TNU Journal of Science and Technology 227(16) 94 – 99 http //jst tnu edu vn 94 Email jst@tnu edu vn PATHLOSS MODEL FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM THROUGH INTELLIGENT REFLECTING SURFACE Nguyen Xuan[.]
TNU Journal of Science and Technology 227(16): 94 – 99 PATHLOSS MODEL FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM THROUGH INTELLIGENT REFLECTING SURFACE Nguyen Xuan Kien*, Nguyen Thanh Tung, Bui Phuong Thao TNU - University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO Received: 20/9/2022 Revised: 19/10/2022 Published: 20/10/2022 KEYWORDS Reconfigurable intelligent surface Intelligent reflecting surfaces Beyond 5G Pathloss model Smart radio environment ABSTRACT Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) is a new technology being researched and deployed to develop wireless communication systems, as well as 5G, beyond 5g (B5G), and future 6G mobile networks The surface contains reconfigurable electromagnetic metamaterial to direct the beam from the source to the desired receivers with maximum signal strength, making random wave propagation a smart radio environment that can be controlled by the user The article provides some lossy models of transmission lines and channels in communication systems with the support of smart surfaces built based on physical optical techniques and the light reflection theorem of Snell and the physical and electromagnetic nature of RIS With mathematical expressions, it will provide researchers with a way to calculate, simulate, analyze, evaluate and calibrate communication channels to achieve optimal efficiency before deploying experimental fabrication or for comparison with other transmission enhancement technologies such as AF relay and amplifier, MIMO beamforming, and BackCom backscatter communication MƠ HÌNH SUY HAO ĐƯỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY QUA BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH Nguyễn Xuân Kiên*, Nguyễn Thanh Tùng, Bùi Phương Thảo Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng - ĐH Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO Ngày nhận bài: 20/9/2022 Ngày hoàn thiện: 19/10/2022 Ngày đăng: 20/10/2022 TỪ KHĨA Bề mặt thơng minh cấu hình lại Bề mặt phản xạ thơng minh Sau 5G Mơ hình pathloss Mơi trường vơ tuyến thơng minh TĨM TẮT Bề mặt phản xạ thông minh RIS công nghệ nghiên cứu, triển khai để phát triển hệ thống truyền thông không dây, mạng di động 5G, sau 5G (B5G) mạng tương lai 6G Bề mặt chứa siêu vật liệu điện từ tái cấu hình để hướng chùm sóng từ nguồn phát tới thu mong muốn với cường độ tín hiệu tối đa, khiến cho trình truyền sóng ngẫu nhiên thành mơi trường vơ tuyến thơng minh mà người dùng điều khiển Bài báo cung cấp số mơ hình suy hao đường truyền kênh dẫn hệ thống thông tin liên lạc có hỗ trợ bề mặt thông minh xây dựng dựa kỹ thuật quang học vật lý, định luật phản xạ ánh sáng Snell chất vật lý, điện từ RIS Với biểu thức toán học cung cấp cho nhà nghiên cứu phương án tính tốn, mơ phỏng, phân tích, đánh giá hiệu chỉnh kênh truyền thông nhằm đạt hiệu tối ưu trước triển khai chế tạo thực nghiệm để so sánh với công nghệ tăng cường truyền tải thông tin khác khuếch đại chuyển tiếp AF, định dạng chùm MIMO truyền thông tán xạ ngược BackCom DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.6535 * Corresponding author Email: nxkien@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 94 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(16): 94 – 99 Giới thiệu Hệ thống truyền thông không dây gồm máy phát mang thông tin đến thu qua mơi