[논문 리뷰] Non-terrestrial Communications Assisted by Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jia Ye, Jingping Qiao외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 재구성 가능한 지능표면(RIS) 기반 비지상 통신망(RANTN)에 대한 종합적인 서베이를 제시하며, RIS를 드론(UAV), 고고도 플랫폼(HAP), 위성과 통합하여 커버리지 향상, 차단 현상 감소, 스펙트럼 효율성 향상을 분석한다. 실용적인 제약 조건 하에서 교대 최적화(Alternating Optimization, AO)와 기계학습(ML)을 활용한 RIS 배치 및 공중 플랫폼 위치의 공동 최적화를 제안하여 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에서 뚜렷한 성과를 보였다.

ABSTRACT

Non-terrestrial communications have emerged as a key enabler for seamless connectivity in the upcoming generation networks. This kind of network can support high data rate communications among aerial platforms (i.e., unmanned aerial vehicles (UAVs), high-altitude platforms (HAPs), and satellites) and cellular networks, achieving anywhere and anytime connections. However, there are many practical implementation limitations, especially overload power consumption, high probability of blockage, and dynamic propagation environment. Fortunately, the recent technology reconfigurable intelligent surface (RIS) is expected to be one of the most cost-efficient solutions to address such issues. RIS with low-cost elements can bypass blockages and create multiple line-of-sight (LoS) links, and provide controllable communication channels. In this paper, we present a comprehensive literature review on the RIS-assisted non-terrestrial networks (RANTNs). Firstly, the framework of the RANTNs is introduced with detailed discussion about distinct properties of RIS in NTNs and the two types of RIS, that is, terrestrial RISs (TRISs), and aerial RISs (ARISs), and the classification of RANTNs including RIS-assisted air-to-ground (A2G)/ground-to-air (G2A), ARIS-assisted ground-to-ground (G2G), and RIS-assisted air-to-air (A2A) communications. In combination with next-generation communication technologies, the advanced technologies in RANTNs are discussed. Then we overview the literature related to RANTNs from the perspectives of performance analysis and optimization, followed by the widely used methodologies. Finally, open challenges and future research direction in the context of the RANTNs are highlighted.

연구 동기 및 목표

• 비지상 통신망(NTN)에서의 차단 현상, 고경로 손실, 동적 전파 문제를 RIS 기술을 통해 해결한다.
• NTN 내 RIS의 프레임워크, 분류 및 핵심 성질(지상 RIS(TRIS) 및 공중 RIS(ARIS))를 서베이한다.
• RANTN에서 성능 및 최적화 기법을 분석하며, 신호 대 잡음비**(SNR), 데이터 전송률, 에너지 효율성, 지연 시간을 중심으로 다룬다.
• RANTN에서의 개방 과제인 불완전한 CSI, 유한한 단계 해상도, 하드웨어 손상, 스펙트럼 부족 등을 규명한다.
• 향후 연구 방향을 제시하며, NOMA, RSMA, 인지 무선, 고주파 대역과의 통합을 포함한다.

제안 방법

• RANTN을 세 가지 유형으로 분류한다: RIS 기반 공중-지상(A2G)/지상-공중(G2A), ARIS 기반 지상-지상(G2G), RIS 기반 공중-공중(A2A) 통신.
• NOMA 및 RSMA와 같은 차세대 기술과 RIS를 통합하여 스펙트럼 효율성 향상 및 대량 연결 지원을 강화한다.
• 교대 최적화**(AO) 및 기계학습**(ML) 알고리즘을 적용하여 RIS의 위상 이동과 공중 플랫폼의 경로 또는 위치를 공동 최적화한다.
• RIS를 제어 가능한 위상 이동을 가진 수동 반사체로 모델링하여 다수의 라인오브사이트**(LoS) 링크를 생성하고 차단 현상을 완화한다.
• 에르고딕 전송률, 에너지 효율성**(EE), 스펙트럼 효율성 등의 성능 지표를 사용하여 시스템 성능를 평가한다.
• 유한한 단계 해상도, 불완전한 CSI, 하드웨어 손상, 제한된 제어 자원 등의 실용적 제약 조건을 시스템 모델링에 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS는 비지상 통신망에서 드론, HAP, 위성의 링크 신뢰성 향상과 차단 현상 완화를 위해 어떻게 효과적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 NTN 환경에서 지상 RIS**(TRIS)와 공중 RIS**(ARIS)의 주요 차이점과 성능 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 RIS 위상 이동과 공중 플랫폼 경로의 공동 최적화가 RANTN에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 RANTN에서 NOMA 및 RSMA와 같은 다중 액세스 기법과 RIS를 통합할 때의 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 유한한 단계 해상도, 불완전한 CSI, 하드웨어 손상 등의 실용적 제약 조건 중 RANTN 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 무엇인가?

주요 결과

• RIS 기반 비지상 통신망**(RANTN)은 동적인 공중 환경에서 다수의 라인오브사이트**(LoS) 링크를 가능하게 하고 차단 현상을 완화함으로써 커버리지와 링크 신뢰성을 크게 향상시킨다.
• 교대 최적화**(AO) 및 기계학습**(ML) 알고리즘을 활용한 RIS 설치 및 공중 플랫폼 위치의 공동 최적화는 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성에서 뚜렷한 향상을 이룬다.
• NOMA 및 RSMA와의 RIS 통합은 특히 고사용자 밀도 환경에서 스펙트럼 효율성을 향상시키지만, 사용자 순서 정렬과 채널 결합 문제로 인해 복잡한 최적화 과제가 수반된다.
• 현재 문헌에서 자주 간과되는 실용적 제약 조건으로는 유한한 단계 해상도, 불완전한 CSI, 하드웨어 손상 등이 있으며, 이는 이론적 성능와 실세계 구현 간 격차를 만든다.
• 미래의 RANTN는 고주파 대역, 무선 전력 전송, 인지 무선 시스템과의 통합을 예상하지만, 이러한 분야는 아직 탐색이 부족하여 추가 연구가 필요하다.
• 강력한 이론적 성과에도 불구하고 실제 실험 데이터와 현실적인 채널 모델의 부족으로 현재 RANTN 설계의 검증 및 구현 준비도가 제한되어 있다.