[論文レビュー] When RIS Meets GEO Satellite Communications: A New Sustainable Optimization Framework in 6G

Wali Ullah Khan, Eva Lagunas+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、6Gネットワークにおける地球静止軌道（GEO）衛星通信に向け、リフレクティングインテリジェントサーフェス（RIS）を活用した新規な連携電力割り当ておよび位相シフト最適化フレームワークを提案する。Mesh Adaptive Direct Search（MADS）に基づく$ε$-最適アルゴリズムを活用することで、従来の非RISシステムに比べ最大11.25%高いシステムチャネル容量を達成し、高スループット衛星リンクにおけるスペクトル効率およびエネルギー持続可能性の顕著な向上を示している。

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.

研究の動機と目的

• 6Gネットワークにおける高スループットでエネルギー効率の良い衛星通信の需要増加に応えること、特に地上通信カバレッジが悪い地域を対象とする。
• GEO-SatComにおけるパスロス、シャドウイング、視線外条件に起因する信号劣化を、リフレクティングインテリジェントサーフェス（RIS）の統合によって克服すること。
• 各サブキャリアにおけるサービス品質制約を満たしつつ、送信電力割り当てとRIS位相シフトを連携して最適化し、システムチャネル容量を最大化すること。
• 電力と位相変数の結合に起因する非凸で二次的制約を伴う最適化問題に対して、効率的な解決手法を開発すること。
• RIS支援衛星通信の性能向上を、スペクトル効率、エネルギー効率、伝搬劣化へのロバストネスの観点から評価すること。

提案手法

• 衛星から地上移動端末への直接リンクと、RIS支援反射リンクを有するマルチキャリアGEO衛星通信システムをモデル化する。
• 送信電力とRIS位相シフトの連携最適化を、非凸な二次的制約付き二次計画問題（QCQP）として定式化する。
• 凸緩和を必要とせず、非凸最適化問題を効率的に解くために、メッシュ適応直接探索（MADS）に基づく$ε$-最適アルゴリズムを提案する。
• RISにスマートコントローラーを設け、複数のパassing反射素子の位相シフトを動的に調整することで、地上端末方向への信号増幅を促進する。
• 高層RISの設置を想定した現実的なシステムモデルを採用し、複数サブキャリアにおける周波数選択性フェージングを考慮する。
• シャノンのチャネル容量式を用い、信号対インターフェアレンス＋ノイズ比（SINR）およびサブキャリア帯域幅の関数としてシステムチャネル容量を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIS支援が、従来の非RISシステムと比較して、GEO衛星通信における実現可能なチャネル容量にどのように寄与するか？
• RQ2 サブキャリア数の増加が、特にスペクトル効率の観点から、RIS支援SatComの性能に与える影響は何か？
• RQ3 送信電力とRIS反射素子数の変動が、システム容量およびエネルギー効率に与える影響は何か？
• RQ4 MADSのような微分フリー手法を用いて、非凸な電力と位相シフトの連携最適化を効率的に解くことは可能か？
• RQ5 実用的制約下で、チャネル容量を最大化する最適なRISパrameter設定（例：素子数、位相シフト）は何か？

主な発見

• 提案されたRIS支援SatComシステムは、約8.9 × 10⁸ Mbpsのチャネル容量を達成し、従来の非RISシステム（8 × 10⁸ Mbps）に比べ11.25%の向上を示した。
• サブキャリア数を2から8に増加させることでシステム容量が向上し、特にサブキャリア数が少なく、反射素子数が多いシステムで顕著な改善が観察された。
• 送信電力（最大120 W）とRIS反射素子数（最大16）の増加に伴い、システム容量が上昇し、スケーラビリティとロバストネスが確認された。
• サブキャリア数が増加するに従い、異なる反射素子数を有するシステム間の性能差が縮小する傾向にあり、高サブキャリア数では収益の逓減が顕著になった。
• MADSに基づく$ε$-最適アルゴリズムは、凸緩和を用いずに非凸最適化問題を効果的に解き、近似的最適性能を達成した。
• 本フレームワークはマルチ端末環境へも拡張可能であり、非地球静止軌道衛星ネットワークに対しても適用可能であるため、将来的な応用範囲が広がると考えられる。