trường lan truyền sóng điện từ khơng kiểm sốt Mạng 5G, sau 5G (B5G) tiến đến mạng tương lai 6G đặt yêu cầu mơi trường truyền tải cấu hình lại theo thời gian thực [1] [7], cách triển khai bề mặt phản xạ thơng minh, cịn có tên gọi khác siêu bề mặt điều khiển phần mềm, bề mặt thơng minh cấu hình lại, siêu bề mặt thông minh, mảng phản xạ thông minh [6], v.v Để thống tên gọi, nhóm tác giả sử dụng từ khoá RIS (Reconfigurable Intelligent Surfaces) cho công nghệ hỗ trợ xuyên suốt báo Trong mơi trường vơ tuyến thơng minh, sóng tới điều khiển để phản xạ, khuếch tán, tán xạ, khúc xạ theo hướng mong muốn RIS vật liệu điện từ EM (Electromagnetic) định cấu hình lại để kiểm sốt lan truyền sóng mơi trường khơng dây nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu máy thu RIS tạo từ số lượng lớn phần tử thụ động, chi phí thấp có khả điều chỉnh sóng vơ tuyến tác động vào chúng mà vật liệu tự nhiên không làm RIS tạo từ siêu bề mặt hoạt động phản xạ có pha điều chỉnh độc lập tia sóng hướng góc phản xạ Không giống công nghệ tương tự khác, realy chùm tia MIMO, RIS không yêu cầu nguồn lượng nào, trình xử lý, mã hóa giải mã phức tạp thuật tốn [4] Có nhiều cơng nghệ chuyển mạch khác để kiểm soát phản xạ EM từ bề mặt thông minh, CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor – công nghệ chế tạo mạch tích hợp) switches cơng nghệ vi điện tử MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) switches, diode nội PIN tích cực – thụ động (Positive Intrinsic Negative), cộng hưởng điều chỉnh varactor, tinh thể lỏng, v.v Trong siêu bề mặt, phần tử chuyển mạch (switches) điều khiển siêu nguyên tử hoạt động antenna vào ra, sóng EM đến, chúng định tuyến dựa trạng thái switches, giúp RIS đạt phản xạ mong muốn [2], [3] Một phương pháp kiểm soát hiệu ứng phản chiếu siêu bề mặt sử dụng PIN diode làm phần tử chuyển mạch, tạo hai trạng thái khác cho bề mặt thông minh để chọn lọc tần số phù hợp Các cộng hưởng tần số dùng varactor (biến dung) sử dụng để kiểm soát lan truyền tín hiệu Khi điện áp phân cực đặt vào varactor, đạt dịch pha mong muốn [2], [3] Xem xét mơ hình kênh hai tia thơng thường cho môi trường không gian tự bề mặt phản xạ triển khai mặt phẳng [3], [4] Truyền khơng dây điều khiển cách tạo bề mặt thông minh: Dữ liệu nhận bao gồm tín hiệu đường ngắm LoS (Line Of Sight) tia phản xạ Sóng vơ tuyến truyền theo đường thẳng trường hợp môi trường đồng nhất, tuân theo nguyên tắc Fermat tia phản xạ tuân theo định luật Snell Theo nguyên lý hoạt động RIS, phân phương pháp thiết kế chế tạo bề mặt thông minh là: RIS dựa mảng phản xạ thụ động RIS thiết kế dựa siêu bề mặt [5] RIS hỗ trợ loạt chức điều chỉnh, chẳng hạn hấp thụ hồn hảo, phản xạ dị thường, định hình chùm tia điều hướng Hơn nữa, có khả cảm nhận giao tiếp với thiết bị ngoại vi, cho phép tích hợp với hệ thống truyền thông không dây để phục vụ cho nhiều ứng dụng khác [6] Các bề mặt tái cấu hình thiết kế dạng sơ khai bản, chưa có thống mơ hình lan truyền Mơ hình suy hao đường truyền (mất đường dẫn - Pathloss) đề xuất [5] chủ yếu dựa mảng phản xạ thụ động, antenna phần tử điều khiển để tán xạ ngược làm lệch pha tín hiệu tới thiết kế dựa siêu bề mặt có dạng phẳng hai chiều sử dụng vật liệu điện từ nhân tạo Một vấn đề nghiên cứu quan trọng đặt cho RIS mơ hình hóa q trình suy hao đường truyền từ máy phát đến máy thu thông qua RIS Mục đích cơng việc để nhà nghiên cứu có http://jst.tnu.edu.vn 95 Email: jst@tnu.edu.vn 227(16): 94 – 99 TNU Journal of Science and Technology công thức tham khảo, phạm vi tiếp cận đối tượng, giải pháp tính tốn, phân tích mơ thơng tin, giúp