通道模式: LOS (直視路徑), NLOS (非直視路徑), 相較於傳統的通道模型, 當 RIS 加入網路之後, 多增加了一條路徑, 也就是 RIS -> UE 的通道, 此通道就和 RIS 所設定的 config 相關, 在 RIS 設定中, 為了彰顯 RIS 的效應, 我們通常假設 RIS -> UE 的通道為直視路徑, 同時, BS -> RIS 也用有直視路徑, 透過此兩個直視路徑, 對抗 BS-> UE 的非直視遮蔽. 為了討論 RIS 的通道模擬, 我們先看一下傳統的通道模型, 在 3GPP 的架構下就針對 LOS 和 NLOS 的通道, 針對不同環境進行建模: 對於通道建模而言, 通常是基於實際場域的量測資料, 建立隨著路徑的衰減參數, 以及在該環境下的訊號變異量, 此兩個數值, 在物理意義上, 代表了訊號強度隨著距離的衰減, 以及無線訊號在該環境中, 由於多路徑與遮蔽效應, 造成的通道變異. 考慮到 3GPP 的通道模型在通訊領域中已取得廣泛的成功, ETSI 在 RIS 的通道建模上就想要直接複用 3GPP 的通道建模量測, 但是額外加上兩個項次, 表示 RIS 對於通道的影響, 如下所示: 在其通道模型中, 加入了一項用以表示透過 RIS 產生的衰減, 另一項, 則是表示透過 RIS 反射路徑的通道加乘, 基於上述的通道模型, ETSI 也做出了一些量測, 並提供初步的參數如上表. 考慮到 ETSI 對於 RIS 的通道建模仍在初期的階段, 不論是上述的修正參數項, 以及後續的參數估計與量測, 都仍未定. 事實上, R...

 以下的圖片與部分說明來自 3GPP 標準會議現況與趨勢研討會 (4/11), 講題為: ETSI 可重構智慧表面群組報告初探 (A brief summary of ETSI Group Report) 報告者為: 陽明交大電信所 黃昱智 副教授. 在 ETSI 分類中, 也把 RIS 的通道估測模型分成兩類: 第一類是將無線通道拆成三段: BS-UE, BS-RIS, RIS-UE, 如下圖所示: 在此模型中, 通常 BS-UE 的通常視為不存在, 以發揮 RIS 的效應. 這個通道模型是學術界喜歡的通道模型, 因為可以直觀的看出 RIS 相位變化對於接收端訊號的影響, 同時複用原本的 MIMO 通道模型, 延續之前通訊問題的討論框架, 在 RIS 的應用中, 主要也就是透過調整上圖中 RIS 的相位 (\Phi) 來最佳化系統, 使得系統有較佳的傳輸效能. 第二種通道估測的方法則將通道 (BS-RIS, RIS-UE) 視為一個整體, 並透過使用者的反饋的訊號強度 (RSSI, RSRP) 或是通道量測 (CSI) 進行估測. 考慮到在真實通訊系統中, RIS 通常作為一被動元件, 無法進行通道量測, 也因此, 上述將通道分離為 BS-RIS 與 RIS-UE 的方法, 較缺乏實作的可行性,  針對這種通道整體估測的方式, 對應於不同的 RIS 設定, 操作方法又可分三類: Element-wise RIS: RIS 每一個元件分開調整相位 Sub-suface-based RIS: 將 RIS 區分成多個子區塊 (sub-surface) 分開調整  Configuration-wise RIS: 根據設想的 beam pattern, 設計對應的元件相位 其原理與說明, 如下圖所示: 上述三種不同的 RIS 操作方式, 分別對應於不同的應用情境, 第一種可以產生最多元的通道變化, 但對應的訓練與回授資料較大, 第二種則對應於超大型的 RIS, 可以切割為多個子平面服務不同使用者, 第三種則對應於小型的 RIS, 有較簡單的操作方式, 可能作為 RIS 初始的應用案例.

以下的圖片與部分說明來自 3GPP 標準會議現況與趨勢研討會 (4/11), 講題為: ETSI 可重構智慧表面群組報告初探 (A brief summary of ETSI Group Report) 報告者為: 陽明交大電信所 黃昱智 副教授. 在目前 RIS 的發展中, 由於還在前期的探索階段, 3GPP 尚未進行標準的推進, 目前主要題討論發展的組織為 ETSI, 全名為: European Telecommunications Standards Institute, 雖然一開始是歐洲的電信標準組織, 不過近年已轉型為全球化標準組織, 對於 RIS 的標準化, 主要在兩份文件 (未完成, 未公開) 的文件: ETSI GR RSI 0002 (Jan. 2022) ETSI GR RSI 0003 (Spet. 2022) 而目前 ETSI 對 RIS 的規劃為: 先進行先期的研究, 之後提到 3GPP 標準討論. 最終標準化的制定的主要賽場, 應仍是 3GPP 的標準會議. 在 ETSI 的規劃中, RIS 的控制可以分成 4 個種類: Network-controlled RIS: 由 Network 收集 measurement 收集/處理, 以及 RIS 的設定 Network-assisted RIS: 由 RIS 進行 measurement 收集/處理, 由 Network 進行 RIS 的設定 Standalone RIS: 由 RIS 收集 measurement 收集/處理, 以及 RIS 的設定 UE-controlled RIS: 由被授權的 UE 收集 measurement 收集/處理, 以及 RIS 的設定 可以整理如下表格: 其中, 我們先來看第 1, 2 種, 和 Network 相關的控制種類, 此處的 Network 不是網路, 而應該是指遠端的控制器 (雲端, 核心網路, 等), 相對的, RIS 也有一個 RIS Controller, 也負擔部分控制功能. 其對應的系統架構圖如下: (由於是截圖, 解析度較差, 請見諒) 在此框架下, Network-controlled RIS 的應用情境中, RIS 的控制全部由遠方 (網路) 的單元進行控制,  RIS Controller 基本上就只是根...

