Avanzando la comunicazione full-duplex con la tecnologia RIS

La necessità di una comunicazione wireless più veloce è aumentata man mano che sempre più persone usano applicazioni che consumano molti dati. I metodi tradizionali, come la comunicazione half-duplex, faticano a soddisfare queste richieste, soprattutto con risorse di spettro limitate. Questo ha portato a nuove tecnologie che stanno attirando attenzione, una delle quali è la comunicazione full-duplex (FD). La comunicazione FD consente ai dispositivi di inviare e ricevere informazioni contemporaneamente, potenzialmente raddoppiando l’efficienza della comunicazione. Tuttavia, questa tecnologia affronta sfide, in particolare con l'interferenza, che può influenzare le prestazioni.

#Comprendere la comunicazione Full-Duplex

Nella comunicazione FD, più terminali scambiano informazioni sulla stessa banda di frequenza contemporaneamente. Questo significa che la comunicazione bidirezionale può avvenire senza aspettare, a differenza dei sistemi half-duplex dove la comunicazione può avvenire solo in una direzione alla volta. Anche se FD ha il potenziale di migliorare notevolmente la velocità, introduce una significativa Auto-interferenza. Qui il segnale inviato da un'antenna si sovrappone e interferisce con il segnale in arrivo a un'altra antenna.

Senza una buona gestione di questa auto-interferenza, i benefici delle prestazioni della comunicazione FD possono essere limitati. I ricercatori hanno investito tempo nello sviluppo di tecniche per ridurre l'auto-interferenza, permettendo alla tecnologia FD di funzionare efficacemente. Tuttavia, quando applicata in una rete cellulare dove più dispositivi comunicano contemporaneamente, le cose diventano più complicate. L'interferenza non proviene solo dal dispositivo che invia dati al suo ricevitore; anche i dispositivi nelle celle vicine possono interferire.

#Il ruolo delle superfici intelligenti riconfigurabili (RIS)

Una soluzione promettente per affrontare l'interferenza nella comunicazione FD è l'uso di superfici intelligenti riconfigurabili (RIS). Le RIS consistono in molti elementi riflettenti che possono regolare il modo in cui riflettono i segnali. Facendo ciò, rimodellano l'ambiente wireless, indirizzando i segnali dove devono andare riducendo l'interferenza.

Implementare le RIS ai bordi delle celle può aiutare a migliorare la comunicazione in un sistema di rete FD multi-cella. Configurando queste superfici in modo intelligente, è possibile ridurre l'interferenza e migliorare le prestazioni complessive del sistema. L'obiettivo principale è ottimizzare quello che è conosciuto come tasso somma (SR), che è una misura di quanto dato può essere trasmesso con successo attraverso la rete contemporaneamente.

#Migliorare la comunicazione wireless

Questo lavoro mira a sviluppare un sistema di rete FD multi-cella che utilizzi le RIS per gestire l'interferenza e migliorare i tassi di comunicazione. L'obiettivo è aumentare l'SR regolando la configurazione delle RIS e ottimizzando il modo in cui i segnali vengono inviati dalle Stazioni Base (BS) e dai dispositivi degli utenti. Questo processo implica esaminare la relazione tra SR e quello che viene chiamato errore quadratico medio minimo (MMSE), che è un modo per misurare l'accuratezza della ricezione del segnale.

Cambiando le configurazioni delle RIS, è possibile indirizzare i segnali riflessi verso i ricevitori previsti riducendo al contempo l'interferenza da altri dispositivi. Il sistema proposto mira a raggiungere il pieno potenziale della comunicazione FD mantenendo bassi i costi e alta l'efficienza energetica.

#Sfide nella rete Full-Duplex

Nonostante i vantaggi della comunicazione FD con le RIS, ci sono ancora sfide da affrontare. Quando si tratta di più dispositivi e celle, l'ambiente radio diventa piuttosto complesso. Non solo i dispositivi devono gestire la propria auto-interferenza, ma affrontano anche l'interferenza delle celle vicine. Questo aggiunge un ulteriore livello di difficoltà e limita i guadagni complessivi che la comunicazione FD può fornire.

Sono state proposte molte soluzioni, come l'uso di beamforming attivo con più antenne per concentrare i segnali verso il ricevitore desiderato. Tuttavia, questo richiede più hardware, il che può aumentare i costi e ridurre l'efficienza energetica. Anche se il beamforming ibrido potrebbe aiutare a ridurre alcuni costi, aggiunge anche complessità al sistema.

#L'impatto delle RIS sulle comunicazioni FD

L'introduzione della tecnologia RIS offre un modo per migliorare la rete FD senza la necessità di hardware aggiuntivo esteso. Implementando le RIS in modo strategico, i sistemi di comunicazione possono gestire l'interferenza in modo più efficace. I benefici dell'uso delle RIS includono una maggiore efficienza spettrale e dell'energia a costi inferiori, rendendola un'opzione praticabile per i sistemi di comunicazione di nuova generazione.

