[论文解读] When RIS Meets GEO Satellite Communications: A New Sustainable Optimization Framework in 6G

Wali Ullah Khan, Eva Lagunas+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种新型的联合功率分配与相位移优化框架，用于6G网络中反射智能表面（RIS）辅助的地球静止轨道（GEO）卫星通信，以最大化系统信道容量。通过采用基于MADS的$ε$-最优算法，该框架相较传统非RIS系统实现了高达11.25%的容量增益，显著提升了高吞吐量卫星链路的频谱效率与能量可持续性。

ABSTRACT

Reflecting intelligent surfaces (RIS) is a low-cost and energy-efficient solution to achieve high spectral efficiency in sixth-generation (6G) networks. The basic idea of RIS is to smartly reconfigure the signal propagation by using passive reflecting elements. On the other side, the demand of high throughput geostationary (GEO) satellite communications (SatCom) is rapidly growing to deliver broadband services in inaccessible/insufficient covered areas of terrestrial networks. This paper proposes a GEO SatCom network, where a satellite transmits the signal to a ground mobile terminal using multicarrier communications. To enhance the effective gain, the signal delivery from satellite to the ground mobile terminal is also assisted by RIS which smartly shift the phase of the signal towards ground terminal. We consider that RIS is mounted on a high building and equipped with multiple re-configurable passive elements along with smart controller. We jointly optimize the power allocation and phase shift design to maximize the channel capacity of the system. The joint optimization problem is formulated as nonconvex due to coupled variables which is hard to solve through traditional convex optimization methods. Thus, we propose a new $ε-$optimal algorithm which is based on Mesh Adaptive Direct Search to obtain an efficient solution. Simulation results unveil the benefits of RIS-assisted SatCom in terms of system channel capacity.

研究动机与目标

• 为应对6G网络中对高吞吐量、高能效卫星通信日益增长的需求，特别是在陆地覆盖较差的区域。
• 通过集成反射智能表面（RIS）来克服地球静止轨道卫星通信中因路径损耗、阴影效应及非视 Line-of-Sight（LOS）条件导致的信号衰减。
• 在每子载波的QoS约束下，联合优化发射功率分配与RIS相位偏移，以最大化系统信道容量。
• 为由功率与相位变量耦合引起的非凸、二次约束优化问题开发高效求解方法。
• 评估RIS辅助卫星通信在频谱效率、能量效率以及对传播损伤的鲁棒性方面的性能增益。

提出的方法

• 建立一个包含直射链路与RIS辅助反射链路的多载波GEO卫星通信系统模型，从卫星到地面移动终端。
• 将发射功率与RIS相位偏移的联合优化建模为一个非凸二次约束二次规划（QCQP）问题。
• 提出一种基于MADS（网格自适应直接搜索）的$ε$-最优算法，无需凸松弛即可高效求解该非凸优化问题。
• 在RIS处部署智能控制器，动态调节多个无源反射单元的相位偏移，以增强对地面终端的信号增益。
• 采用包含高楼部署RIS的现实系统模型，并考虑多子载波上的频率选择性衰落。
• 应用香农容量公式，将系统信道容量表示为信干噪比（SINR）与子载波带宽的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统非RIS系统相比，RIS辅助如何提升GEO卫星通信中的可实现信道容量？
• RQ2 子载波数量对RIS辅助卫星通信性能的影响如何，特别是在频谱效率方面？
• RQ3 发射功率与RIS反射单元数量的变化如何影响系统容量与能量效率？
• RQ4 能否使用无导数方法（如MADS）高效求解功率与相位偏移的非凸联合优化问题？
• RQ5 在实际约束条件下，RIS参数（如单元数量、相位偏移）的最优配置是什么，以最大化容量？

主要发现

• 所提出的RIS辅助卫星通信系统实现了约8.9 × 10⁸ Mbps的信道容量，相较传统非RIS系统（8 × 10⁸ Mbps）提升了11.25%。
• 当子载波数从2增加到8时，系统容量提升，且在子载波较少而反射单元较多的系统中增益最为显著。
• 随着发射功率（最高达120 W）与RIS反射单元数量（最高达16个）的增加，系统容量持续提升，表明系统具备良好的可扩展性与鲁棒性。
• 随着子载波数量的增加，不同反射单元数量系统之间的性能差距缩小，表明在高子载波数下收益递减。
• 基于MADS的$ε$-最优算法能有效求解非凸优化问题，实现接近最优的性能，且无需凸松弛。
• 该框架可扩展至多终端场景，并适用于非地球静止轨道卫星网络，显示出广阔的应用前景。