[论文解读] Dynamic Blockage Pre-Avoidance using Reconfigurable Intelligent Surfaces

Hao Guo, Behrooz Makki+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 8

一句话总结

本文提出了一种在车载网络中利用可重构智能表面（RIS）实现动态链路遮挡预避的方案，以提升毫米波通信的可靠性。通过结合基于区域的RIS预选与遮挡预测，系统降低了中断概率并提高了吞吐量，尽管硬件损伤与成本效益仍是实际部署中的关键挑战。

ABSTRACT

Internet-of-vehicle (IoV) is a general concept referring to, e.g., autonomous drive based vehicle-to-everything (V2X) communications or moving relays. Here, high rate and reliability demands call for advanced multi-antenna techniques and millimeter-wave (mmw) based communications. However, the sensitivity of the mmw signals to blockage may limit the system performance, especially in highways/rural areas with limited building reflectors/base station deployments and high-speed devices. To avoid the blockage, various techniques have been proposed among which reconfigurable intelligent surface (RIS) is a candidate. RIS, however, has been mainly of interest in stationary/low mobility scenarios, due to the associated channel state information acquisition and beam management overhead as well as imperfect reflection. In this article, we study the potentials and challenges of RIS-assisted dynamic blockage avoidance in IoV networks. Particularly, by designing region-based RIS pre-selection as well as blockage prediction schemes, we show that RIS-assisted communication has the potential to boost the performance of IoV networks. However, there are still issues to be solved before RIS can be practically deployed in IoV networks.

研究动机与目标

• 解决高速公路和基础设施有限的农村地区等场景中高移动性毫米波链路遮挡问题。
• 克服传统遮挡缓解技术（如非视 Line-of-Sight (LoS) 链路和切换）的局限性，这些技术因链路持续时间短和高移动性而失效。
• 探索利用RIS作为低功耗、非电网依赖的解决方案，无需额外基站或回传链路，实现遮挡的预先规避。
• 在包含相位噪声和收发机损伤等实际条件下的RIS辅助通信性能进行评估。
• 识别实际部署中RIS在IoV网络中的主要障碍，包括硬件损伤、成本效益、标准化以及干扰管理问题。

提出的方法

• 提出一种基于区域的RIS预选机制，即基站根据车辆速度和位置报告预先选择最优RIS。
• 结合大尺度信道状态信息与移动性数据，实现对潜在未来遮挡的预测。
• 建立RIS辅助通信链路模型，通过优化相位偏移，即使在车辆移动时也能维持视 Line-of-Sight (LoS) 或反射视 LoS 链接。
• 在实际毫米波传播特性和硬件损伤条件下，使用中断概率和频谱效率指标分析系统性能。
• 评估相位噪声和收发机损伤对RIS性能的影响，并与直接子6 GHz通信和协作基站方案进行对比。
• 通过比较在实际损伤条件下达到与协作基站相当性能所需的RIS元件数量，评估成本效益权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于RIS的预选与遮挡预测能否在高移动性毫米波车载网络中有效降低中断概率？
• RQ2 相位噪声与收发机损伤如何影响RIS辅助毫米波通信相较于直接子6 GHz链路的性能增益？
• RQ3 在实际硬件损伤条件下，为实现与协作基站相当的性能，RIS需要多少个元件？
• RQ4 在IoV场景中，RIS的成本效益权衡与IABs和网络控制中继器等替代技术相比如何？
• RQ5 哪些关键的标准化与干扰管理挑战阻碍了RIS在3GPP兼容网络中的部署？

主要发现

• 结合遮挡预测与预选的RIS辅助通信在高移动性IoV网络中显著降低了中断概率并提升了吞吐量。
• 相位噪声与收发机损伤会降低RIS性能，尤其在高信噪比（SNR）条件下，直接子6 GHz链路的性能可能优于RIS辅助的毫米波链路。
• 为在实际损伤条件下匹配协作基站的性能，RIS需要显著更多的元件数量，从而增加成本与管理开销。
• 成本效益权衡仍是主要障碍：尽管RIS可实现低功耗部署（如太阳能供电），但其性能增益可能不足以证明其成本投入的合理性，相较于IABs或中继器。
• 非理想RIS反射引起的干扰以及缺乏标准化带来了网络级挑战，尤其在密集部署和邻道操作场景中。
• 尽管性能增益显著，但实际部署中RIS在IoV中的应用仍受限于硬件损伤、成本以及3GPP标准化的缺失，尤其是在Release 18及以后版本中。