[论文解读] UAVs with Reconfigurable Intelligent Surfaces: Applications, Challenges, and Opportunities

Aly Sabri Abdalla, Talha Faizur Rahman+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用 43

一句话总结

本文综述了用于蜂窝网络的可重构智能表面（RIS）与无人机（UAV）结合的研究，详细介绍了用例、收益、挑战和未来研究方向。并在关键指标上比较了空中 RIS 网络、地面网络以及仅空中系统。

ABSTRACT

A reconfigurable intelligent surface (RIS) is a metamaterial that can be integrated into walls and influence the propagation of electromagnetic waves. This, typically passive radio frequency (RF) technology is emerging for indoor and outdoor use with the potential of making wireless communications more reliable in increasingly challenging radio environments. This paper goes one step further and introduces mobile RIS, specifically, RIS carried by unmanned aerial vehicles (UAVs) to support cellular communications networks and services of the future. We elaborate on several use cases, challenges, and future research opportunities for designing and optimizing wireless systems at low cost and with low energy footprint.

研究动机与目标

• 推动在未来蜂窝网络中将可重构智能表面与无人机结合的研究
• 总结 RIS-UAV 在覆盖、容量、安全、海量连接、频谱共享和 SWIPT 方面的潜在用例
• 确定信道建模、信道估计以及 RIS/UAV 控制开销等关键研究挑战
• 突出 RIS-UAV 在6G集成中的新兴技术与研究方向

提出的方法

• 评述现有的 RIS 和 UAV 文献，以阐明统一的 RIS-UAV 通信框架。
• 讨论用例及潜在的性能提升（覆盖、容量、PLS、SWIPT）。
• 概述信道建模、信道估计以及 RIS 控制开销等挑战。
• 总结在机器学习/人工智能、毫米波/太赫兹、VLC、指数调制以及6G 集成方面的机遇。

实验结果

研究问题

• RQ1 在城市和边缘场景中，搭载 RIS 的无人机如何扩展蜂窝覆盖并提升谱效率？
• RQ2 RIS-UAV 系统的主要挑战（信道建模、估计、控制开销）有哪些，如何解决？
• RQ3 空中 RIS 与传统地面网络及纯空中网络在覆盖、容量、PLS、海量接入、频谱共享和 SWIPT 等方面的比较潜力有多大？
• RQ4 哪些6G 技术和AI/ML 方法能够实现 RIS-UAV 的高效运行与优化？

主要发现

• 无人机上的 RIS 可以扩展覆盖范围（IOS 使得实现360度反射而无盲区）。
• RIS-UAV 通过无源波束成形提升容量，相对于有源中继在频谱效率提升和功耗降低方面具有潜在优势。
• 无人机上的 RIS 通过将功率定向到合法用户并采用无源相位位移实现能量效率，提升物理层安全。
• RIS 辅助的无人机通过塑造信道条件、降低干扰，实现可扩展的海量接入和改进的频谱共享。
• RIS-UAV 的 SWIPT 允许对无人机轨迹、RIS 相位移、以及能量/信息传输进行联合优化，以服务能量收集与信息识别设备。
• 空中 RIS 设置在覆盖、容量、安全性和效率方面优于地面网络，但在信道建模、信道估计和控制开销方面带来挑战。