đánh giá hiệu công nghệ RIS, so sánh với phương pháp kỹ thuật hỗ trợ khác Bài báo đưa số mơ hình đường dẫn cho bề mặt phản xạ thông minh Một mơ hình xây dựng dựa kỹ thuật quang học vật lý mơ hình pathloss khác thiết kế từ chất vật lý điện từ RIS Phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình đường dẫn xây dựng kỹ thuật quang học vật lý Mơ hình suy hao đường truyền – pathloss hệ thống thơng tin liên lạc có hỗ trợ RIS xây dựng dựa kỹ thuật quang học vật lý định luận phản xạ ánh sáng Snell [8] Chúng đề xuất dựa mảng phản xạ thụ động antenna phần tử điều khiển để tán xạ ngược làm lệch pha tín hiệu tới thiết kế dựa siêu bề mặt có dạng phẳng hai chiều sử dụng vật liệu điện từ nhân tạo Xét chùm tia sóng tới RIS gồm nhiều phần tử bề mặt có kích thước nhỏ bước sóng λ Giả sử bề mặt thơng minh gồm phần tử ptd ptr , phần tử có kích thước: d r d r ) (1) ptd ptr ptd ptr Mỗi mảng phản xạ thụ động có kích thước hữu hạn d r , độ dày không đáng kể, nằm mặt phẳng (x, y) Một nguồn phát sóng cách bề mặt khoảng li đủ lớn so với d r, cho: 2max d , r (2) li Được truyền đến với số sóng n = 2π/λ (bước sóng λ), góc tới Фi [0; π/2] Mơ hình pathloss máy phát máy thu qua phần tử bề mặt thứ i góc quan sát tùy ý [9]: ; ( , Фs , 2 Gn p Gnt (3) PL1 cos Фi (4 ) ptd ptr li s Trong đó: Gnp, Gnt độ lợi kênh antenna phát thu, s khoảng cách từ phần tử phản xạ đến thu Như bề mặt thông minh gồm mảng tán xạ khuếch tán (mỗi có kích thước λ) xếp theo pha tín hiệu phản xạ chúng máy thu đạt mục tiêu mong muốn Bằng kỹ thuật quang học vật lý thu công thức (3) xác định suy hao đường dẫn pathloss cho bề mặt phản xạ thơng minh tái cấu hình Một mảng phản xạ thơng minh gồm nhiều phần tử có kích thước bước sóng phụ phân tán tín hiệu đến với dịch chuyển pha để đạt dạng chùm quán theo hướng mục tiêu Sự dịch chuyển pha lý tưởng tạo chùm tia đơn lẻ đưa định luật Snell tổng quát, tạo cộng hưởng nhiều chùm tia, dịch chuyển pha phải tối ưu hóa cách rõ ràng dr 2.2 Mơ hình đường dẫn xây dựng dựa chất vật lý điện từ RIS Mơ hình pathloss cho truyền thơng khơng dây có RIS hỗ trợ tình khác dựa chất vật lý điện từ nghiên cứu [10] Chúng xây dựng qua mô xác minh thực nghiệm Gồm ba mơ hình (4), (5) (6) nêu lên mối quan hệ suy hao đường dẫn môi trường lan truyền không dây, khoảng cách từ trạm phát, thu tới RIS, kích thước RIS, hiệu ứng trường gần/trường xa RIS, xạ phần tử cấu thành RIS, công suất tiêu thụ RIS ảnh hưởng góc tới http://jst.tnu.edu.vn 96 Email: jst@tnu.edu.vn 227(16): 94 – 99 TNU Journal of Science and Technology Khi trạm phát khoảng cách đủ xa so với dải antenna, sóng hình cầu phát coi sóng phẳng Cụ thể, độ lệch pha lớn tín hiệu thu mảng antenna không vượt π/8, quy ước máy phát nằm trường xa mảng antenna [11] Khi đó, ranh giới trường xa trường gần mảng antenna xác định R = 2S2/λ, R, S λ khoảng cách máy phát tâm mảng antenna, kích thước lớn dải antenna bước sóng tín hiệu Khi khoảng cách trạm phát/bộ thu tới tâm RIS nhỏ R, trạm phát/bộ thu coi trường gần RIS, ngược lại, trường xa Trong kịch tạo chùm tia hỗ trợ RIS, công suất nhận tối đa cho người dùng Mặt khác, phát sóng có RIS hỗ trợ, tín hiệu bao phủ đồng đến tất người dùng khu vực cụ thể Trường hợp phát chùm tia trường xa: Các tín hiệu phản xạ tất phần tử RIS tới thu điều khiển theo pha để tăng cường công suất nhận Giả sử hướng xạ đỉnh antenna phát thu hướng trung tâm RIS, tất đơn vị RIS có hệ số phản xạ RC = Aejφ, biên độ A Mơ hình pathloss xác định [10]: PL2 64 Gn p Gnt Gh c d x d y 2 l l P , Ф P , Ф A 2 t t r (4) r Trong đó: l1, l2 khoảng cách máy phát, máy thu tới tâm RIS; Gnp, Gnt, G