Τεχνικές διαχείρισης κίνησης χρηστών σε συστήματα υποβοηθούμενα από έξυπνες επαναπρογραμματιζόμενες επιφάνειες

Abstract

Η παρούσα διατριβή αναλύει τεχνικές διαχείρισης κίνησης χρηστών σε συστήματα υποβοηθούμενα από έξυπνες επαναπρογραμματιζόμενες επιφάνειες. Με το βλέμμα μας στην έκτη γενιά (6th generation 6G) ασύρματων επικοινωνιών και δικτύων, η ανάγκη εκμετάλλευσης νέων ράδιο-πόρων για την ικανοποίηση των αναγκών του ολοένα αυξανόμενου αριθμού χρηστών με απαιτητικές σε εύρος ζώνης εφαρμογές, γίνεται πιο επιτακτική. Ως απόκριση, η κοινότητα των ασύρματων επικοινωνιών και δικτύων εξετάζει την χρήση ζωνών υψηλών συχνοτήτων, όπως την ζώνη των 60 GHz και πάνω. Στην περιοχή συχνοτήτων αυτή μπορούμε να βρούμε συνεχόμενο εύρος ζώνης της τάξεως των 10 GHz. Ωστόσο η ζώνη συχνοτήτων των 60 GHz και πάνω έρχεται με δύο βασικά μειονέκτημα, i) αυξημένες απώλειες διάδοσης, που μεταφράζεται σε περιορισμό του εύρους εκπομπής των συστημάτων αυτών, και ii) αυξημένη απορρόφηση ισχύος από εμπόδια. Για την καταπολέμηση του πρώτου προβλήματος τεχνικές διαμόρφωσης δέσμης υψηλής κατευθυντικότητας (pencil-beamforming) υιοθετούνται τόσο από τον πομπό (TX), όσο και από τον δέκτη (RX). Οι τεχνικές αυτές βασίζονται κυρίως στην προσέγγιση της υβριδικής διαμόρφωσης δέσμης (hybrid beamforming), που έχει αναγνωριστεί ως ένας καλός συμβιβασμός μεταξύ της αξιοπιστίας του ψηφιακού και της ενεργειακής αποδοτικότητας του αναλογικού beamforming. Για την αντιμετώπιση του δεύτερου προβλήματος μία λύση που εξετάζεται πρόσφατα είναι η χρήση έξυπνων επαναπρογραμματιζόμενων επιφανειών (recon gurable intelligent surfaces RIS). Οι επιφάνειες αυτές αποτελούν παθητικές δομές επαναλαμβανόμενων μονάδων ανάκλασης (re ection unit - RU), οι οποίες ελέγχονται από έναν μικροελεγκτή. Τα RUs συντίθενται από μετά-υλικά, που επιτρέπουν την μεταβολή των ηλεκτρομαγνητικών τους ιδιοτήτων, μέσου της επιβολής κατάλληλης τάσης. Με τον τρόπο αυτό, το κάθε RU μπορεί να αλλάξει την φάση του προσπίπτοντος κύματος. Επιβάλλοντας, μέσου του μικροελεγκτή, συνεργασία μεταξύ των RU, μπορούμε να στρέψουμε το προσπίπτον κύμα προς την επιθυμητή κατεύθυνση, ξεπερνώντας τα όρια του συμβατικού νόμου του Snell, όπως επίσης και να αλλάξουμε το εύρος δέσμης του ανακλώμενου σε σχέση με το προσπίπτον κύμα. Αναγνωρίζοντας τις επαναστατικές ιδιότητες των RISs, ένα μεγάλο πλήθος ερευνητικών ομάδων ασχολείται με την ανάλυση, σχεδίαση, και βελτιστοποίηση ασύρματων συστημάτων υποβοηθούμενων από RISs σε διαφορετικά περιβάλλοντα διάδοσης. Πιο συγκεκριμένα, ανάλογα με της δυνατότητες κίνησης των πομποδεκτών και του RIS, δύο είδη περιβαλλόντων διάδοσης μπορούν να διακριθούν, i) στατικά, όπου θέσεις πομπού, RIS, και δέκτη είναι σταθερές, και ii) δυναμικά, όπου τουλάχιστον ένας από τους πομπούς, RIS, και δέκτη κινείται. Για την δεύτερη περίπτωση, έχει διαπιστωθεί η ανάγκη σχεδίασης κατάλληλων αλγορίθμων παρακολούθησης δέσμης (beam tracking) για την παροχή αδιάλειπτης επικοινωνίας. Το πρόβλημα αυτό έχει εξεταστεί σε βάθος σε συστήματα beamforming, αλλά σε συστήματα όπου εμπλέκονται RIS η έρευνα είναι έως σήμερα περιορισμένη.

This thesis analyzes user mobility management techniques in systems assisted by recon gurable intelligent surfaces. With an eye on the sixth generation (6th generation 6G) αof wireless communications and networks, the necessity of exploiting new radio resources to meet the needs of the growing number of users with bandwidth-intensive applications is becoming more urgent. In response, the wireless communications and networking community is considering the use of high frequency bands, such as the 60 GHz band and higher. In this frequency band we can nd a continuous bandwidth of 10 GHz. However, the frequency band of 60 GHz and above comes with two main disadvantages, i) increased propagation losses, which translated into a limitation of the transmission range of these systems, and ii) increased power absorption by obstacles. To overcome the rst problem, high directive beamforming techniques (pencil-beamforming) are adopted by both the transmitter (TX) and the receiver (RX). These techniques are mainly based on the hybrid beamforming approach, which has been recognised as a good compromise between the reliability of digital and energy e ciency of analogue beamforming. To overcome the second problem, a recently considered solution is the use of recon gurable intelligent surfaces (RIS). These surfaces are passive structures of repetitive re ection units (RU), which are controlled by a microcontroller. RUs are synthesized from meta-materials, which allow their electromagnetic properties to be altered by the application of a suitable voltage. In this way, each RU can change the phase of the incident wave. By enforcing, through the microcontroller, cooperation between the RUs, we can turn the incident wave in the desired direction, overcoming the limits of the conventional law of Snell, as well as change the beamwidth of the re ected with respect to the incident wave. Recognizing the revolutionary properties of RISs, a large number of research groups are engaged in the analysis, design, and optimization of wireless systems assisted by RISs in di erent propagation environments. More speci cally, depending on the mobility capabilities of the transceivers and RIS, two types of propagation environments can be identi ed, i) static, where transmitter, RIS, and receiver positions are xed, and ii) Dynamic, where at least one of the transmitter, RIS, and receiver is moving. For the second situation, the necessity of designing appropriate beam tracking algorithms to provide uninterrupted communication has been identi- ed. This problem has been explored in depth in beamforming systems, but in systems where RIS is involved, research has been limited to date.