Avanzamenti nella comunicazione UAV con tecnologia ibrida RIS

I veicoli aerei senza pilota (UAV) stanno diventando sempre più comuni nei sistemi di comunicazione grazie alla loro flessibilità e convenienza. Tuttavia, devono affrontare sfide come ostacoli che bloccano i segnali e la perdita di segnale su lunghe distanze, specialmente nelle aree urbane affollate. Per affrontare questi problemi, sta emergendo una nuova tecnologia chiamata superfici intelligenti riconfigurabili (RIS). Le RIS possono aiutare a riflettere i segnali in direzioni migliori, migliorando la qualità della comunicazione complessiva.

Mentre le RIS standard possono riflettere i segnali, potrebbero non essere abbastanza potenti in ambienti difficili. Un nuovo tipo di RIS, conosciuto come RIS ibrido attivo-passivo, offre caratteristiche aggiuntive grazie ad alcune parti che possono amplificare i segnali. Questo può aiutare a risolvere le debolezze dei progetti precedenti.

#Sfide nella Comunicazione UAV

I sistemi di comunicazione abilitati da UAV stanno guadagnando terreno perché sono pratici e possono muoversi in vari luoghi. Nonostante i loro vantaggi, questi sistemi affrontano diversi ostacoli:

1. Segnali Bloccati: Ostacoli come gli edifici possono impedire percorsi di segnale chiari tra l'UAV e gli utenti a terra.
2. Perdita di Segnale: Su lunghe distanze, i segnali possono indebolirsi, il che influisce sulla qualità della comunicazione.
3. Aree Affollate: In contesti urbani, l'ambiente complesso rende difficile mantenere la Forza del segnale.

L'introduzione della tecnologia RIS può migliorare la situazione. Funzionano per migliorare la comunicazione riflettendo i segnali verso gli utenti. Tuttavia, le RIS tradizionali a volte possono mancare della forza necessaria, specialmente quando l'UAV vola a grandi altezze o quando gli utenti sono sparsi lontano dall'UAV.

#Soluzione Proposta: RIS Ibrido Attivo-Passivo

Per migliorare la situazione, l'uso di un RIS ibrido attivo-passivo può essere utile. Questa tecnologia combina elementi sia passivi che attivi, permettendo di riflettere i segnali ma anche di amplificarli. Questa struttura ibrida offre una qualità di comunicazione migliore, specialmente in ambienti difficili.

#Ricerche Precedenti

Molti studi sono stati condotti sulle comunicazioni UAV supportate da RIS. Ad esempio, alcuni ricercatori si sono concentrati sull'aumento della capacità del sistema e sulla minimizzazione delle interferenze attraverso vari protocolli e design. Altri hanno sviluppato algoritmi per ottimizzare il movimento dell'UAV e le configurazioni delle RIS.

Tuttavia, la maggior parte degli approcci esistenti utilizza solo RIS passive, il che limita le prestazioni in condizioni difficili. L'introduzione di RIS ibride offre nuove opportunità per migliorare l'efficienza e l'affidabilità del sistema.

#Vantaggi delle RIS Ibride

Le RIS ibride hanno diversi vantaggi:

1. Migliore Forza del Segnale: Amplificando i segnali, le RIS ibride possono aiutare a superare problemi come la perdita di segnale doppia.
2. Adattabilità: Possono essere regolate in base alla posizione dell'UAV e alla disposizione degli utenti a terra.
3. Efficienza Energetica: Questi sistemi possono offrire risparmi energetici, il che è cruciale per le operazioni UAV poiché hanno una vita della batteria limitata.

#Panoramica del Sistema

In questo studio, ci concentriamo su due tipi di reti abilitate da UAV con supporto RIS ibrido:

1. Rete UAV Statica: In questo setup, l'UAV è fissato in un'unica posizione mentre serve più utenti contemporaneamente.
2. Rete UAV Mobile: Qui, l'UAV si muove nell'area, aiutando diversi utenti uno alla volta usando un approccio di divisione del tempo.

Entrambi i sistemi mirano a garantire equità tra gli utenti massimizzando la velocità di trasmissione minima che ogni utente riceve.

