[論文レビュー] Non-terrestrial Communications Assisted by Reconfigurable Intelligent Surfaces

Jia Ye, Jingping Qiao+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、再構成可能インテリジェント表面（RIS）を支援する非地上ネットワーク（RANTN）に関する包括的なサーベイを提示し、RISを無人航空機（UAV）、高高度プラットフォーム（HAP）、および人工衛星と統合することで、カバレッジの向上、遮断の低減、スペクトル効率の向上を図る。実際の制約下で、交互最適化（AO）と機械学習（ML）を用いたRIS配置と空中プラットフォーム位置の共同最適化を提案し、スペクトル効率およびエネルギー効率の顕著な向上を示している。

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.

研究の動機と目的

• 非地上ネットワーク（NTN）における遮断、高い伝搬損失、動的な伝搬特性の課題をRIS技術を用いて解決する。
• NTNにおけるRISのフレームワーク、分類、および主な特性（地上RIS（TRIS）と空中RIS（ARIS）を含む）をサーベイする。
• RANTNにおける性能と最適化技術を分析し、SNR、データレート、エネルギー効率、遅延に焦点を当てる。
• RANTNにおける不完全なCSI、有限な位相分解能、ハードウェアの制限、スペクトル不足といった未解決の課題を特定する。
• 今後の研究分野を強調する。NOMA、RSMA、認知無線、高周波数帯との統合を含む。

提案手法

• RANTNを3つのタイプに分類する：RIS支援の空対地上（A2G）／地上対空（G2A）、ARIS支援の地上対地上（G2G）、RIS支援の空対空（A2A）通信。
• NOMAやRSMAといった次世代技術とRISを統合し、スペクトル効率の向上と大規模接続の支援を図る。
• 交互最適化（AO）と機械学習（ML）アルゴリズムを適用し、RISの位相シフトと空中プラットフォームの軌道または位置を共同最適化する。
• RISを制御可能な位相シフトを持つ受動的反射素子としてモデル化し、複数の視線（LoS）リンクを生成し、遮断を軽減する。
• 系統的性能指標として、エゴドリックレート、エネルギー効率（EE）、スペクトル効率を用いてシステム性能を評価する。
• 有限な位相分解能、不完全なCSI、ハードウェアの制限、制御リソースの制限といった実用的制限を、システムモデルに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UAV、HAP、および人工衛星のための非地上ネットワークにおいて、遮断を軽減し、リンク信頼性を向上させるために、RISをどのように効果的に展開できるか。
• RQ2 NTNシナリオにおける地上RIS（TRIS）と空中RIS（ARIS）の主な違いと性能のトレードオフは何か。
• RQ3 RISの位相シフトと空中プラットフォームの軌道の共同最適化が、RANTNにおけるスペクトル効率およびエネルギー効率をどのように向上させるか。
• RQ4 RANTNにおけるNOMA や RSMA といった複数アクセス方式とRISを統合する際に生じる主な課題は何か。
• RQ5 有限な位相分解能、不完全なCSI、ハードウェアの制限といった実用的制限の中で、RANTN性能に最も顕著に影響を与える要因は何か。

主な発見

• RIS支援非地上ネットワーク（RANTN）は、動的な空域環境において複数の視線（LoS）リンクを可能にし、遮断を軽減することで、カバレッジとリンク信頼性を顕著に向上させる。
• 交互最適化（AO）と機械学習（ML）アルゴリズムを用いたRIS配置と空中プラットフォーム位置の共同最適化により、スペクトル効率およびエネルギー効率に顕著な向上が達成される。
• NOMAおよびRSMAとのRIS統合は、特にユーザー密度が高い状況においてスペクトル効率を向上させるが、ユーザーの順序付けとチャネルの結合性が複雑な最適化課題を引き起こす。
• 有限な位相分解能、不完全なCSI、ハードウェアの制限といった実用的制限は、現在の文献で頻繁に無視されており、理論的性能と実際の展開との間のギャップを生じさせている。
• 将来的なRANTNは、高周波数帯、無線電力伝送、認知無線システムと統合される見込みであるが、これらの分野はまだ十分に調査されておらず、さらなる研究が求められている。
• 理論的利得が強くても、実世界の実験データと現実的なチャネルモデルの欠如により、現在のRANTN設計の検証と展開準備が制限されている。