DOI: https://doi.org/10.1109/twc.2026.3657157
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Yueheng Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيات الاتصال اللاسلكي المتقدمة
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث تطوير نظام متكامل للمراقبة والاتصالات مدعوم بأسطح ذكية قابلة لإعادة التكوين (RIS-ISAC)، يهدف إلى تحسين استخدام ترددات الموجات المليمترية (mmWave) مع معالجة التحديات مثل خسائر انتشار الإشارة وتكاليف البنية التحتية. يقوم المؤلفون بإنشاء إطار عمل متعدد RIS-ISAC، باستخدام نموذج إشارة تم معايرته ليتناسب مع البيئات الواقعية من خلال تقنيات إطلاق الأشعة. يقومون بصياغة مشكلة تحسين مدفوعة بكفاءة الطاقة لتقليل نسبة الحجم إلى التغطية لنشر متعدد RIS، مع الأخذ في الاعتبار القيود العملية المتعلقة بالمواقع، والاتجاهات، واستراتيجيات تشكيل الشعاع في كل من محطة القاعدة وRISs.
لمعالجة مشكلة تحسين مختلطة غير محدبة الناتجة، يقدم المؤلفون إعادة صياغة مبسطة باستخدام طريقة قياس مكافئة ويقترحون خوارزمية تكرارية من خطوتين. تحدد هذه الخوارزمية أولاً معلمات النشر مع مواقع RIS ثابتة ثم تقوم بتحديث مواقع RIS للتقارب نحو حل أمثل. تشير نتائج المحاكاة إلى أن النشر المحسن يحسن بشكل كبير من تغطية الاتصالات ودقة الاستشعار مع تقليل حجم RISs، متفوقاً على المنهجيات الحالية. تختتم الورقة بتحديد اتجاهات البحث المستقبلية، بما في ذلك إنشاء مجموعة بيانات لدعم الخوارزميات المدفوعة بالذكاء الاصطناعي وتطبيق تكوينات موحدة تتماشى مع مواصفات 6G القادمة لـ ISAC وRIS واستراتيجيات تشكيل الشعاع.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الحاجة المتزايدة لتقنيات المراقبة والاتصالات المتكاملة (ISAC) في شبكات الهاتف المحمول من الجيل التالي، وخاصة للتطبيقات مثل الاتصال بين المركبات وكل شيء وإنترنت الأشياء. يبرز المؤلفون التحديات التي تطرحها ترددات الموجات المليمترية (mmWave)، مثل خسائر المسار في الفضاء الحر وخسائر الانعكاس الكبيرة، مما يتطلب حلولاً مبتكرة لتغطية الإشارة بشكل فعال. تُعرض الأسطح الذكية القابلة لإعادة التكوين (RIS) كتكنولوجيا واعدة لتعزيز قوة الإشارة والتغطية بشكل ميسور، خاصة في البيئات الحضرية حيث تكون العوائق الفيزيائية شائعة.
تستعرض الورقة الأبحاث الحالية حول تقنيات RIS، مع التأكيد على أهمية استراتيجيات النشر للتطبيقات العملية. تشير إلى أنه بينما يمكن تثبيت RIS على المباني أو نشرها عبر الطائرات بدون طيار (UAVs)، فإن الأخيرة توفر مرونة أكبر. يحدد المؤلفون الفجوات في الدراسات الحالية، خاصة فيما يتعلق بتحسين نشر RIS المخصص لوظائف ISAC. يقترحون إطار تحسين شامل يأخذ في الاعتبار عوامل بيئية ومعالجة الإشارة متنوعة لتعزيز أداء أنظمة ISAC للموجات المليمترية. تشمل المساهمات الرئيسية إنشاء نموذج نظام RIS-ISAC، وصياغة مشكلة تحسين فعالة من حيث الطاقة، ونهج حل جديد يحسن بشكل كبير من تغطية الاتصالات ودقة الاستشعار مع تقليل عدد خلايا وحدات RIS المطلوبة.
النتائج
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعدادات المحاكاة المستخدمة في أبحاثهم حول نشر الأسطح الذكية القابلة لإعادة التكوين (RIS). بعد ذلك، يقدمون تحليل أداء شامل لـ RIS، مع تسليط الضوء على فعاليتها في سيناريوهات مختلفة. ثم تتم مقارنة النتائج مع النتائج من الدراسات السابقة، مما يظهر التقدم والتحسينات التي تم تحقيقها من خلال الطرق المقترحة. يبرز هذا التحليل المقارن أهمية تكنولوجيا RIS في تعزيز أنظمة الاتصالات.
المناقشة
يستعرض قسم المناقشة في ورقة البحث النظام المقترح المتكامل بين الهواء والأرض للأسطح الذكية القابلة لإعادة التكوين (RIS) ونظام المراقبة والاتصالات المتكاملة (ISAC)، مع التركيز على تطبيقه في البيئات الحضرية الكثيفة حيث تكون حجب الإشارة وخسائر الانتشار العالية عند ترددات الموجات المليمترية شائعة. يتضمن نموذج النظام محطة قاعدة (BS) تتواصل مع عدة معدات مستخدمين (UE) بينما تستشعر في الوقت نفسه موقع وسرعة طائرة بدون طيار (UAV). لتعزيز تغطية الاتصالات ودقة الاستشعار، يتم نشر RISs بشكل استراتيجي، مع التركيز على تحسين نشرها لتقليل عدد خلايا الوحدات المستخدمة، مما يحسن كفاءة الطاقة.
