可重构智能表面技术白皮书：信道建模与仿真

信道建模与仿真 RIS 技术联盟Nov. 2024 前言 受益于超表面技术的近期突破以及多输入多输出（MIMO）技术的深入研究，可重构智能表面（RIS）已成为6G移动网络的一种潜在使能技术，自2025年6月起将在3GPP中进行研究。3GPP技术研究中一个重要方面是性能评估，其中信道模型和仿真方法是需要达成共识的基础模块。不同于低功耗节点等主动节点，或传感对象，RIS设备为准被动设备，例如不含功率放大器或主动滤波器，但具有规则的形状和平滑的表面。所有这些意味着用于传统移动网络或集成传感与通信的信道建模和仿真方法都不能直接应用于RIS。 该白皮书致力于研究RIS的信道建模和仿真方法，旨在为明年3GPP 6G研究中RIS性能评估设定基准。 目录 3.2.RIS物理模型.........................................................................................................11 3.3.1. 路径损耗模型.....................................................................................................283.3.2. 快速衰落模型 .................................................................................................293.3.3. 模型复杂度降低方法..................................................................333.3.4. 可选功能...................................................................................................36 4. RIS渠道评估参数 .....................................................................................37 4.1. 大规模参数更新.........................................................................................37 4.2.延迟扩展 (DS)...........................................................................................................384.3. 瑞利 K 因子................................................................................................................39 5. 系统级仿真假设用于校准...............................................................40 5.1. 模拟假设 ...................................................................................................40 5.1.1. 网络布局模型 ..........................................................................................405.1.2. 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 5.2.模拟方法学 .................................................................................................50 2 7. 参考文献....................................................................................................................................53 1. 部署场景 可重构智能表面（RIS）是一种极具前景的技术，因其具备建立低成本、低功耗通信环境的能力而备受关注。基于可配置超材料，RIS能够调整入射无线信号的相位或/和幅度，从而控制其传播方向，这使得动态波动的无线传播环境变得可编程。 迄今为止，由不同学院和公司已推出了一系列RIS原型，与此同时，针对RIS原型的测试和验证工作已大量完成，并在各种场景下观察到显著的覆盖范围/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实施，一个最重要的问题就是识别RIS的高价值部署场景。从运营商的角度来看，RIS最具潜力的应用是提升覆盖范围和容量，因为它们是运营商在商业化蜂窝通信网络时所考虑的关键因素，直接影响服务质量以及CAPEX和OPEX。因此，基于一系列特征对RIS的部署场景进行了研究。以下为潜在评估目的而定义的场景。 