độ lợi kênh (khuếch đại) antenna phát, antenna thu ô đơn vị (phần tử cấu thành RIS); h, c số hàng số cột ô đơn vị xếp đặn bề mặt RIS; Kích thước ô đơn vị dọc theo trục x dx, dọc theo trục y dy, nằm phạm vi λ/10 ÷ λ/2 Фt, θt góc nâng góc phương vị từ tâm RIS tới máy phát; θr, Фr góc nâng góc phương vị từ tâm RIS đến máy thu; P(θ, Ф) dạng xạ công suất chuẩn hóa đơn vị, biểu thị phụ thuộc mật độ công suất tới/phản xạ ô đơn vị vào góc tới/phản xạ Trường hợp phát chùm tia trường gần: Cho phép RIS tập trung tín hiệu phản xạ tới thu cách thiết kế hệ số phản xạ RC Mơ hình pathloss xác định [10]: 64 PL3 h c Gn p Gnt Gd x d y A h 2 Pr 1 1 c (5) lt l r Trong đó: Pr ảnh hưởng mẫu xạ công suất chuẩn hóa nguồn tín hiệu nhận được; lt, lr khoảng cách máy phát, máy thu tới tâm phần tử thứ i RIS Trường hợp phát sóng trường gần: Sóng điện từ truyền tới RIS coi sóng hình cầu Nếu RIS có diện tích lớn (tức chiều dài chiều rộng ≥ 10λ), sóng hình cầu tới tạo thành gradien pha tròn phân kỳ bề mặt RIS, khoảng cách truyền khác từ máy phát đến ô đơn vị RIS Giả sử tất đơn vị có hệ số phản xạ Mơ hình pathloss xác định [9]: PL4 16 l l2 Gn p Gnt G A 2 (6) Kết mơ Hình kết mơ Matlab pathloss sóng phản xạ với thông số: Фi = 30◦ Фs = 60◦ , Gnp = Gnt = dB, li = 50(m) s = 25(m) Kết mô cho thấy Mơ hình Pathloss hàm Фs kích thước khác RIS Mức tối đa đạt Фs = Фr (Góc phản xạ mong muốn) độ rộng chùm tia thu hẹp diện tích bề mặt RIS tăng lên Khi thứ nguyên bước sóng phụ (≤ λ/2), RIS hoạt động tán xạ khuếch tán http://jst.tnu.edu.vn 97 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(16): 94 – 99 Hình Pathloss sóng phản xạ Hình Pathloss sóng phản xạ Hình kết mô Matlab ảnh hưởng khoảng cách RIS thu (Distance from RIS to receiver) đến suy hao đường truyền pathloss, trường hợp: Phát chùm tia trường xa (PL2), Phát chùm tia trường gần (PL3) Phát sóng trường gần (PL4), sử dụng Large RIS1, X-band horn antenna [9] với thông số: Gnp = Gnt = 21 dB, G = dB, h = 102, c = 100, dx = dy = 0,01 m, A = 0,9, λ = 0,0286 m, R = 2S2/λ = 71,4 m, P(θt, Фt) = P(θr, Фr) = Pr = - Khoảng cách từ trạm phát đến RIS trường hợp: Phát chùm tia trường xa, Phát chùm tia trường gần, Phát sóng trường gần 75 m, 50 m 50 m - Tham số khoảng cách RIS thu trường hợp Phát chùm tia trường xa, Phát chùm tia trường gần, Phát sóng trường gần thay đổi từ 75 m ÷ 100 m Từ kết mô ta thấy rằng: Nếu giữ không đổi giá trị (đều ảnh hưởng đến suy hao kênh dẫn): khoảng cách từ trạm phát tới RIS, kích thước RIS, hiệu ứng trường gần/trường xa RIS, xạ phần tử cấu thành RIS, công suất tiêu thụ RIS ảnh hưởng góc tới, thì: - Khoảng cách từ RIS tới thu tăng lên 3: PL2, PL3, PL4 tăng theo (Suy hao lớn) - Tổn thất kênh dẫn trường hợp Phát chùm tia trường xa lớn nhất, tiếp đến Phát chùm tia trường gần Phát sóng trường gần có độ suy hao nhỏ http://jst.tnu.edu.vn 98 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(16): 94 – 99 Kết luận Bằng kỹ thuật quang học vật lý, định luật phản xạ ánh sáng, chất vật lý, điện từ RIS, trường hợp chùm tia trường xa, chùm tia trường gần, phát sóng trường gần, ta thu cơng thức xác định mơ hình suy hao đường dẫn pathloss cho bề mặt phản xạ thông minh cấu hình để lại điều khiển sóng tới theo hướng mong muốn, biến q trình truyền sóng vốn ngẫu nhiên thành mơi trường vơ tuyến thơng minh Với mơ hình pathloss biểu thức toán học xác định đường truyền hệ thống cho truyền thông không dây bề mặt thơng minh hỗ trợ này, nhà nghiên cứu tham khảo để mơ phỏng, phân tích, đánh giá hiệu chỉnh kênh truyền thông nhằm đạt hiệu tối ưu trước triển khai chế tạo thực nghiệm để so sánh