[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surface Empowered Terahertz Communication for LEO Satellite Networks.

Kürşat Tekbıyık, Güneş Karabulut Kurt+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Satellite Communication Systems参考文献 10被引用 28

一句话总结

本文提出在低地球轨道（LEO）卫星上使用可重构智能表面（RIS）以增强太赫兹（THz）卫星间链路（ISL），补偿高路径损耗和失准衰落。通过建模THz信道并推导闭式误码率表达式，研究结果表明，RIS部署显著提升了高数据速率卫星通信中的信噪比（SNR）和误码性能。

ABSTRACT

The revolution in the low earth orbit (LEO) satellite networks will impose changes on their communication models, shifting from the classical bent-pipe architectures to more sophisticated networking platforms. Triggered by the technological advancements in the microelectronics and micro-systems, the terahertz (THz) band emerges as a strong candidate for the associated inter-satellite link (ISL) due to its high data rate promise. Yet, the propagation conditions of the THz band need to be properly modeled and/or controlled by utilizing reconfigurable intelligent surfaces (RISs) to assess their full potential. In this work, we first provide an assessment of the use of THz for the ISL, and quantify the impact of the misalignment fading on the error performance. Then, to compensate for the high path loss associated with the high carrier frequencies, we propose the use of RISs that are mounted on the neighboring satellites to enable signal propagation and to further improve the signal-to-noise ratio (SNR). Based on the mathematical analysis of the problem, we present the closed-form error rate expressions for RIS-assisted ISLs under misalignment fading. Numerical results demonstrate that the proposed RIS empowered THz communication solution reveals significant performance improvement introduced by the usage of RIS.

研究动机与目标

• 评估在低地球轨道（LEO）卫星网络中使用太赫兹（THz）频段进行卫星间链路（ISL）的可行性。
• 量化失准衰落对基于THz的ISL误码性能的影响。
• 通过在邻近卫星上部署RIS以增强信号传播，缓解THz频段的高路径损耗。
• 推导在失准衰落条件下，RIS辅助THz ISL的误码率闭式表达式。
• 评估RIS增强的THz通信在LEO卫星网络中的性能增益。

提出的方法

• 采用统计信道建模方法，对ISL中的THz信道进行建模，重点关注失准衰落的影响。
• 提出在邻近的LEO卫星上部署可重构智能表面（RIS），以反射并增强THz信号。
• 利用随机几何和信道统计特性，推导在失准衰落条件下RIS辅助THz ISL的符号误码率（SER）闭式表达式。
• 通过RIS波束成形和相位移优化，建立信噪比（SNR）增益机制。
• 通过数学分析，表征RIS反射系数与卫星几何结构对系统性能的影响。
• 在真实的LEO卫星链路条件下，通过数值仿真验证分析结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LEO卫星网络中，失准衰落如何影响基于THz的卫星间链路的误码性能？
• RQ2 RIS部署在多大程度上可缓解THz ISL中的高路径损耗并提升SNR？
• RQ3 在失准衰落条件下，RIS辅助THz ISL的符号误码率的解析表达式是什么？
• RQ4 在邻近卫星上RIS的部署位置与配置如何影响整体通信可靠性？
• RQ5 与传统THz ISL相比，RIS增强的THz通信可实现多大的性能增益？

主要发现

• 所提出的RIS增强型THz通信方案显著提升了卫星间链路的信噪比（SNR）。
• 成功推导出在失准衰落条件下RIS辅助THz ISL的符号误码率（SER）闭式表达式。
• 数值结果证实，RIS部署能有效缓解LEO卫星网络中THz频段典型的高路径损耗。
• 在严重失准条件下，RIS辅助系统的误码性能显著优于传统THz ISL。
• 分析模型能准确预测系统性能，验证了RIS在增强THz卫星通信方面的有效性。
• 在高载波频率和高移动性场景下，性能增益最为显著，此时路径损耗与失准成为主导因素。