Avançando a Comunicação Full-Duplex com Tecnologia RIS

A necessidade de comunicação sem fio mais rápida cresceu à medida que mais pessoas usam aplicativos que consomem muitos dados. Métodos tradicionais, como a comunicação half-duplex, têm dificuldade em atender a essas demandas, especialmente com recursos de espectro limitados. Isso fez com que novas tecnologias ganhassem destaque, uma delas é a comunicação full-duplex (FD). A comunicação FD permite que os dispositivos enviem e recebam informações ao mesmo tempo, potencialmente dobrando a eficiência da comunicação. Mas essa tecnologia enfrenta desafios, especialmente com a interferência, que pode afetar o desempenho.

#Entendendo a Comunicação Full-Duplex

Na comunicação FD, vários terminais trocam informações na mesma faixa de frequência ao mesmo tempo. Isso significa que a comunicação bidirecional pode acontecer sem esperar, diferente dos sistemas half-duplex, onde a comunicação acontece apenas em uma direção de cada vez. Embora FD tenha o potencial de melhorar muito a velocidade, ele traz uma autointerferência significativa. Aqui, o sinal enviado de uma antena se cruza e interfere com o sinal que chega em outra antena.

Sem uma boa gestão dessa autointerferência, os benefícios de desempenho da comunicação FD podem ser limitados. Pesquisadores têm investido tempo em desenvolver técnicas para minimizar a autointerferência, permitindo que a tecnologia FD funcione de forma eficaz. No entanto, quando aplicada em uma rede celular onde vários dispositivos estão se comunicando ao mesmo tempo, as coisas ficam mais complicadas. A interferência não vem só do dispositivo que está enviando dados para seu receptor; dispositivos em células próximas também podem interferir.

#O Papel das Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS)

Uma solução promissora para lidar com a interferência na comunicação FD é o uso de superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS). RIS é composto por muitos elementos refletivos que podem ajustar como eles refletem os sinais. Fazendo isso, eles remodelam o ambiente sem fio, direcionando os sinais para onde precisam ir enquanto reduzem a interferência.

Implantar RIS nas bordas das células pode ajudar a melhorar a comunicação em um sistema de rede FD multicelular. Ao configurar essas superfícies de forma inteligente, é possível reduzir a interferência e melhorar o desempenho geral do sistema. O principal objetivo é otimizar o que é conhecido como Taxa de Soma (SR), que é uma medida de quanta informação pode ser transmitida com sucesso pela rede de uma vez.

#Melhorando a Comunicação Sem Fio

Esse trabalho visa desenvolver um sistema de rede FD multicelular que use RIS para gerenciar a interferência e melhorar as taxas de comunicação. O foco é aumentar a SR ajustando a configuração do RIS e otimizando como os sinais são enviados das Estações Base (BS) e dispositivos de usuários. Esse processo envolve analisar a relação entre SR e o que se chama de erro quadrático médio mínimo (MMSE), que é uma forma de medir a precisão da recepção do sinal.

Mudando as configurações do RIS, é possível direcionar os sinais refletidos para os receptores desejados enquanto se minimiza a interferência de outros dispositivos. O sistema proposto busca alcançar todo o potencial da comunicação FD enquanto mantém os custos baixos e a eficiência energética alta.

#Desafios na Rede Full-Duplex

Apesar das vantagens da comunicação FD com RIS, ainda existem desafios a serem enfrentados. Ao lidar com múltiplos dispositivos e células, o ambiente de rádio se torna bem complexo. Não só os dispositivos têm que gerenciar sua própria autointerferência, mas também enfrentam interferência de células vizinhas. Isso adiciona mais uma camada de dificuldade e limita os ganhos gerais que a comunicação FD pode proporcionar.

Muitas soluções foram propostas, como usar formação de feixe ativa com múltiplas antenas para direcionar sinais para o receptor desejado. Porém, isso exige mais hardware, o que pode aumentar os custos e reduzir a eficiência energética. Enquanto a formação de feixe híbrida poderia ajudar a reduzir alguns custos, também adiciona complexidade ao sistema.

#O Impacto do RIS nas Comunicações FD

A introdução da tecnologia RIS oferece uma forma de aprimorar a rede FD sem a necessidade de hardware adicional extenso. Ao implantar RISs de forma estratégica, os sistemas de comunicação podem gerenciar a interferência de maneira mais eficaz. Os benefícios do uso de RIS incluem melhor eficiência espectral e eficiência energética a um custo mais baixo, tornando-se uma opção viável para sistemas de comunicação de nova geração.

