[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces Empowered THz Communication in LEO Satellite Networks

Kürşat Tekbıyık, Güneş Karabulut Kurt+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2020

Satellite Communication Systems被引用 12

一句话总结

该论文提出在低地球轨道（LEO）卫星上部署可重构智能表面（RIS），以实现高速率太赫兹（THz）卫星间链路（ISL），缓解严重的路径损耗和对准失配衰落问题。通过将RIS建模为虚拟MIMO阵列，研究推导出闭式误码率表达式，表明RIS部署可将误比特率（BER）降低高达120 dB，并显著提升可实现容量，尤其在对准失配条件下表现突出。

ABSTRACT

The revolution in the low Earth orbit (LEO) satellite networks will bring changes on their communication models and a shift from the classical bent-pipe architectures to more sophisticated networking platforms. Thanks to technological advancements in microelectronics and micro-systems, the terahertz (THz) band has emerged as a strong candidate for inter-satellite links (ISLs) due to its promise of high data rates. Yet, the propagation conditions of the THz band need to be properly modeled and controlled by utilizing reconfigurable intelligent surfaces (RISs) to leverage their full potential. In this work, we first provide an assessment of the use of the THz band for ISLs, and quantify the impact of misalignment fading on error performance. Then, in order to compensate for the high path loss associated with high carrier frequencies, and to further improve the signal-to-noise ratio (SNR), we propose the use of RISs mounted on neighboring satellites to enable signal propagation. Based on a mathematical analysis of the problem, we present the error rate expressions for RIS-assisted ISLs with misalignment fading. Also, numerical results show that RIS can leverage the error rate performance and achievable capacity of THz ISLs.

研究动机与目标

• 解决LEO卫星网络中太赫兹频段卫星间链路（ISL）的高路径损耗和对准失配衰落问题。
• 提出在相邻LEO卫星上部署RIS，作为低复杂度、高能效的解决方案，以增强信号强度和可靠性。
• 推导在对准失配衰落条件下，RIS辅助的THz ISL的解析误码率表达式。
• 评估RIS在LEO星座中单跳与协作传输场景下的性能增益。
• 通过数值仿真验证所提模型，涵盖不同卫星间距离和对准失配方差的条件。

提出的方法

• 提出一种系统模型：中继卫星配备一个N元RIS，将来自源卫星的THz信号反射至目的卫星。
• 将RIS建模为无源、相位可控表面，通过相干合并反射信号，形成类似虚拟MIMO的信道。
• 基于统计信道建模，推导在对准失配衰落下，RIS辅助THz ISL的平均误比特率（BER）的闭式表达式。
• 考虑两种传输场景：(1) 两颗独立中继卫星上分别部署双RIS；(2) 同轨道内多颗卫星连续传输。
• 采用蒙特卡洛仿真验证分析结果，覆盖Starlink和Iridium LEO星座，参数涵盖不同卫星间距离和对准失配方差。
• 分析对齐与非对齐波束条件下的性能表现，同时考虑太阳闪烁效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对准失配衰落条件下，RIS部署如何改善LEO卫星网络中THz ISL的误码性能？
• RQ2 RIS单元数量对RIS辅助THz ISL的可实现数据速率和误比特率有何影响？
• RQ3 卫星间距离和相对卫星运动如何影响RIS赋能的THz链路性能？
• RQ4 通过多颗RIS装备卫星的协作传输，可实现多大的性能增益？
• RQ5 由高速卫星运动和窄波束引起的对准失配衰落如何劣化THz ISL性能？RIS能否有效缓解此影响？

主要发现

• 当连续卫星数量从M=2增至M=4时，RIS部署可将所需发射功率降低高达120 dB，使用1024元RIS。
• 误比特率（BER）与RIS单元数量的平方成反比，证实了误差性能对RIS单元数的1/N²依赖关系。
• 在RIS辅助下，可实现数据速率显著提升，且在Starlink和Iridium星座配置中均观察到增益。
• 对准失配衰落导致接收功率严重下降，凸显了波束跟踪与自适应对准机制的必要性。
• 仿真结果证实，RIS能有效缓解对准失配衰落并提升信噪比（SNR），尤其在协作传输中使用多个RIS时效果更显著。
• 太阳闪烁被证明对误码性能有显著负面影响，提示需进一步研究以实现准确的系统建模。