يتم اشتقاق نموذج إشارة الاتصال باستخدام نهج قناة متعددة الهوائيات قائم على المسار، حيث تتأثر الإشارة المستلمة في UE باستراتيجية تشكيل الشعاع لمحطة القاعدة وخصائص انعكاس RIS. تسلط الورقة الضوء على أنه حتى مع تشكيل الشعاع المحسن، قد تظل نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في UE أقل من العتبات المقبولة بسبب حجب خط الرؤية. يظهر أن RIS يخلق بفعالية مسارات مهيمنة تعزز تغطية الإشارة. بالإضافة إلى ذلك، يشير نموذج إشارة الاستشعار إلى أنه بينما يمكن لـ RIS تحسين دقة الاستشعار من خلال إدخال مسارات انعكاس إضافية، فإن القيود العملية تحد من الدقة الممكن تحقيقها. تقترح الورقة استراتيجية تستفيد من مواقع RIS المعروفة للتحقق من الاستشعار متعدد المسارات، مما يضمن أن النظام يمكنه تلبية جودة الخدمة المطلوبة لكل من تطبيقات الاتصالات والاستشعار.
بشكل عام، يؤكد القسم على الحاجة إلى تحسين دقيق لنشر RIS، مع الأخذ في الاعتبار العوامل البيئية، والتكوينات المكانية، ومتطلبات معالجة الإشارة لتحقيق جودة الخدمة المطلوبة لـ ISAC في شبكات الاتصالات اللاسلكية المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1109/twc.2026.3657157
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Yueheng Li et al.
Primary Topic: Advanced Wireless Communication Technologies
Overview
The research paper discusses the development of a reconfigurable intelligent surface-assisted integrated sensing and communication (RIS-ISAC) system, aimed at optimizing the use of millimeter-wave (mmWave) frequencies while addressing challenges such as signal propagation losses and infrastructure costs. The authors establish a multi-RIS-ISAC framework, utilizing a signal model calibrated to real-world environments through ray-launching techniques. They formulate an energy-efficiency-driven optimization problem to minimize the size-to-coverage sum ratio of the multi-RIS deployment, taking into account practical constraints related to positions, orientations, and beamforming strategies at both the base station and the RISs.
To tackle the resulting non-convex mixed-integer optimization problem, the authors introduce a simplified reformulation using an equivalent gain scaling method and propose a two-step iterative algorithm. This algorithm first determines deployment parameters with fixed RIS positions and subsequently updates the RIS positions to converge towards an optimal solution. Simulation results indicate that the optimized deployment significantly improves communication coverage and sensing accuracy while minimizing the size of the RISs, outperforming existing methodologies. The paper concludes by outlining future research directions, including the creation of a dataset to support AI-driven algorithms and the application of standardized configurations aligned with forthcoming 6G specifications for ISAC, RIS, and beamforming strategies.
Introduction
The introduction of the paper discusses the emerging need for integrated sensing and communication (ISAC) technologies in next-generation mobile networks, particularly for applications like vehicle-to-everything and the Internet of Things. The authors highlight the challenges posed by millimeter-wave (mmWave) frequencies, such as significant free-space path loss and reflection losses, which necessitate innovative solutions for effective signal coverage. Reconfigurable intelligent surfaces (RIS) are presented as a promising technology to enhance signal strength and coverage affordably, especially in urban environments where physical obstructions are prevalent.
The paper reviews existing research on RIS technologies, emphasizing the importance of deployment strategies for practical implementations. It notes that while RIS can be mounted on buildings or deployed via unmanned aerial vehicles (UAVs), the latter offers greater flexibility. The authors identify gaps in current studies, particularly regarding the optimization of RIS deployment tailored for ISAC functionalities. They propose a comprehensive optimization framework that considers various environmental and signal processing factors to enhance the performance of mmWave ISAC systems. The main contributions include the establishment of a RIS-ISAC system model, formulation of an energy-efficient optimization problem, and a novel solution approach that significantly improves communication coverage and sensing accuracy while minimizing the number of RIS unit cells required.
Results
In this section, the authors detail the simulation settings utilized for their research on Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) deployment. Following this, they provide a comprehensive performance analysis of the RIS, highlighting its effectiveness in various scenarios. The results are then compared with findings from previous studies, demonstrating the advancements and improvements achieved through their proposed methods. This comparative analysis underscores the significance of the RIS technology in enhancing communication systems.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the proposed air-ground integrated Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) and Integrated Sensing and Communication (ISAC) system, emphasizing its application in dense urban environments where signal blockages and high propagation losses at millimeter-wave frequencies are prevalent. The system model involves a base station (BS) communicating with multiple user equipment (UE) while simultaneously sensing a UAV’s location and velocity. To enhance communication coverage and sensing accuracy, RISs are deployed strategically, with a focus on optimizing their deployment to minimize the number of unit cells used, thereby improving energy efficiency.
The communication signal model is derived using a path-based multi-antenna channel approach, where the received signal at the UEs is influenced by the BS’s beamforming strategy and the RIS’s reflection characteristics. The paper highlights that even with optimized beamforming, the signal-to-noise ratio (SNR) at the UEs may remain below acceptable thresholds due to line-of-sight blockages. The RIS is shown to effectively create dominant paths that enhance signal coverage. Additionally, the sensing signal model indicates that while RISs can improve sensing resolution by introducing additional reflection paths, practical constraints limit the achievable accuracy. The paper proposes a strategy that leverages known RIS positions to validate multi-path sensing, ensuring that the system can meet the required quality of service for both communication and sensing applications.
Overall, the section emphasizes the need for careful optimization of RIS deployment, considering environmental factors, spatial configurations, and signal processing requirements to achieve the desired ISAC quality of service in future wireless communication networks.