Modelowanie kanału i ocena przepustowości systemów bezprzewodowych wykorzystujących inteligentne powierzchnie odbijające

Rekonfigurowalne powierzchnie inteligentne (RIS, ang. Reconfigurable Intelligent Surfaces) to programowalne powierzchnie elektromagnetyczne rozważane w przyszłych systemach bezprzewodowych. Działają przez regulację odpowiedzi fazowej pasywnych lub półpasywnych elementów odbijających, co umożliwia kontrolę odbitego frontu fali. Praca dotyczy modelowania kanału i oceny przepustowości systemów wspomaganych przez RIS pracujących w pasmach fal milimetrowych i sub-terahercowych.
W tych pasmach degradacja łącza wynika z wysokich strat na drodze swobodnej, ograniczonej dyfrakcji, absorpcji atmosferycznej i opadowej oraz strat penetracji przez materiały budowlane, co utrudnia komunikację w warunkach NLOS (ang. Non-Line-of-Sight).
Na potrzeby badań opracowano platformę symulacyjną w środowisku MATLAB dla syntetycznej miejskiej mikrokomórki. Model uwzględnia straty na drodze swobodnej, tłumienie atmosferyczne przybliżone na podstawie zalecenia ITU-R P.676-12, tłumienie deszczowe zgodne z ITU-R P.838-3 oraz zależne od częstotliwości blokowanie sygnału przez budynki, wzorowane na założeniach 3GPP TR 38.901. Łączom LOS przypisano zaniki Rice'a, zablokowanym bezpośrednim łączom NLOS zaniki Rayleigha. Kaskadowy kanał wspomagany przez RIS formowany jest z niezależnie generowanych macierzy kanałów BS-RIS i RIS-UE połączonych z diagonalną macierzą przesunięć fazowych RIS.
Wyniki symulacji pokazują, że w zablokowanym scenariuszu NLOS na częstotliwości 28 GHz łącze wspomagane przez RIS zwiększa SNR z około -16 dB do +23 dB i przywraca osiągalną przepustowość w zakresie 200-600 Mb/s. W warunkach LOS wkład RIS jest ograniczony ze względu na dominację bezpośredniego kanału BS-UE. Analiza porównawcza w zakresie od 10 GHz do 140 GHz wskazuje na redukcję SNR o około 23 dB, spowodowaną wzrostem strat na drodze swobodnej.
Kluczowe słowa
Polski: inteligentne powierzchnie odbijające, modelowanie kanału, propagacja fal milimetrowych, formowanie wiązki, systemy 6G

Abstract:
Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) are programmable electromagnetic surfaces considered for future wireless systems. They control the reflected wavefront by adjusting the phase response of passive or semi-passive reflecting elements. This work focuses on channel modeling and capacity evaluation of RIS-assisted systems operating in millimeter-wave and sub-terahertz bands. In these bands, link degradation is caused by high free-space path loss, limited diffraction, atmospheric and rain attenuation, and penetration losses through building materials. These effects make NLOS communication particularly challenging.
A MATLAB simulation platform was developed for a synthetic urban microcell environment. It accounts for free-space path loss, atmospheric attenuation approximated from ITU-R P.676-12, rain attenuation based on ITU-R P.838-3, and frequency-dependent building blockage inspired by 3GPP TR 38.901 assumptions. In the implemented model, Rician fading is assigned to LOS links, whereas Rayleigh fading is assigned to blocked NLOS direct links. The RIS-assisted cascaded channel is formed from independently generated BS -> RIS and RIS -> UE channel matrices combined with a diagonal RIS phase-shift matrix.
The simulation results show that, in the blocked 28 GHz NLOS scenario, the RIS-assisted link intensifies SNR from approximately -16 dB to +23 dB and restores an achievable data rate in the range of 200-600 Mb/s. In LOS conditions, the RIS contribution is limited because the direct BS -> UE channel remains dominant. The frequency comparison from 10 GHz to 140 GHz shows a signal to noise ratio reduction of approximately 23 dB, mainly caused by the increase in free-space path loss.
Keywords
English: reconfigurable intelligent surfaces, channel modeling, millimeter-wave propagation, beamforming, 6G wireless systems