A ideia principal é ajustar os deslocamentos de fase no RIS, permitindo que eles reflitam os sinais de forma construtiva para os receptores pretendidos. Ao gerenciar como o sinal se reflete, pode-se amplificar os sinais necessários enquanto se reduz a potência dos sinais interferentes. Otimizando como o RIS funciona junto com a comunicação FD, o desempenho geral das redes móveis pode ser melhorado.

#Trabalhos Relacionados sobre FD e RIS

Muitos estudos anteriores se concentraram em melhorar a comunicação FD e integrar a tecnologia RIS. Pesquisas mostraram que a cancelamento de autointerferência (SIC) é fundamental para sistemas FD bem-sucedidos. Vários métodos de SIC foram explorados, com alguns estudos mostrando melhorias significativas de desempenho quando o RIS é incluído nas soluções.

A inclusão do RIS foi proposta em vários contextos, desde comunicações de veículos aéreos não tripulados até sistemas de sensoriamento e comunicação integrados, mostrando sua versatilidade e impacto potencial no cenário de comunicação sem fio.

#Modelo de Sistema e Formulação do Problema

Para estabelecer uma compreensão abrangente do sistema proposto, foi construído um modelo de rede FD multicombinante. Neste sistema, cada célula consiste em uma estação base e múltiplos dispositivos de usuários. As estações base operam no modo FD, enquanto os dispositivos de usuários funcionam no modo half-duplex.

Os elementos RIS são colocados estrategicamente nas bordas das células, formando uma parte crítica do ambiente de comunicação. Ao otimizar as configurações com base nas demandas dos usuários e nas condições da rede, o desempenho pode ser melhorado.

#Objetivo e Abordagem

O principal objetivo é maximizar a taxa de soma-uma métrica de desempenho significativa-otimizando as configurações de transmissão nas estações base e as configurações do RIS. Os desafios a serem abordados incluem a natureza altamente acoplada das configurações de transmissão e as restrições não convexas fornecidas pelos deslocamentos de fase do RIS.

Para enfrentar isso, o problema original é desacoplado em subproblemas gerenciáveis, permitindo uma abordagem estruturada para otimização. Algoritmos adequados são desenvolvidos para resolver esses desafios de forma eficiente, garantindo ganhos de desempenho enquanto se considera as restrições do sistema.

#Algoritmos para Otimização

Dois algoritmos principais foram desenvolvidos para otimizar as configurações de deslocamento de fase ajustadas ao RIS e as configurações de transmissão das estações base. O primeiro algoritmo é projetado para trabalhar com técnicas complexas de variedades circulares para garantir que as configurações do RIS estejam dentro de limites aceitáveis.

A segunda abordagem utiliza aproximação convexa sucessiva para alcançar soluções de forma mais eficiente. Alternando entre otimizar os deslocamentos de fase do RIS e as configurações de transmissão, o objetivo geral de maximizar a taxa de soma pode ser alcançado.

#Resultados da Simulação e Discussão

Simulações numéricas são realizadas para validar o sistema proposto, mostrando os impactos da implantação do RIS em redes FD. Os resultados demonstram que a adição do RIS melhora significativamente o desempenho em comparação com sistemas FD tradicionais sem RIS.

As simulações confirmam que o RIS pode reduzir efetivamente os requisitos para cancelamento de autointerferência. Essa redução se traduz em menos necessidades de hardware, levando a custos mais baixos e menor consumo de energia.

#Métricas de Desempenho

As principais métricas de desempenho são avaliadas durante as simulações, incluindo:

• Taxa de Soma: A taxa de dados total alcançada na rede.
• Cancelamento de Autointerferência: A eficácia da abordagem proposta em gerenciar a autointerferência.
• Qualidade do Sinal: O quão bem o sistema se sai em termos de clareza e força dos sinais recebidos.

Essas métricas coletivamente ilustram os benefícios da implantação do RIS em sistemas de rede FD.

#Conclusão

A integração de superfícies inteligentes reconfiguráveis em sistemas de comunicação FD multicelulares apresenta uma via promissora para melhorar o desempenho da comunicação sem fio. Gerenciando a interferência e otimizando as configurações de transmissão, é possível alcançar melhorias significativas nas taxas de dados e na eficiência do sistema.

O sistema proposto permite uma implantação prática em redes móveis de nova geração, abordando os desafios associados à comunicação FD tradicional. No geral, o uso do RIS marca um avanço em tornar a rede FD mais viável e eficiente, abrindo caminho para futuros desenvolvimentos na tecnologia de comunicação sem fio.