RIS-assisted Terahertz communications systems design

Abstract

Οι συχνότητες millimeter wave και terahertz είναι ελκυστικές για μελλοντικά δίκτυα λόγω του τεράστιου εύρους ζώνης που προσφέρουν, το οποίο θα ωφελήσει πολύ τις εφαρμογές που είναι ικανές να το εκμεταλλευτούν. Ωστόσο, αυτές οι ζώνες συχνοτήτων υποφέρουν από υψηλές απώλειες ισχύος και οι ζεύξεις τους είναι επιρρεπείς σε εμπόδια. Ενώ οι κατευθυντικές κεραίες μπορούν να μετριάσουν τις απώλειες διαδρομής λόγω του υψηλού κέρδους που προσφέρουν, απαιτούν την κατάλληλη ευθυγράμμιση μεταξύ των δεσμών του πομπού και του δέκτη, αλλιώς οι ζεύξεις θα υποφέρουν από κακή ευθυγράμμιση, το οποίο μειώνει την ισχύ στο δέκτη και μπορεί να προκαλέσει τη διακοπή της ζεύξης. Η ανάγκη για ευθυγράμμιση των κεραιών είναι ιδιαίτερα σημαντική στην περίπτωση των κινούμενων χρηστών, όπου η ευθυγράμμιση των κεραιών πρέπει να ενημερώνεται συχνά. Οι μπλοκαρισμένες ζεύξεις, ωστόσο, γίνονται πιο σημαντικές με τη χρήση κατευθυντικών κεραιών, καθώς οι στενές δέσμες που δημιουργούν μπορούν να μπλοκαριστούν πλήρως ανάλογα με το μέγεθος των εμποδίων και την απόστασή τους από τον πομπό. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνάται η δυνατότητα χρήσης ευφυών αναδιαμορφώσιμων επιφανειών (reconfigurable intelligent surfaces ή RISs) για την ενίσχυση των επικοινωνιών υψηλής συχνότητας. Αναμένεται να αντικαταστήσουν, τουλάχιστον εν μέρει, τους αναμεταδότες, μπορούν να αντισταθμίσουν τις μεγάλες απώλειες διαδρομής σε αυτές τις ζώνες συχνοτήτων, να αντισταθμίσουν την επίδραση της κακής ευθυγράμμισης των δεσμών σε μία ζεύξη και να επαναφέρουν στη λειτουργία τις μπλοκαρισμένες ζεύξεις. ΄Οσον αφορά τη μείωση των μπλοκαρισμένων ζεύξεων και της κακής ευθυγράμμισης των δεσμών από κοινού, η χρήση αναμεταδοτών διερευνάται σε ένα σενάριο όπου ο εξοπλισμός του χρήστη είναι πιθανος αναμεταδότης και οι χρήστες είναι πιθανά εμπόδια στις ζεύξεις. Επίσης, δύο στρατηγικές επιλογής αναμεταδότη αξιολογούνται και συγκρίνονται μεταξύ τους. Αποδεικνύεται ότι οι αναμεταδότες μπορούν να επαναφέρουν στη λειτουργία μπλοκαρισμένες ζεύξεις και ζεύξεις που υποφέρουν από κακή ευθυγράμμιση μεταξύ των δεσμών, αλλά η απόδοσή τους εξαρτάται από παραμέτρους όπως η πυκνότητα των χρηστών σε μια συγκεκριμένη περιοχή ενδιαφέροντος, η οποία επηρεάζει τον αριθμό των πιθανών αναμεταδοτών και των εμποδίων και η μέση ένταση της κακής ευθυγράμμισης των δεσμών των αναμεταδοτών. Οι προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι αλγόριθμοι ιχνηλάτησης δέσμης (beam-tracking) διερευνώνται όσον αφορά την ευθυγράμμιση των κεραιών μεταξύ του πομπού και ενός κινητού δέκτη. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοσή τους, όπως η οπτική γωνία του ιχνηλάτη που εξαρτάται από τον προσανατολισμό της κεραίας, το εύρος της δέσμης της κεραίας, τον αριθμό των κατευθύνσεων για σάρωση με σχετικά μεγάλες στοιχειοκεραίες (antenna array) και τη συχνότητα της ιχνηλάτησης της δέσμης. Επιπλέον, προτείνεται και αξιολογείται η έννοια της συνεργατικής ιχνηλάτησης δέσμης με πολλαπλά σημεία πρόσβασης (access point) που παρακολουθούν ένα χρήστη. Αξιολογείται η απόδοση των RIS, μαζί με τη βέλτιστη θέση και προσανατολισμό τους όσον αφορά την τοποθέτησή τους. Από αυτή την άποψη, παρουσιάζεται ένα αναλυτικό μοντέλο για ζεύξεις υποβοηθούμενες από RIS, το οποίο λειτουργεί για μικρά ίχνη δέσμης (beam-footprint) του πομπού στο RIS. Αυτό το μοντέλο δίνει πληροφορίες για το πώς κρίσιμες παράμετροι, όπως το κέρδος της κεραίας του πομπού, οι αποστάσεις πομπού-RIS και RIS-δέκτη, επηρεάζουν τη λαμβανόμενη ισχύ. Επιπλέον, το βέλτιστο κέρδος της κεραίας του πομπού παρουσιάζεται σε σχέση με τη θέση του δέκτη και η βέλτιστη τοποθέτηση για το RIS διερευνάται τόσο για στατικούς όσο και για κινητούς δέκτες. Παρουσιάζεται ένας αλγόριθμος για τον εντοπισμό της θέσης του εξοπλισμού του χρήστη. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί τεχνικές σχηματισμού δέσμης (beam-forming) και εστίασης δέσμης (beam-focusing) για να υπολογίσει τη γωνία και τη θέση του εξοπλισμού του χρήστη. Η αξιολόγηση του αλγορίθμου γίνεται σε 2 σενάρια διαφορετικών μέγιστων αποστάσεων από τον πομπό για κινητούς και ακίνητους χρήστες. Επίσης παρουσιάζεται η σχεδίαση ενός βιβλίου κωδικών (codebook) για την τεχνική σχηματισμού δέσμης που βελτιώνει την απόδοση του αλγορίθμου στο κοντινό πεδίο υπό την παρουσία προσθετικού λευκού Γκαουσιανού θορύβου και συγκρίνεται η απόδοση με ένα συμβατικό βιβλίο κωδικών ως προς την επίδοση του αλγορίθμου με αυτά. Το μεγάλο μέγεθος των RIS δίνει τη δυνατότητα για προηγμένου σχεδιασμού μετώπου κύματος (advanced wavefront engineering). Αυτό επιτρέπει τη χρήση μη συμβατικών προφίλ δεσμών (beam profile), όπως είναι η εστίαση δέσμης, αυτοανακατασκευαζόμενες δέσμες (self-healing), και δέσμες που διαδίδονται σε καμπύλες τροχιές self-accelerating beams. Παρουσιάζονται τρόποι για τη αποδοτική χρήση της τεχνικής εστίασης δέσμης ώστε να συγκεντρωθεί η ισχύς της προσπίτουσας δέσμης στο δέκτη και να αυξηθεί σημαντικά η λαμβανόμενη ισχύς. Επιπλέον, οι αυτοανακατασκευαζόμενες δέσμες και οι δέσμες που διαδίδονται σε καμπύλες τροχιές επιτρέπουν στις ασύρματες συνδέσεις να λειτουργούν ακόμη και με μπλοκαρισμένη την οπτική επαφή (line-of-sight).