[论文解读] Energy-Efficient RIS-Assisted Satellites for IoT Networks

Kürşat Tekbıyık, Güneş Karabulut Kurt+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 27被引用 6

一句话总结

本文提出了一种基于智能反射面（RIS）的低地球轨道（LEO）卫星架构，通过减轻长距离路径损耗，提升物联网（IoT）网络的能量效率。通过在卫星上部署可重构智能表面（RIS）以实现波束成形和信号反射，该系统可将下行链路和上行链路速率提升至最高105倍，显著降低对电池供电受限的物联网设备的能量负担。

ABSTRACT

The use of satellites to provide ubiquitous coverage and connectivity for densely deployed Internet of Things (IoT) networks is expected to be a reality in emerging 6G networks. Yet the low battery capacity of IoT nodes constitutes a problem for their direct connectivity to satellites, which are located at altitudes of up to 2000 km. In this paper, we propose a novel architecture involving the use of reconfigurable intelligent surface (RIS) units to mitigate the path loss associated with long transmission distances. These RIS units can be placed on satellite reflectarrays, and, when used in broadcasting and beamforming, they can provide significant gains in signal transmission. This study shows that RIS-assisted satellites can provide up to 10^5 times higher downlink and achievable uplink rates for IoT networks.

研究动机与目标

• 解决物联网设备连接远距离LEO卫星时面临的高路径损耗与电池寿命有限的挑战。
• 通过将信号处理任务卸载至配备RIS的卫星，克服物联网设备需采用复杂且高功耗的跟踪与波束成形系统的需求。
• 通过在LEO卫星上利用RIS实现智能、无源的信号反射，提升大规模物联网网络的频谱与能量效率。
• 探索将RIS技术集成至6G网络卫星-IoT回传系统中的可行性与性能增益。
• 提出一种可扩展、低复杂度的解决方案，通过在卫星平台部署无源RIS单元，实现物联网的普遍连接。

提出的方法

• 将可重构智能表面（RIS）作为反射阵列系统的一部分部署于LEO卫星上，以实现对信号相位偏移的动态控制。
• 利用RIS执行智能波束成形与信号反射，增强物联网接收端的信号强度，且无需在物联网设备上进行主动信号处理。
• 利用时分双工（TDD）系统中的信道互惠性，通过上行链路导频信号估计上行信道并配置RIS相位偏移，无需下行链路导频。
• 将RIS建模为具有连续相位偏移和无损耗反射的理想无源阵列，以建立系统性能的理论上限。
• 将RIS与卫星太阳能电池板及现有天线子系统集成，实现外形贴合、大孔径的部署，且硬件改动最小。
• 提出一种图注意力网络（GAT）模型用于RIS相位优化，可部署于卫星上，从而减轻物联网设备的计算负载。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LEO卫星上部署RIS是否能显著提升物联网网络的下行链路与上行链路数据速率？
• RQ2 RIS在多大程度上可通过将信号处理任务从设备卸载至卫星，降低物联网设备的能量消耗？
• RQ3 与传统波束成形相比，RIS辅助波束成形在卫星-IoT系统中的频谱效率与能量效率方面表现如何？
• RQ4 将RIS集成至LEO卫星平台的实际部署挑战有哪些，特别是辐射、热变化与遮挡等问题？
• RQ5 基于RIS的系统是否能够支持同时无线信息与能量传输（SWIPT），从而进一步延长物联网设备的电池寿命？

主要发现

• 基于RIS的LEO卫星系统可将下行链路与上行链路数据速率相比传统卫星-IoT系统提升最高达105倍。
• 通过将复杂信号处理与波束成形任务卸载至卫星，RIS的使用显著降低了物联网设备的能量消耗，减少了设备端的计算与功耗需求。
• 理想RIS配置（具备连续相位偏移）提供了性能的理论上限，而实际采用3位分辨率的RIS已能实现近乎等效的增益。
• 在卫星太阳能电池板上部署RIS或将其作为传统天线的替代方案，可实现大孔径、外形贴合的表面集成，且结构改动极小。
• 在TDD模式下利用信道互惠性，可通过上行链路导频信号配置RIS相位，无需下行链路导频，从而降低信令开销。
• 将RIS与SWIPT框架集成，为实现自供能物联网网络提供了有前景的路径，支持同时进行能量与数据传输。