2024年智能超表面技术白皮书：信道建模与仿真

信道建模和仿真 RIS TECH 联盟Nov. 2024 前言 受益于最近在元表面技术方面的突破以及对多输入多输出（MIMO）技术的大量研究，可配置智能表面（RIS）已成为自2025年6月起在3GPP开始研究的潜在使能技术之一。在3GPP的技术研究中，一个重要的方面是性能评估，其中信道模型和仿真方法是需要达成一致的基本组成部分。与低功率节点等主动节点或感测对象不同，RIS设备是准被动的，例如没有功率放大器或有源滤波器，但具有规则形状和平滑表面。这意味着用于传统移动网络或集感知与通信于一体的信道建模和仿真方法不能直接应用于RIS。 该白皮书专注于中继站（RIS）建模和仿真方法的研究，旨在为明年3GPP 6G研究中RIS性能评估设定基准。 Contents 1.2.部署方案 1RIS 类型和假设 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3.渠道建模方法 7 3.1. 总体框架. 7 3.2.RIS 物理模型 11 3.2. 1. 基于等效辐射方向图的 RIS 物理模型。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 25 3.3.RIS 通道模型 26 3.3. 1.路径损耗模型。. 28 3.3. 2 。快速衰落模型。. 29 3.3. 3 。模型复杂度降低方法。. 33 3.3. 4 。可选功能。. 36. 4 、 RIS 渠道评估参数 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4.1 。大规模参数更新。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 39 5. 校准的系统级仿真假设 … … 5.1. 模拟假设 40 5.1. 1.网络布局模型。. 40 5.1. 2 。传播模型。. 45 5.1. 3 。天线和波束形成模式建模。. 46 5.1. 4 。其他仿真参数。. 49. ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． 53 1. 部署方案 可重构智能表面（RIS）是一种最具前景的技术之一，由于其潜在能力，能够建立低成本、低功耗的通信环境。基于可配置的元材料，RIS 能够调整入射无线信号的相位或幅度，并控制其传播方向，从而使动态变化的无线传播环境变得可编程。 截至当前，不同学院和公司已经推出了一系列RIS原型，并且对这些原型进行了大量的测试和验证，在各种场景下观察到了明显的覆盖范围/容量增益。所有这些进展揭示了RIS在未来无线网络中的潜在能力。 为了促进RIS在实际网络中的商业化应用，最关键的问题之一是确定RIS的高价值部署场景。从运营商的角度来看，RIS最有前景的应用是增强覆盖范围和容量，因为这些因素是运营商在商业化蜂窝通信网络时考虑的关键要素，直接影响服务质量以及资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）。因此，基于一系列特征对RIS的部署场景进行了研究。以下场景被定义用于潜在评估。 建议 1 ： RIS 可被视为优先部署的起点 以下场景 ： l 在FR2频段的室外静态或半静态覆盖增强l 在FR2频段的室内静态或半静态覆盖增强l 在FR2频段的室外到室内/室内到室外静态或半静态覆盖增强l 在FR2频段的室外动态覆盖增强l 在FR2频段的室内动态覆盖增强l 在FR2频段的室外到室内/室内到室外动态覆盖增强l 在FR2频段的低轨道动态覆盖增强l 在FR2频段的吞吐量增强，等等。 考虑了以下部署场景的评估参数表。括号内的(M)表示评估时必需的值，(O)表示评估时可选的值。 提案2：评估RIS部署场景的参数可以分为三个部分：发射机和接收机的特性、RIS的属性以及信号特征。应根据主要受其影响的场景选择和分析这些参数值。 2. RIS 类型和假设 作为一种潜在的6G技术，RIS可以在无线通信、信息调制、能量传输、传感、定位以及成像等领域中应用。学术界和工业界开发并研究了各种类型的RIS，包括反射RIS、传输RIS、STAR（同时传输与反射RIS）、吸收器RIS等，这些RIS基于不同的电学组件，如PIN二极管、变容二极管、液晶、CMOS开关和非易失性组件。同时，在传统无功放的被动RIS之外，学术界还提出了具有功放的主动RIS、传感RIS和非互易RIS等新型RIS。 为了标准化RIS信道模型，在6G标准制定的初期阶段，有必要筛选不同类型的RIS属性组合，以聚焦最重要的方面，从而便于优先确定需求。 以下部分，根据初始RIS部署的需求以及RISTA（RIS技术联盟）的一致意见，识别了RIS的假设和优先属性。在RIS渠道建模的初始阶段，按照表2-1所示，对RIS的属性进行了优先排序。 3. 渠道建模方法 3.1. General Framework 无线接入辅助通信链路的信道建模框架与传统通信建模框架不同。如图3-1所示，传统的通信信道仅考虑发射机（基站，BS）与接收机（用户设备，UE）之间的信道。相比之下，无线接入辅助通信信道建模需要考虑三个相互关联的组件：基站-无线接入设备（RIS）信道、无线接入设备-用户设备信道以及无线接入设备自身的物理模型。 因此，与传统通信渠道相比，RIS（可重构智能表面）信道建模的核心在于通过高精度但低复杂度的建模方法准确捕捉传播环境中的信道特性，同时能够在广泛的频率、带宽以及各种应用场景下进行信道仿真。为了实现这一目标，RIS信道建模必须满足以下要求： - 首先，高精度链路建模需要独立建模基站-RIS链路和RIS-UE链路，并考虑多个链路之间的相互关系，以准确反映信道中的路径损耗和散射特性。