RIS-Assisted Proactive Handover for Reliable mmWave Wireless Networks

Sintesi Tecnica: Handover Proattivo assistito da RIS per reti wireless mmWave affidabili

Problematica
Le reti a onde millimetriche (mmWave) offrono elevati tassi di trasmissione ma soffrono di una severa degradazione del segnale dovuta alle ostruzioni della linea di vista (LoS). La comunicazione wireless assistita dalla visione (VAWC) consente handover proattivi (PHO) per mitigare queste ostruzioni prevedendo gli ostacoli. Tuttavia, il PHO diventa problematico quando non è disponibile una stazione base (BS) nelle vicinanze per l'handover. In tali scenari, le Superfici Intelligenti Riconfigurabili (RIS) possono ripristinare la connettività indirizzando i segnali attorno agli ostacoli. Un collo di bottiglia critico in questo approccio è il tempo di configurazione della RIS. Le array RIS su larga scala, spesso necessarie per ottenere una sufficiente forza del segnale nelle bande mmWave, introducono una latenza significativa nella configurazione e un elevato dispendio energetico. Questa latenza può violare i rigorosi vincoli temporali del PHO, in particolare negli scenari di comunicazione ultra-affidabile a bassa latenza (URLLC). Inoltre, la letteratura esistente spesso assume la disponibilità di BS alternative o trascura l'impatto del tempo di configurazione della RIS sui ritardi di preparazione dell'handover.

Metodologia
L'articolo propone un nuovo framework PHO assistito da RIS che integra la VAWC con una strategia di configurazione della RIS ottimizzata. La metodologia principale prevede un processo di ottimizzazione a due stadi eseguito offline per costruire una Mappa della Conoscenza del Canale (CKM), garantendo che la complessità computazionale non influenzi la reattività in tempo reale.

1. Modellazione del Sistema e del Canale:

   • Il sistema modella una BS dotata di array planari uniformi (UPA) e telecamere, che comunica con un utente a singola antenna.
   • La RIS è modellata con una specifica strategia di allocazione: subarray quadrati che si espandono verso l'esterno dal centro per mantenere un centro della RIS e un'efficienza di apertura fissi, richiedendo un numero dispari di elementi per lato.
   • Il modello di canale tiene conto di un collegamento cascata in cui il link BS-verso-RIS opera nel campo lontano (far-field), mentre il link RIS-verso-utente può operare nel campo vicino (near-field), richiedendo considerazioni sulla frontata sferica.
   • Il tempo di configurazione della RIS ($T_c$) è esplicitamente modellato come una funzione del numero di elementi della RIS ($N$), del numero di diodi per elemento ($B$) e della frequenza di clock del registro di scorrimento ($Clk$), espressa come $T_c = NB/Clk$.

2. Formulazione dell'Ottimizzazione:

   • L'obiettivo primario è minimizzare il numero di elementi RIS allocati ($N$) per ridurre il tempo di configurazione e il dispendio energetico, mantenendo un rapporto segnale-rumore (SNR) target.
   • Stadio 1 (Campo Lontano): Viene derivata una funzione obiettivo in forma chiusa per minimizzare $N$ sotto ipotesi ideali di campo lontano e sfasamenti continui. Ciò determina i limiti inferiori per i parametri di sistema (antenne trasmittenti $M_{active}$, sottoportanti $K$ e vettori di beamforming).
   • Stadio 2 (Campo Vicino): Utilizzando i risultati dello Stadio 1 come limiti inferiori, un secondo problema di ottimizzazione massimizza l'SNR in campo vicino attraverso l'ottimizzazione congiunta degli sfasamenti della RIS (quantizzati), della potenza di trasmissione e dei vettori di beamforming.
   • Algoritmo: Viene impiegata l'Ottimizzazione a Sciame di Particelle (PSO) per risolvere questi problemi non convessi a variabili miste. L'algoritmo ricerca iterativamente la combinazione ottimale di $N$, $M_{active}$, $K$ e vettori di beamforming che soddisfino i vincoli di SNR con il minimo uso di risorse.

3. Integrazione del Framework PHO:

   • Il framework proposto integra il tempo di configurazione della RIS calcolato ($T_c$) nella fase standard di preparazione dell'handover 3GPP.
   • Il framework VAWC rileva le ostruzioni e la mobilità dell'utente, attivando il processo PHO. Il tempo di esecuzione aggiornato ($T^{RIS}_{exec}$) include $T_c$, consentendo al sistema di calcolare un tempo di attesa preciso ($T^{RIS}_W$) per attivare l'handover prima che il collegamento LoS sia completamente bloccato.

Contributi Chiave

• Integrazione di RIS e VAWC: Il lavoro integra la connettività assistita da RIS in un framework VAWC per abilitare la previsione delle ostruzioni e la localizzazione precisa dell'utente, facilitando il beam steering verso le regioni ostruite senza richiedere una seconda BS.
• Ottimizzazione degli Elementi RIS: Viene sviluppato un nuovo algoritmo di ottimizzazione per minimizzare congiuntamente il numero di elementi RIS e il tempo di configurazione mantenendo la qualità del collegamento. Ciò comporta l'ottimizzazione delle specifiche dell'array trasmittente, della selezione del beam e dell'allocazione delle sottoportanti.
• Considerazione Esplicita dei Tempi: L'articolo propone un framework PHO che incorpora esplicitamente il tempo di configurazione della RIS nella fase di preparazione dell'handover, affrontando una lacuna nella letteratura esistente dove questo fattore era spesso trascurato o stimato approssimativamente.
• Strategia di Allocazione Pratica: L'articolo introduce un metodo di allocazione dei subarray centrati per preservare l'efficienza di apertura e l'allineamento, contrastando con i metodi di allocazione che partono dagli angoli e che spostano il centro effettivo dell'array.

Risultati
I risultati delle simulazioni, basati su uno scenario in cui un autobus ostruisce il collegamento LoS tra una BS e un utente, dimostrano l'efficacia dell'approccio proposto:

• Riduzione di Energia e Complessità: Ridurre il numero di elementi RIS del 12% ha portato a una diminuzione del 10% dell'energia dissipata senza compromettere l'SNR.
• Miglioramento della Qualità del Collegamento: Il collegamento assistito da RIS ha ottenuto un miglioramento della forza del segnale di 15–30 dB nelle regioni ostruite rispetto allo scenario LoS ostruito.
• Accuratezza Temporale: Il framework è riuscito a mantenere un tempo di PHO accurato tenendo conto del ritardo di configurazione, garantendo una connettività senza interruzioni.
• Prestazioni: Il sistema ha mantenuto le soglie di SNR richieste utilizzando meno risorse di quanto suggerito da studi precedenti (ad esempio, riducendo la necessità dei precedentemente stimati oltre 1000 elementi in configurazioni specifiche).

Significatività e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo lavoro fornisce una linea di base fondamentale per il PHO assistito da RIS consapevole dell'ambiente. Affrontando esplicitamente il compromesso tra qualità del collegamento e tempo di configurazione della RIS, l'articolo sostiene che esso renda possibile l'implementazione pratica dei collegamenti assistiti da RIS in applicazioni 6G con vincoli temporali critici. La significatività risiede nel dimostrare che gli handover assistiti da RIS sono fattibili anche quando non sono disponibili BS alternative, a condizione che il numero di elementi RIS attivi sia ottimizzato per soddisfare i rigorosi vincoli di latenza ed energia. Il lavoro si posiziona come un passo verso reti 6G verdi e sostenibili, riducendo il consumo di energia e la complessità associati alle implementazioni RIS su larga scala.