[论文解读] 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 14

一句话总结

本文全面综述了可 reconfigurable intelligent surface (RIS) 辅助的非地面网络（RANTNs），分析了 RIS 与无人机（UAVs）、高空平台（HAPs）及卫星的集成，以增强覆盖范围、减少链路阻塞并提升频谱效率。该文提出采用交替优化（AO）与机器学习（ML）联合优化 RIS 部署与空中平台位置，实现在现实约束下显著提升频谱效率与能量效率。

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.

研究动机与目标

• 利用 RIS 技术解决非地面网络（NTNs）中的阻塞、路径损耗高及传播环境动态等挑战。
• 综述 RIS 在 NTNs 中的框架、分类及关键特性，包括地面 RIS（TRIS）与空中 RIS（ARIS）。
• 分析 RANTNs 中的性能与优化技术，重点关注信噪比（SNR）、数据速率、能量效率与延迟。
• 识别 RANTNs 中的开放挑战，如信道状态信息（CSI）不完善、相位分辨率有限、硬件损伤及频谱稀缺性。
• 指出未来研究方向，包括与非正交多址（NOMA）、速率分割多址（RSMA）、认知无线电及高频段的集成。

提出的方法

• 将 RANTNs 分为三类：RIS 辅助的空对地（A2G）/地对空（G2A）通信、ARIS 辅助的地对地（G2G）通信，以及 RIS 辅助的空对空（A2A）通信。
• 将 RIS 与下一代技术（如 NOMA 和 RSMA）集成，以提升频谱效率并支持大规模连接。
• 应用交替优化（AO）与机器学习（ML）算法，联合优化 RIS 相位偏移与空中平台轨迹或位置。
• 将 RIS 建模为具有可控相位偏移的无源反射器，以创建多个视 Line-of-Sight（LoS）链路，缓解阻塞问题。
• 采用容量速率、能量效率（EE）与频谱效率等性能指标评估系统性能。
• 在系统建模中考虑实际限制，包括有限相位分辨率、不完善的 CSI、硬件损伤及控制资源有限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在非地面网络中有效部署 RIS，以缓解阻塞并提升无人机（UAVs）、高空平台（HAPs）与卫星的链路可靠性？
• RQ2 在 NTN 场景中，地面 RIS（TRIS）与空中 RIS（ARIS）的关键差异与性能权衡是什么？
• RQ3 如何通过联合优化 RIS 相位偏移与空中平台轨迹，提升 RANTNs 中的频谱与能量效率？
• RQ4 在 RANTNs 中，将 RIS 与 NOMA 和 RSMA 等多址接入方案集成时面临的主要挑战是什么？
• RQ5 在实际应用中，哪些限制因素——如有限相位分辨率、不完善的 CSI 与硬件损伤——对 RANTN 性能影响最大？

主要发现

• RIS 辅助的非地面网络（RANTNs）通过实现多个视 Line-of-Sight（LoS）链路并缓解阻塞，显著提升了覆盖范围与链路可靠性，尤其在动态空中环境中表现突出。
• 采用交替优化（AO）与机器学习（ML）算法联合优化 RIS 部署与空中平台位置，可在频谱效率与能量效率方面实现显著增益。
• RIS 与 NOMA 及 RSMA 的集成可显著提升频谱效率，尤其在用户高密度场景中；然而，用户排序与信道耦合问题带来了复杂的优化挑战。
• 当前文献中常忽略有限相位分辨率、不完善的 CSI 与硬件损伤等实际限制，导致理论性能与实际部署之间存在显著差距。
• 未来 RANTNs 预计将与高频段、无线能量传输及认知无线电系统集成，但这些方向仍研究不足，亟需进一步探索。
• 尽管理论增益显著，但当前 RANTN 设计缺乏真实世界实验数据与真实信道模型，限制了其验证与部署准备度。