RIS-assisted terahertz communications systems design

Abstract

Millimeter wave and terahertz frequencies are attractive for future networks due to the huge bandwidth they offer, which will greatly benefit applications that can take advantage of it. However, these frequency bands suffer from high pathloss and are susceptible to blockage. While directional antennas can mitigate pathloss due to the high gain they offer, they require appropriate alignment between the transmitter and the receiver beams, or the links will suffer from misalignment, which reduces the power at the receiver and can potentially cause outage. The need for antenna alignment becomes especially important in the case of mobile users, where the antenna alignment needs to be updated frequently. Blockage, however, becomes more relevant with highly directional antennas, as the narrow beams they generate can be entirely blocked depending on the size of the obstacles and their distance from the transmitter. This thesis explores the possibility of using reconfigurable intelligent surfaces (RISs) to reinforce high frequency communications. As they are expected to, at least partially, replace relays, they can offset the high pathloss in these frequency bands, offset the effect of misalignment in a link, and restore blocked links. Regarding the joint mitigation of blockage and misalignment, the use relays investigated in a scenario where the user equipments are potential relays, and the users are potential blockers. Moreover, two relay selection methods are evaluated and compared with each other. It is shown that relays can be restore blocked links and links that suffer from misalignment, but their performance depends on parameters, such as, the density of users in a specific area of interest, which affects the number of potential relays and blockers, and the average intensity of the misalignment of the relays. The challenges that beam-tracking algorithms face in order to align the antennas between a transmitter and a mobile receiver, are investigated. Specifically, the parameters that affect their performance are presented, such as the point of view of the tracker that depends on the antenna orientation, the antenna beam-width, the number of directions to scan with relatively large antenna arrays, and the tracking frequency. Moreover, the concept of cooperative beam-tracking with multiple access points tracking a single user equipment is proposed and evaluated. The performance of RISs, along with the optimal location and orientation with regards to their placement, is evaluated. In this regard, an analytical model RIS-aided links is demonstrated, that works for small transmitter beam footprints on the RIS. This model gives insight into how crucial parameters, such as the antenna gain of the transmitter, the transmitter-RIS, and RIS-receiver distances, affect the received power. Moreover, the optimal antenna gain is found with regard to the location of the receiver, and the optimal placement for the RIS is explored for both static and mobile receivers. A localization algorithm is presented for detecting the location of a user equipment. The algorithm utilizes beam-forming and beam-focusing techniques to estimate the direction and distance of the user equipment. The performance of the algorithm is evaluated in two scenarios with different maximum distances from the transmitter with static and mobile users. Moreover, a beam-forming codebook is designed that improves the performance of the algorithm in the near-field under the presence of additive white Gaussian noise. The performance of the codebook is compared to the performance of a conventional beam-forming codebook in the localization algorithm. The potentially large size of RISs allows for advanced wavefront engineering. This enables the use of non-conventional beam profiles, such as beam-focusing, self-healing, and self-accelerating beams to be used. It is presented how beam-focusing can be used to concentrate the power of the incident beam on the receiver, in order to significantly increase the received power without increasing the transmitted power. Furthermore, self-healing and self-accelerating beams allow wireless links to operate even with the line-of-sight blocked.

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).