Avanços em Sensing e Comunicação Integrada com RIS Ativo

A detecção e Comunicação integradas (ISAC) é uma tecnologia nova que permite que dispositivos detectem e se comuniquem ao mesmo tempo. Isso é feito usando uma única plataforma, que economiza espaço e recursos necessários para hardware e espectro. À medida que mais dispositivos se conectam às redes, conseguir sentir o ambiente enquanto mantém a comunicação se torna mais importante.

Uma novidade empolgante nesse espaço é o uso de superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS). Essas superfícies podem ajustar como refletem os sinais, criando um caminho virtual de linha de visão que ajuda a superar obstáculos que bloqueiam os sinais. Ao adicionar mais opções de como os sinais são gerenciados, o RIS pode melhorar o desempenho geral dos sistemas de comunicação.

#Problemas com RIS Passivo e a Ascensão do RIS Ativo

Embora o RIS passivo tenha mostrado benefícios, ele também tem limitações. Um grande problema é um desafio conhecido como desvanecimento multiplicativo, que significa que os sinais refletidos do RIS passivo podem enfraquecer significativamente, especialmente se não houver links diretos com a fonte. Isso pode limitar o quão bem o sistema funciona quando o sinal precisa viajar longas distâncias ou quando há obstáculos.

Para resolver isso, os pesquisadores estão desenvolvendo o RIS ativo. Diferente do RIS passivo, que só reflete sinais que chegam, o RIS ativo também pode amplificar os sinais. Cada parte do RIS ativo tem seu próprio amplificador que aumenta sinais fracos, permitindo um desempenho melhor em várias situações.

#O Papel do RIS Ativo em Sistemas ISAC

Nesse contexto, o RIS ativo pode proporcionar melhorias significativas tanto na detecção por radar quanto na comunicação. Ao projetar a transmissão dos sinais e como o RIS ativo os reflete, podemos garantir que o sistema de radar detecte alvos de forma eficaz enquanto atende às necessidades de comunicação dos usuários.

O objetivo é maximizar a saída do sinal de radar enquanto garante que os usuários de comunicação recebam a qualidade de serviço que precisam. Isso envolve projetar cuidadosamente os sinais enviados e como eles são recebidos.

#Modelo e Configuração do Sistema

Para uma configuração típica de ISAC assistido por RIS ativo, temos uma estação base (BS) que se comunica com vários usuários e detecta alvos potenciais, mesmo quando os links de comunicação diretos estão bloqueados. A BS possui antenas que podem enviar e receber sinais simultaneamente.

Os sinais enviados são uma mistura de símbolos de comunicação direcionados aos usuários e sinais de radar. Esses sinais são projetados para trabalhar juntos, o que melhora o desempenho geral. Os sinais viajam da BS para o RIS e depois para os usuários, passando por diferentes canais, que também podem afetar a qualidade do sinal.

Como o RIS ativo pode refletir sinais com fases personalizadas e aumentar sua força, ele pode desempenhar um papel crucial na melhoria da qualidade de recepção dos sinais de radar e comunicação.

#Otimização dos Sinais

Para obter os melhores resultados, precisamos otimizar três componentes principais: a transmissão de sinais da BS, como o RIS ativo reflete esses sinais e o processo de filtragem usado para receber sinais de radar.

Essa otimização é desafiadora devido à complexidade dos sinais e à necessidade de atender a várias exigências ao mesmo tempo. Portanto, dividimos em problemas menores e mais gerenciáveis. Ao resolver esses problemas menores um de cada vez, podemos melhorar o desempenho geral de forma eficaz.

#Design do Filtro de Recepção

Uma vez que os sinais são transmitidos e refletidos, precisamos filtrar os sinais recebidos para melhorar sua qualidade. O design ideal para o filtro de recepção pode ser calculado usando técnicas que determinam a melhor forma de lidar com os sinais recebidos para maximizar a qualidade.

#Design da Formação do Feixe de Transmissão

Em seguida, é importante focar em como a BS transmite os sinais. Projetamos o processo de transmissão mantendo o filtro de recepção e a configuração de reflexão constantes. Ao entender como maximizar a qualidade do sinal transmitido, podemos alcançar um desempenho melhor na recepção dos sinais de radar.

#Design dos Coeficientes de Reflexão

Depois de otimizar o filtro de recepção e o processo de transmissão, focamos em como o RIS ativo reflete os sinais. Esse design precisa considerar vários fatores, incluindo quanto de potência a reflexão irá consumir.

Os coeficientes de reflexão determinam quanto do sinal é refletido de volta para os usuários e o radar. Ao apertar as restrições, podemos desenvolver um processo mais simples para otimizar esses coeficientes.

#Benefícios do Uso do RIS Ativo

Usar RIS ativo pode oferecer melhorias substanciais em relação às configurações tradicionais. Um dos principais benefícios é uma capacidade de detecção de radar mais clara. Como o RIS ativo pode amplificar sinais, ele pode ajudar o sistema de radar a detectar alvos que geralmente são difíceis de identificar quando os sinais desvanecem.

Além disso, a comunicação pode continuar forte mesmo quando o sistema de radar está operando. Isso é útil para cenários onde tanto a detecção quanto a comunicação são cruciais, proporcionando uma experiência tranquila para os usuários.

#Resultados das Simulações

Nas simulações, vemos que sistemas usando RIS ativo alcançam melhor qualidade de sinal de radar em comparação com aqueles que usam RIS passivo. Ao testar o impacto da potência de transmissão, por exemplo, sistemas com RIS ativo podem alcançar até 32 dB a mais de desempenho de radar em comparação com sistemas passivos. Isso mostra o quão importante é escolher a tecnologia certa para aplicações específicas.

Além disso, a relação entre os requisitos de qualidade de comunicação e o desempenho da detecção de radar revela um trade-off. À medida que a qualidade de comunicação exigida aumenta, o desempenho do radar pode diminuir um pouco, mas esse efeito é gerenciável quando os requisitos de qualidade não são extremos.

Finalmente, aumentar o número de elementos refletivos no RIS também melhora o desempenho do radar. Mais elementos oferecem maneiras adicionais de refletir e manipular sinais, resultando em uma qualidade melhor no geral.

#Conclusão

Resumindo, a combinação do RIS ativo em sistemas ISAC abre as portas para uma detecção de radar e comunicação aprimoradas. Ao projetar cuidadosamente como os sinais são transmitidos e refletidos, podemos otimizar o desempenho e atender às crescentes demandas das futuras redes de comunicação. Os avanços mostrados nas simulações destacam os benefícios significativos dessa tecnologia, sugerindo um futuro promissor para sistemas ISAC com RIS ativo. À medida que avançamos para ambientes mais conectados, aproveitar essa tecnologia será crucial para manter comunicação e capacidades de detecção de alta qualidade.