#Contributi Chiave

Il nostro lavoro introduce l'uso della tecnologia RIS ibrida attivo-passivo nei sistemi di comunicazione UAV. Formuliamo problemi di ottimizzazione per migliorare l'esperienza dell'utente e implementiamo algoritmi per affrontare efficacemente queste sfide.

1. Analizziamo l'efficacia della RIS ibrida in reti statiche e mobili.
2. Sviluppiamo algoritmi efficienti per ottimizzare sia la posizione dell'UAV che le strategie di trasmissione.
3. Valutiamo i miglioramenti nella qualità della comunicazione utilizzando simulazioni.

#Modelli di Sistema

#Rete UAV Statica

Nella rete UAV statica, l'UAV serve tutti gli utenti localizzati entro il suo raggio d'azione. L'obiettivo è ottimizzare la posizione dell'UAV e gli elementi RIS per garantire che tutti gli utenti ricevano segnali forti.

#Rete UAV Mobile

Nella rete UAV mobile, l'UAV viaggia nell'area, servendo gli utenti in modo programmato. La sfida è ottimizzare il percorso dell'UAV e il tempismo delle comunicazioni per fornire le migliori velocità e l'esperienza utente migliore.

#Formulazione del Problema

Il nostro obiettivo è garantire che ogni utente connesso all'UAV riceva un livello minimo di velocità di trasferimento dati. Lo facciamo ottimizzando vari aspetti del sistema di comunicazione:

1. Posizionamento UAV: Trovare la migliore posizione per l'UAV per servire efficacemente gli utenti.
2. Formazione del Fascio: Regolare come vengono trasmessi i segnali per garantire qualità e forza.
3. Coefficienti RIS: Ottimizzare la configurazione degli elementi RIS sia attivi che passivi per fornire i migliori risultati.

#Algoritmi per l'Ottimizzazione

Per risolvere i problemi posti dai due tipi di rete, abbiamo sviluppato algoritmi che adottano un approccio iterativo. Questo implica scomporre il problema più grande in problemi secondari più gestibili che possono essere risolti più facilmente:

1. Ascesa delle Coordinate Bloccate (BCA): Questo metodo aiuta a ottimizzare una variabile mantenendo costanti le altre, semplificando la gestione del problema.
2. Approssimazione Convessa Successiva (SCA): Questa tecnica aiuta a trasformare problemi non convessi in problemi convessi, facilitando i calcoli.

Combinando questi metodi, possiamo trovare soluzioni locali ottimali per entrambi i tipi di reti.

#Risultati della Simulazione

Per convalidare i nostri algoritmi proposti, abbiamo condotto simulazioni in vari scenari.

1. Rete UAV Statica: In scenari senza RIS, l'UAV solitamente deve volare più vicino agli utenti per mantenere la qualità della connessione. Tuttavia, quando utilizza RIS ibridi, può posizionarsi in diverse posizioni, come più vicino al RIS.
2. Rete UAV Mobile: Qui, i percorsi ottimali per l'UAV si adattano a seconda della presenza di elementi RIS. L'UAV può viaggiare in modo più efficiente, assicurando che gli utenti ricevano un servizio migliore mentre minimizzano il tempo tra le comunicazioni.

#Confronti di Prestazione

I risultati hanno mostrato che l'uso di RIS ibride migliora notevolmente le prestazioni di comunicazione sia in contesti statici che mobili. Il sistema può raggiungere tassi di dati migliori, specialmente in condizioni di basso rapporto segnale-rumore o quando gli utenti sono posti lontani tra loro.

#Conclusione

Questa ricerca evidenzia i vantaggi dell'utilizzo della tecnologia RIS ibrida attivo-passivo nelle comunicazioni UAV, affrontando le sfide comuni di questi sistemi. Gli algoritmi proposti offrono soluzioni efficaci per garantire equità tra gli utenti massimizzando la velocità minima di comunicazione.

In generale, dimostriamo che l'implementazione di RIS ibride può migliorare notevolmente le prestazioni di comunicazione degli UAV, specialmente quando l'UAV ha potenza limitata. I lavori futuri potrebbero esplorare l'uso di tecniche di apprendimento automatico per ottimizzare ulteriormente questi sistemi, rendendoli più adattabili ed efficienti nelle applicazioni reali.