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...

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...

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...

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...

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, 我們討論了一個理想中的 RIS 通道模型, 事實上, 同一個研究團隊在之後也有了 RIS 的系統實作, 比對同一團隊的兩個不同研究, 我們可以更好的了解 RIS 在理論與實作上的差異, 並進一步的了解 RIS 在系統實作與操作上遇到的挑戰. 首先, 我們從 RIS 的硬體實作開始: 上圖描述了 RIS 的系統實作模型,  和理想的通道模型相比, 我們發現幾個差別: 有限且固定的 RIS 元件個數 (上圖為 16 個), 同時無法準確對應於所以反射路徑 RIS 元件需針對操作頻率 (3.2 GHz), 入射相位 (60, 90) 進行設計 設計後的 state 有限, 以此篇實作而言, 數量只有 4 個 RIS 整體反射板的大小偏大, 在實作中, 每個元件就 17 公分見方 考慮到上述的限制, 在這一篇實作的模型中, 所使用的 RIS 通道就改成以下的形式: 和上一篇的理想通道模型相比, 最大的差異是加入了未經 RIS 的 NLOS 路徑, 其中, RIS 的影響被放在 r(\phi^I, \phi^R_m, c_m) 的項次中,  代表的是 RIS 在某一設定 (c_m) 下, 針對給定入射相位 (\phi^I),  所產生的反射相位改變 (\phi^R_m), 此數值隨 RIS 的設定改變, 至於在此篇論文中, 4 個狀態所對應的相位改變設計數值, 可表示如下表: 相較上述和入射相位相關的通道模型, 在論文中只給出了入射-反射間的相位差,  考慮上下文的相關資訊, 此數值應該是在入射相位為 60 與 90 度所做的設計, 不過, 本文並未告知若入射相位偏離設計值所帶來的影響. 讓我們回到系統實作的通道模型,  事實上, 我們可以發現, 這個通道模型在模擬訊號強度上沒甚麼用.... 就算我們擁有 RI...

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 S...

在 5G/6G 的新通訊發展中, 有許多新的概念被提出, 當然, 也有很多曾經火紅的研究議題失寵, 今天要介紹的技術是 Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS), RIS, 也有人稱為 Intelligent Reflecting Surfaces (IRS), 其基本的想法就是: 透過一個可控制的反射平面, 改變訊號在不同方向的反射強度, 我們可以用下圖來表示其基本想法: 來自:  https://www.free6gtraining.com/2020/12/communications-using-intelligent.html 在上圖中, 介紹了 RIS 的基本構件以及基本的原理, 首先, RIS 是一個智慧反射平面, 其功能只限於電波的轉傳,  因此不帶有發送源 (Transmitter), 真實的傳送端位於左下角. 而接收端 (user 1, user 2) 則散布於此空間中,  透過直視 (LoS) 或是反射 (NLoS) 路徑, 接收來自於傳送端的訊號.  RIS 的目的就是透過改變反射訊號 (NLoS) 的通道特性,  改善接收端 (user 1, user 2) 的接收訊號強度. 如果只透過被動反射, RIS 如何改變反射訊號的通訊強度呢? 在上圖, 我們可以看到 RIS 為許多小型元件所組成. 每一個元件可以透過: 1) 改變阻抗, 2) 改變延遲, 3) 改變相位, 的方式m 等校上, RIS 可以對來自於遠場的電磁訊號 (遠場: 射線平行的來自於遠方),  進行反射時每一個射線 (ray) 的相位調整. 此處的調整, 則是透過控制器 (controller) 對 RIS 下達 configuration 達成. 而正如同我們之前在 beamforming 中所看到的, RIS 相當於一個被動的大型天線陣列, 雖然沒有主動的訊號源, 但是可以透過對反射訊號的相位設計, 達成對某一方向上訊號的增益. 這也是 RIS 這個想法讓無線通訊領域驚豔的原因. 在過去, 無線通訊主要透過改變傳送端和接收端的行為, 來增進整體通訊所達成的效能, 而通道, 通常是我們所必須克服的困難, RIS 則開啟了一扇"改變通道"的大門, 使無線通訊...