Fortschritte in der Vollduplex-Kommunikation mit RIS-Technologie

Der Bedarf an schnellerer drahtloser Kommunikation ist gestiegen, da immer mehr Leute datenschwere Anwendungen nutzen. Traditionelle Methoden, wie die Halbduplexkommunikation, haben Schwierigkeiten, diesen Anforderungen gerecht zu werden, besonders bei begrenzten Spektrumressourcen. Das hat dazu geführt, dass neuere Technologien ins Rampenlicht gerückt sind, eine davon ist die Vollduplex (FD) Kommunikation. FD Kommunikation erlaubt es Geräten, Informationen gleichzeitig zu senden und zu empfangen, was die Kommunikationseffizienz potenziell verdoppelt. Allerdings steht diese Technologie vor Herausforderungen, insbesondere durch Interferenzen, die die Leistung beeinträchtigen können.

#Verständnis der Vollduplexkommunikation

Bei der FD Kommunikation tauschen mehrere Terminals gleichzeitig Informationen über dasselbe Frequenzband aus. Das bedeutet, dass die bidirektionale Kommunikation ohne Warten stattfinden kann, im Gegensatz zu Halbduplexsystemen, wo die Kommunikation nur in eine Richtung zur gleichen Zeit läuft. Obwohl FD das Potenzial hat, die Geschwindigkeit erheblich zu steigern, bringt es signifikante Selbstinterferenzen mit sich. Das ist der Fall, wenn das Signal von einer Antenne überkreuzt und mit dem eingehenden Signal einer anderen Antenne interferiert.

Ohne ordentliche Handhabung dieser Selbstinterferenzen können die Leistungsgewinne der FD Kommunikation begrenzt sein. Forscher haben Zeit investiert, um Techniken zur Minimierung der Selbstinterferenzen zu entwickeln, damit die FD Technologie effektiv funktioniert. Wenn das jedoch in einem Mobilfunknetz angewendet wird, in dem mehrere Geräte gleichzeitig kommunizieren, wird es komplizierter. Die Interferenzen kommen nicht nur von dem Gerät, das Daten an seinen Empfänger sendet, sondern auch Geräte in benachbarten Zellen können stören.

#Die Rolle von Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)

Eine vielversprechende Lösung zur Bekämpfung von Interferenzen in der FD Kommunikation ist die Verwendung von reconfigurable intelligent surfaces (RIS). RIS bestehen aus vielen reflektierenden Elementen, die sich anpassen können, wie sie Signale reflektieren. Dadurch formen sie die drahtlose Umgebung um und lenken Signale dorthin, wo sie hingehören, während sie Interferenzen reduzieren.

Das Einsetzen von RIS an den Rändern der Zellen kann helfen, die Kommunikation in einem Multi-Cell FD Netzwerk zu verbessern. Durch intelligentes Konfigurieren dieser Oberflächen ist es möglich, Interferenzen zu reduzieren und die Gesamtleistung des Systems zu steigern. Dabei ist das Hauptziel, die sogenannte Sum Rate (SR) zu optimieren, was ein Mass dafür ist, wie viele Daten gleichzeitig erfolgreich über das Netzwerk übertragen werden können.

#Verbesserung der drahtlosen Kommunikation

Diese Arbeit zielt darauf ab, ein Multi-Cell FD Netzwerkssystem zu entwickeln, das RIS nutzt, um Interferenzen zu managen und die Kommunikationsraten zu verbessern. Der Fokus liegt darauf, die SR durch Anpassung der RIS-Konfiguration und Optimierung der Signalaussendungen von Basisstationen (BS) und Benutzergeräten zu steigern. Dabei wird die Beziehung zwischen SR und dem, was als minimale mittlere quadratische Fehler (MMSE) bezeichnet wird, untersucht, was eine Möglichkeit ist, die Genauigkeit des Signalempfangs zu messen.

Durch Änderungen an den Konfigurationen der RIS ist es möglich, reflektierte Signale auf die beabsichtigten Empfänger zu lenken, während Interferenzen von anderen Geräten minimiert werden. Das vorgeschlagene System zielt darauf ab, das volle Potenzial der FD Kommunikation auszuschöpfen und dabei die Kosten niedrig und die Energieeffizienz hoch zu halten.

#Herausforderungen in der Vollduplexkommunikation

Trotz der Vorteile der FD Kommunikation mit RIS gibt es noch Herausforderungen zu bewältigen. Wenn mehrere Geräte und Zellen beteiligt sind, wird die Funkumgebung ziemlich komplex. Die Geräte müssen nicht nur ihre eigene Selbstinterferenz managen, sondern sehen sich auch Interferenzen aus benachbarten Zellen gegenüber. Das fügt eine weitere Ebene der Schwierigkeit hinzu und begrenzt die Gesamtnutzen, die die FD Kommunikation bieten kann.

Es wurden viele Lösungen vorgeschlagen, wie das Nutzen von aktivem Beamforming mit mehreren Antennen, um Signale auf den gewünschten Empfänger zu fokussieren. Allerdings erfordert dies mehr Hardware, was die Kosten erhöhen und die Energieeffizienz verringern kann. Während hybrides Beamforming helfen könnte, einige Kosten zu senken, fügt es auch Komplexität zum System hinzu.

#Der Einfluss von RIS auf FD Kommunikationen

Die Einführung der RIS-Technologie bietet eine Möglichkeit, das FD Networking zu verbessern, ohne dass umfangreiche zusätzliche Hardware nötig ist. Durch strategisches Einsetzen von RIS können Kommunikationssysteme Interferenzen effektiver managen. Die Vorteile der Nutzung von RIS umfassen verbesserte spektrale Effizienz und Energieeffizienz bei niedrigeren Kosten, was es zu einer praktikablen Option für zukünftige Kommunikationssysteme macht.

