[논문 리뷰] When RIS Meets GEO Satellite Communications: A New Sustainable Optimization Framework in 6G

Wali Ullah Khan, Eva Lagunas외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크에서 지구정지궤도(GEO) 위성 통신을 위한 RIS(반사지능표 superfine)를 활용한 새로운 공동 전력 할당 및 위상 시프트 최적화 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 시스템 채널 용량을 최대화하기 위해 메시 적응형 직접 탐색(MADS) 기반의 $ε$-최적 알고리즘을 활용하며, 기존의 비-RIS 시스템 대비 최대 11.25% 높은 용량을 달성하여 고속도 위성 링크의 스펙트럼 효율성과 에너지 지속 가능성 측면에서 뚜렷한 성능 향상을 보여준다.

ABSTRACT

Reflecting intelligent surfaces (RIS) is a low-cost and energy-efficient solution to achieve high spectral efficiency in sixth-generation (6G) networks. The basic idea of RIS is to smartly reconfigure the signal propagation by using passive reflecting elements. On the other side, the demand of high throughput geostationary (GEO) satellite communications (SatCom) is rapidly growing to deliver broadband services in inaccessible/insufficient covered areas of terrestrial networks. This paper proposes a GEO SatCom network, where a satellite transmits the signal to a ground mobile terminal using multicarrier communications. To enhance the effective gain, the signal delivery from satellite to the ground mobile terminal is also assisted by RIS which smartly shift the phase of the signal towards ground terminal. We consider that RIS is mounted on a high building and equipped with multiple re-configurable passive elements along with smart controller. We jointly optimize the power allocation and phase shift design to maximize the channel capacity of the system. The joint optimization problem is formulated as nonconvex due to coupled variables which is hard to solve through traditional convex optimization methods. Thus, we propose a new $ε-$optimal algorithm which is based on Mesh Adaptive Direct Search to obtain an efficient solution. Simulation results unveil the benefits of RIS-assisted SatCom in terms of system channel capacity.

연구 동기 및 목표

• 6G 네트워크에서 높은 대역폭, 에너지 효율적인 위성 통신의 증가하는 수요를 충족시키기 위해, 특히 지상 통신 커버리지가 열악한 지역을 대상으로 한다.
• 지구정지궤도 위성 통신(GEO-SatCom)에서 경로 손실, 그림자 효과, 비선시선 조건으로 인한 신호 퇴화 문제를 반사지능표면(RIS) 통합을 통해 해결하고자 한다.
• 각 하위대역에 대한 서비스 품질(QoS) 제약 조건 하에 전송 전력 할당과 RIS 위상 시프트를 공동으로 최적화하여 시스템 채널 용량을 최대화하고자 한다.
• 전력과 위상 변수가 결합되어 발생하는 비볼록, 이차 제약 조건이 있는 최적화 문제에 대해 효율적인 해법을 개발하고자 한다.
• RIS를 활용한 위성 통신의 성능 향상 여부를 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성, 전파 손상에 대한 내성 측면에서 평가하고자 한다.

제안 방법

• 위성에서 지상 이동 단말기로의 직접 링크와 RIS를 활용한 반사 링크를 포함하는 다대역 위성 통신 시스템을 모델링한다.
• 전송 전력 할당과 RIS 위상 시프트의 공동 최적화 문제를 비볼록 이차 제약 조건이 있는 이차계획문제(QCQP)로 수식화한다.
• 볼록 이완이 필요 없는 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 메시 적응형 직접 탐색(MADS) 기반의 $ε$-최적 알고리즘을 제안한다.
• RIS에 스마트 컨트롤러를 도입하여 다수의 수동 반사 요소의 위상 시프트를 동적으로 조정하여 지상 단말기 쪽으로 신호 이득을 향상시킨다.
• 고층에 설치된 RIS를 고려한 현실적인 시스템 모델을 사용하며, 여러 하위대역을 통해 주파수 선택성 페이딩을 고려한다.
• 샤논의 용량 공식을 적용하여 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)와 하위대역 대역폭에 따라 시스템 채널 용량을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RIS 지원이 기존의 비-RIS 시스템 대비 지구정지궤도 위성 통신에서의 실현 가능한 채널 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 하위대역 수의 증가가 RIS를 활용한 위성 통신의 성능, 특히 스펙트럼 효율성 측면에서 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 전송 전력과 RIS 반사 요소 수의 변화가 시스템 용량과 에너지 효율성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 MADS와 같은 도함수 기반 최적화 방법을 사용하여 비볼록 공동 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 실제 제약 조건 하에서 용량을 최대화하기 위해 RIS 파arameter(예: 요소 수, 위상 시프트)의 최적 설정은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 RIS를 활용한 위성 통신 시스템은 약 8.9 × 10⁸ Mbps의 채널 용량을 달성하며, 이는 기존 비-RIS 시스템의 8 × 10⁸ Mbps 대비 11.25% 향상된 결과이다.
• 하위대역 수를 2에서 8로 증가시키면 시스템 용량이 증가하며, 특히 하위대역 수가 적고 반사 요소 수가 많은 시스템에서 가장 높은 성능 향상을 보였다.
• 전송 전력(최대 120 W)과 RIS 반사 요소 수(최대 16개)가 증가할수록 시스템 용량이 증가하여 확장성과 내성에 기여한다.
• 하위대역 수가 증가함에 따라 반사 요소 수가 다른 시스템 간의 성능 격차가 좁아지며, 고하위대역 수에서 수익 감소 현상이 나타남을 시사한다.
• MADS 기반의 $ε$-최적 알고리즘이 비볼록 최적화 문제를 효과적으로 해결하여 볼록 이완 없이 근사 최적 성능을 달성한다.
• 이 프레임워크는 다중 단말기 환경으로 확장 가능하며, 비지구정지위성 네트워크에도 적용 가능하므로 향후 광범위한 적용 가능성을 지닌다.