远瞻慧库-360WHY
随着6G通信技术的逐步推进，智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）技术因其在提升通信性能、降低能耗和成本方面的巨大潜力而备受关注。本文将深入探讨智能超表面技术的信道建模与仿真，分析其在不同应用场景中的表现，并探讨该技术对未来无线通信网络的影响。通过对白皮书《Reconfigurable Intelligent Surface Technology White Paper: Channel Modelling and Simulation》的详细解读，本文旨在为行业从业者、研究人员和投资者提供有价值的行业洞察。
关键词：智能超表面（RIS）、信道建模、仿真、6G通信、无线网络、信道特性、部署场景
一、智能超表面技术的信道建模框架
智能超表面技术的信道建模是实现其在无线通信中应用的关键环节。与传统通信信道模型不同，RIS辅助通信信道模型需要考虑三个相互关联的部分：基站到RIS（BS-RIS）的信道、RIS到用户终端（RIS-UE）的信道，以及RIS本身的物理模型。这种建模框架的核心在于通过高精度、低复杂度的建模方法，准确捕捉传播环境中的信道特性，并能够在广泛的频率、带宽和应用场景中进行仿真。
白皮书提出了基于3GPP TR 38.901的增强型信道建模方法，将BS-RIS、RIS-UE和BS-UE之间的每跳信道模型构建为基本信道模型，并假设使用各向同性天线。通过引入虚拟RIS基站的概念，可以将RIS面板的预定义相位移码本表示为由不同延迟、入射角或极化方向的入射电磁波诱导的虚拟RIS基站。最终的BS和UE之间的信道模型包括直接路径（BS-UE信道）和级联路径（BS-RIS-UE信道）。
白皮书还提出了使用方向树图来构建具有多逻辑路径的级联RIS信道模型。例如，在包含两个RIS面板的三跳场景中，逻辑路径的选择需要基于复杂度与精度之间的权衡。通过这种方式，可以有效地模拟复杂的多径传播环境，并为系统级仿真提供支持。
数据引用：
- RIS技术的部署场景包括户外盲区覆盖增强、室内覆盖增强、室内外转换覆盖增强等，这些场景均显示出显著的覆盖和容量提升潜力。
- 在仿真中，RIS的物理模型基于等效辐射模式，通过物理光学和电磁理论建立，能够准确描述RIS元素在不同极化条件下的反射特性。
二、RIS的物理模型与信道特性
RIS的物理模型是信道建模的基础，主要包括等效辐射模式模型、基于电磁理论的RCS模型和简化的余弦辐射模式模型。等效辐射模式模型通过物理光学推导RIS元素的场分布，并计算其等效辐射模式。RCS模型则基于电磁理论，能够准确描述RIS元素在复杂电磁环境中的反射特性。简化的余弦辐射模式模型则更适合计算资源有限的场景，尽管其精度可能稍逊于RCS模型。
这些模型不仅能够描述RIS对信号的调制效果，还能通过计算RIS元素的辐射模式来形成整个RIS面板的综合辐射模式。例如，基于等效辐射模式的模型可以将RIS元素的辐射场与入射场进行比较，从而得到RIS的等效辐射模式。这种模型能够准确反映RIS在不同入射角和极化条件下的性能。
RIS的信道特性与其物理模型密切相关。例如，RIS的辐射模式和相位设计直接影响信道的增益、延迟扩展和Rician K因子等参数。通过优化RIS的相位设计，可以显著提升信道的性能。例如，在多用户场景中，通过深度强化学习算法优化RIS的相位，可以实现对多个用户位置的良好对齐，从而提升通信效率。
数据引用：
- 在26 GHz频段下，使用1比特相位移精度的RIS，通过优化相位设计，可以实现高达14.4 dB的Rician K因子，显著高于未优化时的3.7 dB。
- 在不同部署场景下，RIS的路径损耗模型需要根据实际环境进行调整。例如，在户外场景中，基于测量数据的路径损耗指数（PLE）与自由空间数据的PLE存在差异，这反映了实际环境中散射体对信号传播的影响。
三、RIS信道模型的复杂度与优化
RIS信道模型的复杂度是影响其实际应用的关键因素之一。由于RIS信道模型涉及多个子信道的级联，因此在仿真中需要处理大量的计算任务。例如，如果BS-RIS信道包含?+×?+条射线，RIS-UE信道包含?,×?,条射线，则完整的卷积操作需要?+×?+×?,×?,次计算，这可能导致不可接受的仿真时间成本。
为了降低复杂度，白皮书提出了多种简化方法。例如，可以在卷积之前或卷积过程中根据功率比例或功率阈值丢弃低功率的簇。这些方法能够在保留信道主要特征的同时，显著减少计算量。例如，在LOS+LOS场景中，通过保留功率比例最高的簇或设置25 dB功率阈值，可以将级联信道中的簇数量减少到与大约901个簇相当的水平。
白皮书还提出了基于WINNER II和Saleh-Valenzuela模型的时域统计信道模型，用于描述RIS辅助宽带系统的快速衰落特性。这些模型涵盖了全局、簇间和簇内参数，能够更准确地反映信道的小尺度变化。
数据引用：
- 在不同数量的RIS元素下，信道冲激响应（CIR）的路径增益会显著变化。例如，当RIS元素数量从400增加到1600时，CIR的幅度分别增加了约1.3 dB、2.5 dB和3.8 dB。
- 在LOS条件下，使用简化方法可以显著降低仿真复杂度，而在NLOS条件下，这些方法的效果则不太明显。
四、RIS技术的系统级仿真与应用场景
RIS技术的系统级仿真需要综合考虑网络布局、传播模型、天线和波束成形模式等多个因素。白皮书提出了多种网络布局模型，包括RIS位于小区边缘、小区中部以及与用户终端同处于小区边缘的场景。这些模型能够模拟RIS在不同位置和方向下的性能表现。
在传播模型方面，RIS辅助信道的路径损耗模型需要根据实际测量数据进行调整。例如，在户外和室内场景中，路径损耗指数（PLE）的值会因环境的不同而有所差异。此外，RIS的天线模型也需要根据具体场景进行优化。例如，RIS的天线元素配置可以是16×16或40×40，具体取决于应用场景。
在系统级仿真中，RIS的相位调整方法和波束成形策略对性能影响显著。例如，通过优化RIS的相位，可以实现对特定方向的信号增强，从而提升通信效率。此外，RIS的部署位置和方向也会影响其性能。例如，在小区边缘部署RIS可以有效增强覆盖范围，而在小区中部部署则可以提升小区内部的通信容量。
数据引用：
- 在系统级仿真中，RIS的最优相位调整方法可以显著提升信道增益。例如，在小区边缘部署RIS时，通过优化相位设计，可以实现对特定方向的信号增强，从而提升通信效率。
- 在不同频段下，RIS的性能表现也有所不同。例如，在26 GHz频段下，RIS的路径损耗和延迟扩展特性与在sub-6 GHz频段下的表现存在显著差异。
相关FAQs：
Q1: RIS技术的主要应用场景是什么？
A1: RIS技术的主要应用场景包括户外盲区覆盖增强、室内覆盖增强、室内外转换覆盖增强、低空覆盖增强以及户外吞吐量提升等。这些场景均显示出显著的覆盖和容量提升潜力。
Q2: RIS的物理模型有哪些类型？
A2: RIS的物理模型主要包括等效辐射模式模型、基于电磁理论的RCS模型和简化的余弦辐射模式模型。这些模型能够描述RIS对信号的调制效果，并形成整个RIS面板的综合辐射模式。
