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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...

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...

在 LTE 系統中, 支援了多種不同的傳輸方式, 透過多天線的傳輸, 與編碼技術, 用以增加傳輸的速率, 考慮到不同的技術, 就有不同的量測信號需求,  因此, 在 LTE 系統中就以不同的傳輸模式 (Transmission Mode, TM) 作為區分, 其中, 主要的兩項技術為: 透過 code book 的選擇進行 MIMO, 或是透過 phase shifter 和振幅的調變, 進行 beamforming, 基於 Rel. 12 的基準, 我們把 Transmission Mode 的表格與相對技術, 列於下表: 來自:  https://www.rohde-schwarz.com/ae/file/1MA186_2e_LTE_TMs_and_beamforming.pdf 在表中, 我們可以看到 TM 可以大概分成 4 類: TM 1: 原本全向性天線的傳輸 TM 2~6: MIMO 的通訊技術 TM 7~8: Beamforming 技術 TM 9~10: 8x8 MIMO/Beamforming 設計 其中, 需要注意的是第三個欄位,  顯示了 antenna port, 對應於不同的天線埠, antenna port 0~3 對應於真實的天線 0~3, 對應於 TM 1~6, 此部分是比較傳統的設置, 不同 port 的數值對應於不同的 RS (參考訊號), * 關於 RS 的部分, 我們會在下一篇文章中說明. 在 TM 1~6 的設計中, 每個 UE 接收基地台不同實體天線的訊號, 並回報估測通道. 至於對於 Beamforming 的 TM 7~8, 由於天線場型已被改變, 因此, 此處的參考訊號是針對每一個 UE 設計 (稱為 UE-RS), 在 UE 回報時, 也是針對不同的 Beamforming 場型設計進行回報. 考慮到此處的天線已經過 Beamforming 的調整,  因此, 在 TM 7 中, 對應到 antenna port 5 (作為一個虛擬的天線). 在 TM 8 中, 則可以把 8 根天線分成兩組, 分別進行兩次 Beamforming, 對應於 antenna port 7 和 8, 此兩組天線可對應於單一 UE 或是 2 個 UE. 延伸自 TM 8 的設計,  TM ...

在 WiFi 的系統中, 我們通常想到得知 SSID 的方式, 都是 WiFi AP 透過 Beacon 封包進行廣播. 然而, 由於 Beacon 的傳送間隔不確定, 且需在同頻上進行接收, 對使用者而言, 若需要快速知道附近所有的 WiFi AP 列表, 就可以用 Probe 的方式進行主動掃描. 對於 Probe Request 封包而言, 其包含的資訊和 Beacon 類似, 主要有以下資訊: [header] 目標的 BSSID (若為廣播探索則填入 FF:FF:FF:FF:FF:FF) 裝置目前使用的通道 支援的通訊速度, 對 HT PHY 的支援 來自: https://documentation.meraki.com/MR/Monitoring_and_Reporting/Location_Analytics 當 WiFi AP 收到 Probe Request 後, 會檢查其支持的速率,  若相符則會回覆 Probe Response, 其格式基本上和 Probe Request 一致, 只是在 SSID 欄位中會帶有 WiFi AP 對應的 SSID 的資訊. 來自:  http://csie.nqu.edu.tw/smallko/sdn/mininet-wifi_lab1.htm 由上述內容可知, Probe Request/ Response 基本上是一種反向的 Beacon, 不但目標一致: 讓 WiFi Client 得知 WiFi AP 的資訊, 連傳送的封包格式都類似, 唯一差別的地方應是發送的時機, 不同於 Beacon 為等時發送 (通常是 1 秒 10 次), Probe Request 為使用者發起, 例如, 在手機上進行 Scan WiFi, 因此, 其傳送的間隔不定, 根據 Cisco Meraki 的統計, 對於手機裝置約為下表: 來自:  https://documentation.meraki.com/MR/Monitoring_and_Reporting/Location_Analytics 針對未連線的使用者, 裝置會頻繁 (每分鐘 10-15 次) 的發送 Probe Request, 隨時準備更新要連線的目標, 進入休眠則保持約每分鐘探索一次的頻率, 節省電力. 但是對於已連線 (...