Die Hauptidee ist, die Phasenverschiebungen an den RIS anzupassen, sodass sie Signale konstruktiv auf die beabsichtigten Empfänger reflektieren. Indem man steuert, wie das Signal reflektiert wird, kann es notwendige Signale verstärken und gleichzeitig die Leistung störender Signale reduzieren. Durch die Optimierung, wie RIS zusammen mit der FD Kommunikation funktioniert, kann die Gesamtleistung von Mobilfunknetzen verbessert werden.

#Verwandte Arbeiten zu FD und RIS

Viele frühere Studien haben sich darauf konzentriert, die FD Kommunikation zu verbessern und die RIS-Technologie zu integrieren. Forschungen haben gezeigt, dass effektive Selbstinterferenzunterdrückung (SIC) grundlegend für erfolgreiche FD Systeme ist. Verschiedene SIC-Methoden wurden erforscht, wobei einige Studien signifikante Leistungsverbesserungen gezeigt haben, wenn RIS in die Lösungen integriert ist.

Die Einbeziehung von RIS wurde in verschiedenen Kontexten vorgeschlagen, von der Kommunikation mit unbemannten Luftfahrzeugen bis hin zu integrierten Sensor- und Kommunikationssystemen, was seine Vielseitigkeit und potenziellen Einfluss auf die drahtlose Kommunikationslandschaft zeigt.

#Systemmodell und Problemformulierung

Um ein umfassendes Verständnis des vorgeschlagenen Systems zu entwickeln, wurde ein Multi-User FD Netzwerkmodell erstellt. In diesem System besteht jede Zelle aus einer Basisstation und mehreren Benutzergeräten. Die Basisstationen operieren im FD-Modus, während die Benutzergeräte im Halbduplexmodus funktionieren.

Die RIS-Elemente sind strategisch an den Rändern der Zellen platziert und bilden einen kritischen Teil der Kommunikationsumgebung. Durch das Optimieren der Konfigurationen basierend auf Benutzeranforderungen und Netzwerkbedingungen kann die Leistung verbessert werden.

#Ziel und Ansatz

Das Hauptziel ist, die Sum Rate – ein bedeutendes Leistungsmass – zu maximieren, indem die Übertragungseinstellungen an den Basisstationen und die Konfigurationen der RIS optimiert werden. Die Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, sind die hochgradig gekoppelten Bedingungen der Übertragungseinstellungen und die nicht-konvexen Einschränkungen, die durch die Phasenverschiebungen der RIS vorgegeben sind.

Um dies anzugehen, wird das ursprüngliche Problem in handhabbare Teilprobleme entkoppelt, was einen strukturierten Ansatz zur Optimierung ermöglicht. Geeignete Algorithmen werden entwickelt, um diese Herausforderungen effizient zu lösen und Leistungsgewinne zu sichern, während die Systembeschränkungen berücksichtigt werden.

#Algorithmen zur Optimierung

Es wurden zwei Hauptalgorithmen entwickelt, um die Phasenverschiebungskonfigurationen der RIS und die Übertragungseinstellungen der Basisstationen zu optimieren. Der erste Algorithmus ist so konzipiert, dass er mit komplexen Kreismanifold-Techniken arbeitet, um sicherzustellen, dass die RIS-Konfigurationen innerhalb akzeptabler Grenzen liegen.

Der zweite Ansatz nutzt sukzessive konvexe Approximation, um Lösungen effizienter zu erreichen. Durch das Abwechseln zwischen der Optimierung der RIS-Phasenverschiebungen und den Übertragungseinstellungen kann das Gesamtziel, die Sum Rate zu maximieren, erreicht werden.

#Simulationsergebnisse und Diskussion

Numerische Simulationen werden durchgeführt, um das vorgeschlagene System zu validieren und die Auswirkungen des Einsatzes von RIS in FD-Netzwerken zu zeigen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hinzufügung von RIS die Leistung im Vergleich zu traditionellen FD-Systemen ohne RIS erheblich verbessert.

Die Simulationen bestätigen, dass RIS effektiv die Anforderungen an die Selbstinterferenzunterdrückung reduzieren können. Diese Reduzierung führt zu weniger Hardwarebedarf, wodurch die Kosten und der Energieverbrauch gesenkt werden.

#Leistungskennzahlen

Wichtige Leistungskennzahlen werden während der Simulationen bewertet, einschliesslich:

• Sum Rate: Die gesamte Datenrate, die im Netzwerk erzielt wird.
• Selbstinterferenzunterdrückung: Die Effektivität des vorgeschlagenen Ansatzes im Umgang mit Selbstinterferenzen.
• Signalqualität: Wie gut das System hinsichtlich Klarheit und Stärke der empfangenen Signale abschneidet.

Diese Kennzahlen veranschaulichen zusammen die Vorteile des Einsatzes von RIS in FD-Netzwerksystemen.

#Fazit

Die Integration von reconfigurable intelligent surfaces in Multi-Cell FD Kommunikationssysteme stellt einen vielversprechenden Ansatz zur Verbesserung der drahtlosen Kommunikationsleistung dar. Durch das Management von Interferenzen und die Optimierung der Übertragungseinstellungen ist es möglich, signifikante Steigerungen der Datenraten und der Systemeffizienz zu erreichen.

Das vorgeschlagene System ermöglicht eine praktische Implementierung in zukunftsorientierten Mobilfunknetzen und adressiert die Herausforderungen, die mit traditioneller FD Kommunikation verbunden sind. Insgesamt markiert der Einsatz von RIS einen Fortschritt, um FD-Networking praktikabler und effizienter zu gestalten und ebnet den Weg für zukünftige Entwicklungen in der drahtlosen Kommunikationstechnologie.