với công nghệ tăng cường thông tin truyền tải khác khuếch đại chuyển tiếp AF (Amplify and Forward), định dạng chùm MIMO (massive MIMO) truyền thông tán xạ ngược BackCom (Backscatter Communications) Lời cám ơn Kết nghiên cứu sản phẩm đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở có mã số T2022-07-21, tài trợ kinh phí Trường Đại học Cơng nghệ Thông tin Truyền thông, Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] W Long, R Chen, M Moretti, W Zhang, and J Li, "A Promising Technology for 6G Wireless Networks: Intelligent Reflecting Surface," Journal of Communications and Information Networks, vol 6, no 1, pp 1-16, March 2021 [2] M Pengnoo, M T Barros, L Wuttisittikulkij, B Butler, A Davy, and S Balasubramaniam, "Digital Twin for Metasurface Reflector Management in 6G Terahertz Communications," IEEE Access, vol 8, pp 114580-114596, 2020 [3] R Alghamdi, R Alhadrami, D Alhothali, H Almorad, A Faisal, S Helal, R Shalabi, R Asfour, N Hammad, A Shams, N Saeed, H Dahrouj, T.Y Al-Naffouri, and M S Alouini, "Intelligent Surfaces for 6G Wireless Networks: A Survey of Optimization and Performance Analysis Techniques," IEEE Access, vol 8, pp 202795-202818, 2020 [4 E Basar, M Di Renzo, J De Rosny, M Debbah, M -S Alouini, and R Zhang, "Wireless Communications through Reconfigurable Intelligent Surfaces," IEEE Access, vol 7, pp 116753116773, 2019 [5] M A ElMossallamy, H Zhang, L Song, K G Seddik, Z Han, and G Y Li, "Reconfigurable Intelligent Surfaces for Wireless Communications: Principles, Challenges, and Opportunities," IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, vol 6, no 3, pp 990-1002, Sept 2020 [6] S Gong, X Lu, D T Hoang, D Niyato, L Shu, D I Kim, and Y C Liang, "Toward Smart Wireless Communications via Intelligent Reflecting Surfaces: A Contemporary Survey," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 22, no 4, pp 2283-2314, 2020 [7] Y -C Liang, R Long, Q Zhang, J Chen, H V Cheng, and H Guo, "Large Intelligent Surface/Antennas (LISA): Making Reflective Radios Smart," Journal of Communications and Information Networks, vol 4, no 2, pp 40-50, June 2019 [8] N Yu, P Genevet, M A Kats, F Aieta, J.-P Tetienne, F Capasso, and Z Gaburro, “Light propagation with phase discontinuities: Generalized laws of reflection and refraction,” Science, vol 334, no 6054, pp 333–337, 2011 [9] Ư Ưzdogan, E Bjưrnson, and E G Larsson, "Intelligent Reflecting Surfaces: Physics, Propagation, and Pathloss Modeling," IEEE Wireless Communications Letters, vol 9, no 5, pp 581-585, May 2020 [10] W Tang, M Z Chen, X Chen, J D Dai, Y Han, M.D Renzo, Y Zeng, S Jin, Q Cheng, and T J Cui, "Wireless Communications With Reconfigurable Intelligent Surface: Path Loss Modeling and Experimental Measurement," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 20, no 1, pp 421439, Jan 2021 [11] Y Huang and K Boyle, Antennas: from theory to practice Chichester: Wiley, 2008 http://jst.tnu.edu.vn 99 Email: jst@tnu.edu.vn ... trường truyền tải cấu hình lại theo thời gian thực [1] [7], cách triển khai bề mặt phản xạ thơng minh, cịn có tên gọi khác siêu bề mặt điều khiển phần mềm, bề mặt thơng minh cấu hình lại, siêu bề mặt. .. toán học xác định đường truyền hệ thống cho truyền thông không dây bề mặt thông minh hỗ trợ này, nhà nghiên cứu tham khảo để mơ phỏng, phân tích, đánh giá hiệu chỉnh kênh truyền thông nhằm đạt hiệu... hiệu công nghệ RIS, so sánh với phương pháp kỹ thuật hỗ trợ khác Bài báo đưa số mơ hình đường dẫn cho bề mặt phản xạ thông minh Một mô hình xây dựng dựa kỹ thuật quang học vật lý mơ hình pathloss