Proposal 1: RIS could be considered as a starting point for prioritized deployment in the如下场景： FR2室外静态或半静态覆盖增强FR2室内静态或半静态覆盖增强FR2 O2I/I2O静态或半静态覆盖增强FR2室外动态覆盖增强FR2室内动态覆盖增强FR2 O2I/I2O动态覆盖增强FR2低仰角动态覆盖增强FR2室外吞吐量增强等 下列表格为RIS部署场景的评价参数。括号中的（M）表示评价时必须值，（O）表示评价时可选值。 提案2：RIS部署场景的评估参数可分为三个部分：发射机和接收机的特性、RIS的属性以及信号属性。参数值应根据受到的主要场景进行选择和分析。 2. 风险类型与假设 作为一项潜在的6G技术，RIS可用于无线通信、信息调制、能量传输、传感、定位以及成像。学术界和工业界开发了多种类型的RIS，包括反射RIS、透射RIS、STAR（同时转换和反射RIS）、吸收RIS等，这些RIS基于不同的电组件制成，如PIN、变容二极管、液晶、CMOS开关和非易失性组件。与此同时，除了传统的无源RIS（不包含功率放大器）外，学术界还提出了有源RIS、传感RIS和单向RIS。 对于RIS信道建模的标准化，有必要在6G标准化的初期阶段筛选出不同种类RIS属性的组合，以专注于最重要的方面，从而促进优先级需求。 在下文中，基于初始RIS部署要求以及RISTA（RIS技术联盟）的共识，确定了RIS的假设及其优先属性。在RIS信道建模的初始阶段，优先考虑表2-1中所示的RIS属性。 3. 信道建模方法学 3.1. 一般框架 RIS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，传统通信信道仅考虑发射机（基站）与接收机（用户设备）之间的信道。相比之下，RIS辅助通信信道建模需要考虑三个相互关联的组件：基站-RIS信道、RIS-用户设备信道以及RIS本身的物理模型。 因此，相比于传统通信渠道，RIS信道建模的核心在于通过高精度且低复杂度的建模方法，准确捕获传播环境中的信道特性，同时实现跨越广泛频率、带宽和各种应用场景的信道仿真。为达成此目标，RIS信道建模必须满足以下要求： - 首先，高精度链路建模需要对BS-RIS和RIS-UE链路进行独立建模，同时考虑多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，RIS的高精度相移建模需要考虑其散射模式、理想相移以及角度依赖性，同时也要包含真实环境中存在的非理想量化效应。 可重构智能表面技术白皮书：从信道建模视角看 - 此外，该模型应能够模拟复杂场景，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。 要在链路级实现精确仿真，RIS信道模型必须处理多径衰落，反映复杂环境中的信道衰落特性。此外，对系统仿真进行物理简化与优化是必要的，以提升建模效率。 在本文档的宗旨下，RIS信道建模框架涉及以下提案中的考量。 方案4：RIS信道建模和增强的框架假设 3GPP TR 38.901 [1]: 1) 3GPP TR38.901中的方法作为RIS信道建模的起点。 图3-2 基于三大电信标准化组织技术报告TR 38.901的起点实现的RIS信道模型[2]。 2) BS-UE、BS-RIS、RIS-RIS或RIS-UE之间的单跳基本信道模型基于增强的3GPP TR38.901信道模型构建，其中假设基本信道模型采用全向天线。 3)4)-一个带有预定义的RIS元素相移码本的物理RIS面板可以由不同延迟的入射电磁波激发的虚拟RIS基站所表示事件或极化。预计将在3GPP TR38.901中增强的内容包括：与高度相关的PL/LOS概率模型； -绝对到达时间模型。 5)BS与UE之间的最终信道模型包括直接路径和级联路径：- 直接触发路径：BS-UE信道。- 级联路径：BS-RIS-UE信道。 UE 对于具有三跳路径通过两个RIS面板的RIS部署场景，如图3-3所示，包括基站（BS）、RIS、RIS和用户设备（UE）四个节点。对于从基站到用户设备的逻辑路径，12存在五条候选的逻辑路径： →- 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→→→ 并非所有逻辑通路都对最终信道响应有显著贡献，这意味着可以根据复杂性与准确性之间的权衡原则省略某些逻辑路径。- 逻辑路径5: BS RIS RIS UE21 可重构智能表面技术白皮书：从信道建模视角看 →→→ “BS RIS RIS UE”的第四条路径被选中以演示程序12从基站（BS）到射频接口（RISs）再到用户设备（UE）构建级联信道。如图3-3所示，通过RIS的反射和RIS的反射，逻辑路径4从基站到用户设备有三个跳段。12- Hop1 in logical path4: BS-RIS1- Hop2 in logical path4: RIS1-RIS2 - Hop3 in logical path4: RIS2-UE 对于每个跳，3GPP TR38.901中的传统信道建模方法也可以应用于具有单视距（LOS）和/或多非视距（NLOS）射线之间的两个节点。 对于每个RIS，如果两个极化方向上的RIS面板码簿被配置，则特定延迟、极化和入射的入射电磁波将诱导一个具有相应传输功率和极化天线模式的虚拟RIS基站。 对于由入射电磁波引起的虚拟RIS基站的天线方向图和极化方向图，详细信息请参见RIS物理模型部分。 图3-4 级联RIS信道模型的定向树图（逻辑路径4） 如图3-4所示，由整数0~3编