[论文解读] Reconfigurable Intelligent Surfaces in Action: For Nonterrestrial Networks: Employing Reconfigurable Intelligent Surfaces

Kürşat Tekbıyık, Güneş Karabulut Kurt+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 32

一句话总结

本文提出利用可重构智能表面（RIS）增强非地面网络（NTN）和深空网络（DSN），通过实现被动、节能的信号反射，提升地球、高空平台（HAPS）、低地球轨道（LEO）卫星及深空节点之间的连接性。仿真结果表明，RIS可在太阳闪烁和卫星拖曳等环境效应下显著提升信噪比（SNR）和链路可靠性。

ABSTRACT

Next-generation communication technology will be made possible by cooperation between terrestrial networks with non-terrestrial networks (NTN) comprised of high-altitude platform stations and satellites. Further, as humanity embarks on the long road to establish new habitats on other planets, cooperation between NTN and deep-space networks (DSN) will be necessary. In this regard, we propose the use of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) to improve coordination between these networks given that RIS perfectly match the size, weight, and power restrictions of operating in space. A comprehensive framework of RIS-assisted non-terrestrial and interplanetary communications is presented that pinpoints challenges, use cases, and open issues. Furthermore, the performance of RIS-assisted NTN under environmental effects such as solar scintillation and satellite drag is discussed in light of simulation results.

研究动机与目标

• 解决因长距离传播和严格的尺寸、重量与功率（SWaP）约束导致的非地面与深空通信中信号强度有限和路径损耗高的挑战。
• 探索在HAPS、LEO卫星和深空中继站部署RIS的可行性，以实现被动、低能耗的信号反射与波束成形。
• 研究RIS与DSN及NTN的集成，延长主动链路时长，提升深空任务的端到端连接性。
• 识别RIS系统在空间优化场景下的关键技术挑战，如环境耐受性、信道建模与能量管理。
• 提出一个全面的RIS辅助深空与非地面通信框架，包括在真实环境效应下的性能评估。

提出的方法

• 利用单射频链RIS动态调节入射电磁波的相位偏移，实现无需主动信号放大的信噪比（SNR）增强。
• 建立HAPS、LEO卫星、月球轨道器与地面站之间RIS辅助通信链路的模型，重点研究中继与回传功能。
• 在太阳闪烁和卫星拖曳等环境效应下进行性能仿真，分析误比特率（BER）与归一化均方误差（NMSE）。
• 集成机器学习技术实现动态资源与能量管理，特别是采用强化学习以优化功耗与链路质量。
• 提出抗辐射且热稳定的RIS设计，以应对极端空间环境，包括范艾伦辐射带辐射与昼夜温差变化。
• 利用微流体可重构智能表面（MRIS）评估宽带能力，为未来高速率星间与深空链路提供支持。

实验结果

研究问题

• RQ1 RIS如何在SWaP约束严格的非地面网络（NTN）中提升信号强度与能效？
• RQ2 在太阳闪烁和卫星拖曳等环境效应下，RIS辅助NTN的性能增益如何？
• RQ3 RIS应如何设计以在具有极端辐射与热变化的深空环境中可靠运行？
• RQ4 RIS在实现地球、HAPS、LEO卫星与深空节点之间无缝、低时延通信中可发挥何种作用？
• RQ5 RIS集成对巨型星座LEO与中地球轨道（MEO）卫星网络中的关键性能指标（如切换速率）有何影响？

主要发现

• RIS通过单射频链实现被动波束成形，显著提升RIS辅助NTN中的信噪比（SNR），在不增加功耗的前提下增强链路可靠性。
• 仿真结果表明，RIS可有效缓解太阳闪烁与卫星拖曳引起的性能退化，在动态空间环境中维持低误比特率（BER）与低归一化均方误差（NMSE）。
• RIS辅助的HAPS与LEO卫星系统在延迟容忍及深空场景下展现出更长的主动链路时长、更广覆盖范围与更强信号强度。
• RIS与DSN的集成可实现地球与深空节点（如月球轨道器与巡视器）之间更稳定、连续的通信链路。
• RIS系统被证明与SWaP受限平台兼容，适用于HAPS、小型卫星与深空探测器的部署。
• 在RIS驱动的巨型星座卫星网络中，切换速率被识别为关键性能指标，可通过智能RIS重配置实现优化。