The integration of a near-space information network (NSIN) with the reconfigurable intelligent surface (RIS) is envisioned to significantly enhance the communication performance of future wireless communication systems by proactively altering wireless channels. This paper investigates the problem of deploying a RIS-integrated NSIN to provide energy-efficient, ultra-reliable and low-latency communications (URLLC) services. We mathematically formulate this problem as a resource optimization problem, aiming to maximize the effective throughput and minimize the system power consumption, subject to URLLC and physical resource constraints. The formulated problem is challenging in terms of accurate channel estimation, RIS phase alignment, theoretical analysis, and effective solution. We propose a joint resource allocation algorithm to handle these challenges. In this algorithm, we develop an accurate channel estimation approach by exploring message passing and optimize phase shifts of RIS reflecting elements to further increase the channel gain. Besides, we derive an analysis-friend expression of decoding error probability and decompose the problem into two-layered optimization problems by analyzing the monotonicity, which makes the formulated problem analytically tractable. Extensive simulations have been conducted to verify the performance of the proposed algorithm. Simulation results show that the proposed algorithm can achieve outstanding channel estimation performance and is more energy-efficient than diverse benchmark algorithms.


翻译:本文提出了一种包含可重构智能表面(RIS)的近空间信息网络(NSIN)的集成方案,通过主动改变无线信道来显著提高未来无线通信系统的通信性能。本文研究了部署RIS集成的NSIN以提供能效高、超可靠性和低延迟通信(URLLC)服务的问题。我们将这个问题数学建模为一个资源优化问题,旨在最大化有效吞吐量,最小化系统功耗,同时满足URLLC和物理资源约束。由于精确的信道估计、RIS相位对齐、理论分析和有效的解决方案,这个问题具有挑战性。我们提出了一个联合资源分配算法来处理这些挑战。在这个算法中,我们通过探索消息传递来开发一个准确的信道估计方法,并优化RIS反射元素的相位移位来进一步增加信道增益。除此之外,我们还通过分析单调性,导出了一个解析友好型的解码误差概率表达式,并将问题分解为两层优化问题,使得该问题在分析上可行。我们进行了大量的模拟实验来验证所提出算法的性能。模拟结果表明,所提出算法能够实现出色的信道估计性能,并且比其他基准算法更具能效性。

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