L'idea principale è regolare gli spostamenti di fase alle RIS, permettendo loro di riflettere i segnali in modo costruttivo verso i ricevitori previsti. Gestendo il modo in cui il segnale si riflette, è possibile amplificare i segnali necessari riducendo la potenza dei segnali interferenti. Ottimizzando come le RIS funzionano insieme alla comunicazione FD, le prestazioni complessive delle reti mobili possono essere migliorate.

#Lavori correlati su FD e RIS

Molti studi precedenti si sono concentrati sul miglioramento della comunicazione FD e sull'integrazione della tecnologia RIS. La ricerca ha dimostrato che una cancellazione efficace dell'auto-interferenza (SIC) è fondamentale per i sistemi FD di successo. Sono stati esplorati vari metodi SIC, con alcuni studi che mostrano miglioramenti significativi nelle prestazioni quando le RIS sono incluse nelle soluzioni.

L'inclusione delle RIS è stata proposta in vari contesti, dalle comunicazioni di veicoli aerei senza pilota ai sistemi di sensori e comunicazione integrati, mostrando la loro versatilità e potenziale impatto nel panorama della comunicazione wireless.

#Modello di sistema e formulazione del problema

Per stabilire una comprensione completa del sistema proposto, è stato costruito un modello di rete FD multi-utente. In questo sistema, ogni cella è composta da una stazione base e più dispositivi utente. Le stazioni base operano in modalità FD, mentre i dispositivi degli utenti funzionano in modalità half-duplex.

Gli elementi RIS sono posizionati strategicamente ai bordi delle celle, formando una parte critica dell'ambiente di comunicazione. Ottimizzando le configurazioni in base alle richieste degli utenti e alle condizioni della rete, è possibile migliorare le prestazioni.

#Obiettivo e approccio

L'obiettivo principale è massimizzare il tasso somma-una metrica di prestazione significativa-ottimizzando le impostazioni di trasmissione delle stazioni base e le configurazioni delle RIS. Le sfide da affrontare includono la natura altamente accoppiata delle impostazioni di trasmissione e i vincoli non convessi forniti dagli spostamenti di fase delle RIS.

Per affrontare questo, il problema originale è stato decoupled in sottoproblemi gestibili, permettendo un approccio strutturato all'ottimizzazione. Sono stati sviluppati algoritmi adatti per risolvere queste sfide in modo efficiente, garantendo guadagni di prestazione tenendo conto dei vincoli di sistema.

#Algoritmi per l'ottimizzazione

Due algoritmi principali sono stati sviluppati per ottimizzare le configurazioni degli spostamenti di fase attinenti alle RIS e le impostazioni di trasmissione delle stazioni base. Il primo algoritmo è progettato per funzionare con tecniche di manifolds circolari complesse per garantire che le configurazioni delle RIS siano all'interno dei limiti accettabili.

Il secondo approccio utilizza la successiva approssimazione convessa per ottenere soluzioni in modo più efficiente. Alternando tra l'ottimizzazione degli spostamenti di fase delle RIS e delle impostazioni di trasmissione, è possibile raggiungere l'obiettivo complessivo di massimizzare il tasso somma.

#Risultati delle simulazioni e discussione

Sono state condotte simulazioni numeriche per convalidare il sistema proposto, mostrando gli impatti dell'implementazione delle RIS nelle reti FD. I risultati dimostrano che l'aggiunta delle RIS migliora notevolmente le prestazioni rispetto ai tradizionali sistemi FD senza RIS.

Le simulazioni confermano che le RIS possono ridurre efficacemente i requisiti per la cancellazione dell'auto-interferenza. Questa riduzione si traduce in minori necessità di hardware, portando a costi e consumi energetici inferiori.

#Metriche di prestazione

Le principali metriche di prestazione sono valutate durante le simulazioni, includendo:

• Tasso Somma: La velocità totale di dati raggiunta attraverso la rete.
• Cancellazione dell'auto-interferenza: L'efficacia dell'approccio proposto nella gestione dell'auto-interferenza.
• Qualità del Segnale: Quanto bene il sistema performa in termini di chiarezza e forza dei segnali ricevuti.

Queste metriche illustrano collettivamente i benefici dell'implementazione delle RIS nei sistemi di rete FD.

#Conclusione

L'integrazione delle superfici intelligenti riconfigurabili nei sistemi di comunicazione FD multi-cella presenta una via promettente per migliorare le prestazioni della comunicazione wireless. Gestendo l'interferenza e ottimizzando le impostazioni di trasmissione, è possibile ottenere miglioramenti significativi nei tassi di dati e nell'efficienza del sistema.

Il sistema proposto consente l'implementazione pratica nelle reti mobili di nuova generazione, affrontando le sfide associate alla comunicazione FD tradizionale. Complessivamente, l'uso delle RIS segna un passo avanti nel rendere la rete FD più praticabile ed efficiente, aprendo la strada a futuri sviluppi nella tecnologia della comunicazione wireless.