- 其次，需要考虑RIS的散射模式、理想相位移以及角度依赖性来精确建模RIS的高精度相位移，同时还要纳入实际环境中存在的非理想量化效应。 此外，该模型应具备模拟复杂场景的能力，包括UMi、UMa、InH和IIoT，允许对基站、用户终端和RIS的位置进行灵活调整。 为了在链路级别实现准确的仿真，RIS信道模型必须处理多径衰落，反映复杂环境下的信道衰落特性。此外，对系统仿真的物理简化和优化也是必要的，以提高建模效率。 为了本文件的目的，考虑了以下建议中的RIS信道建模框架。 建议 4 ： RIS 信道建模框架的假设和增强 3GPP TR 38.901 [1] ： 1) 3GPPTR38.901 中的方法作为 RIS 信道建模的起点。 2) 基于增强的3GPP TR38.901信道模型，构建了从基站-用户设备（BS-UE）、基站-智能反射表面（RIS）、智能反射表面-智能反射表面（RIS-RIS）或智能反射表面-用户设备（RIS-UE）的每跳基本信道模型，假设基本信道模型使用各向同性天线。 3)4)-具有用于 RIS 元素的预定义相移码本的物理 RIS 面板可以是以虚拟 RIS 基站为代表 ， 通过撞击具有不同延迟的 EM 波引起 ，入射或极化。预计在 3GPP TR38.901 中增强的内容包括 ：高度相关的 PL / LOS 概率模型 ； -绝对到达时间模型。 5)BS 和 UE 之间的最终信道模型是直接路径和级联路径的综合 ：- 直接路径: BS - UE 信道 - 级联路径: BS - RIS - UE 信道。 UE 对于在三个跳转点通过两个中继信息素面板部署RIS的情况，如图3-3所示，有四个节点包括基站（BS）、两个中继信息素（RIS）面板和用户终端（UE）。从BS到UE的逻辑路径为，12 有五个候选逻辑路径 ： →- 逻辑路径 1: BS UE →→- 逻辑路径 2: BS RIS UE1→→- 逻辑路径 3: BS RIS UE2→→→- 逻辑路径 4: BS RIS RIS UE12→→→ 并非所有逻辑路径对最终渠道响应有显著贡献，这表明可以根据复杂性和准确性的权衡原则省略一些逻辑路径。- 逻辑路径 5: BS RIS RIS UE21 →→→选择 “BS RIS RIS UE ” 的第四个路径来演示12构建从基站（BS）到智能反射表面（RISs）再到用户设备（UE）的级联信道。如图3-3所示，通过两次RIS的反射，逻辑路径4从基站到用户设备共有三个跳变点。12- Hop1 在逻辑路径 4 ： BS - RIS1 - Hop2 在逻辑路径 4 ： RIS1 -RIS2 - Hop3 在逻辑路径 4 ： RIS2 - UE 对于每一步跳跃，在3GPP TR38.901中所描述的传统信道建模方法在两个节点之间可以识别单个LOS（视距）和/或多NLOS（非视距）射线。 对于每个RIS（反射表面系统），特定延迟、极化和入射角度的外部电磁波将会诱导出一个虚拟的RIS基站，该基站具有相应的TRP（传输接收点）和极化天线模式，前提是RIS面板在两个极化方向上的码本已经配置好。 对于虚拟RIS基站受到电磁波照射后产生的TRP和极化天线模式的详细内容，请参见RIS物理模型部分。 如图3-4所示，每行按整数0~3编号分别代表一个物理实体，即BS、RIS、RIS和UE。两行之间的线表示对应于这两行的射线。12 基于 3GPP 信道模型的物理节点 ， 具有延迟、信道系数和 可重构智能表面技术白皮书 ： 通道建模视角 AOA/AOD/ZOA/ZOD。每行在RIS行（第1行和第2行）之前将诱导一个虚拟RIS基站，并分别按照1和2增加RIS极化方向编号。 在方向树图中从 BS 到 UE 的组合路径随后由相邻行之间的子路径组成。 BS 和 UE 之间的组合路径的信道响应如下所示: - 频道系数：所有子路径系数的乘积- 绝对延迟：所有子路径绝对延迟的总和- 入射角/出射角（AOA/ZOA）：第一个子路径的入射角和出射角- 最后一个子路径的入射角和出射角（AOD/ZOD） 信道建议 5 ： 方向树图可用于构建具有多逻辑路径的级联 RIS 模型。 3.2. RIS 物理模型 雷达信息系统（RIS）的物理模型从根本上基于定义RIS阵元的辐射模式，也称为雷达截面（RCS）。目前，用于建模RIS的主要方法包括以下几种： 1) 基于等效辐射Pattern的物理模型[2]：该模型通过等效辐射Pattern来表示RIS对信号的响应。首先使用物理光学方法推导出RIS元素的场分布，然后应用等效原理计算各元素的二次辐射。每个RIS元素的辐射Pattern被定义并计算，最终形成RIS的整体辐射Pattern。 基于电磁理论的RCS模型（2）[3]：此方法利用电磁理论在不同的极化条件下建立精确的RCS模型。该建模方法准确描述了RIS元件在复杂电磁环境下的反射特性，为评估RIS性能提供了理论基础。 3) 简化的余弦辐射模式模型 [4] ： 该模型使用简化的天线辐射 模式假设，并采用COSSIN模型来描述RIS元素的方向特性。虽然这种方法在计算上较为简单且适用于系统要求较低的场景，但其准确性可能不如基于电磁理论的RCS模型。 3.2.1.基于等效辐射方向图的 RIS 物理模型 在 TE 偏振入射信号的照射下(在一个角度, the)() 双极化相干 RIS 元件反射侧的电场和磁场可以表示为 ： where是反射电磁场的波矢量。电场和磁场 在传输侧的双偏振相干 RIS 元件可以表示为 ： 根据电磁等效原理，从RIS元件反射侧离开的信号可以被视为由以下等效电电流和磁电流辐射出来的： 选择参考点在()方向 ， 等效电流和磁电