Αναδιαρθρώσιμες ευφυείς επιφάνειες για ασύρματες επικοινωνίες πέραν της 5ης γενιάς

Καραπάτης, Κωνσταντίνος

Reconfigurable intelligent surfaces for wireless communications beyond the 5th generation

Μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία

Author

Καραπάτης, Κωνσταντίνος

Date

2022-01-20

Advisor

Μυριδάκης, Νικόλαος

Master Thesis (2.824Mb)

Δήλωση Συγγραφέα (146.7Kb)

Keywords

Transmit power ; Energy efficiency ; Reconfigurable intelligent surfaces (RIS)

Abstract

Στην εποχή που ζούμε αλλα και στα χρόνια που έρχονται οι πιο ενεργειακά αποδοτικές συσκευές και τεχνολογίες είναι αυτές που θα επικρατήσουν και σιγα σιγά θα απωθήσουν τις παρωχημένες οι οποίες σύντομα στο μέλλον θα αποτελούν μια ανάμνηση. Οι αναδιαρθρώσιμες ευφυείς επιφάνειες (RIS) που ήδη έχουν αρχίσει και αποσπάνε αρκετά το ενδιαφέρον θα έχουν την δυνατότητα της ενίσχυσης και προώθησης του εισερχόμενου σήματος χωρίς την πρόσληψη κάποιας ενεργειακής ενίσχυσης. Στην ουσία θα ανακλούν και θα ενισχύουν το σήμα όντας σχεδόν παθητικές και θα προσφέρουν πολύ μεγαλύτερη ευελιξία από θέμα οικονομίας ενέργειας καθώς επίσης στο μελλόν οι συσκευές και η ροή των δεδομένων θα αυξηθούν με εκρηκτικό ρυθμό κάτι που βλέπουμε ότι έχει συμβεί ήδη συγκριτικά με μια δεκαετία πριν. Στα πρώτα τρία κεφάλαια της εργασίας θα υλοποιηθεί βιβλιογραφική έρευνα σχετικα με τις μελλοντικές εξελίξεις μετά την 5η καθώς και για την 6η γενιά κινητών επικοινωνιών. Θα αναφερθούν πολλές περιπτώσεις χρήσεις που θα απαιτείται η 6η γενιά και οι τεχνολογίες της ώστε να εξυπηρετήσει αυτές τις περιπτώσεις χρήσης. Στη συνέχεια θα γίνει περιγραφή του RIS. Θα αναφερθούν εφαρμογές του RIS. Επίσης θα θα γίνει αναφορά στα πλεονεκτήματα του RIS και σε διαφορετικές κατηγορίες του RIS. Στη συνέχεια της βιβλιογραφικής ερευνας θα περιγραφούν κάποια smart radio enviroments, ενώ θα ακολουθήσουν κάποιες συγκρίσεις του RIS με άλλου τύπου τεχνολογίες που κι αυτές σκοπό έχουν να ενισχύσουν το σήμα. Στο τέλος της βιβλιογραφικής έρευνας θα αναφερθούν κάποιες προκλήσεις που θα κληθεί να αντιμετωπίσει το RIS τα επόμενα χρόνια όπως μοντελοποίηση καναλιού και απόκτηση καναλιού και σχεδιασμός συστήματος υπό αβεβαιότητα CSI. Στη συνέχεια της εργασίας θα υλοποιηθεί αλγόριθμος και θα γίνουν μετρήσεις της ενεργειακής απόδοσης αλλά και του transmit power του RIS, του DF relay αλλά και του SISO πάνω σε διάφορες τοπολογίες και σενάρια. Επίσης στο ίδιο κεφάλαιο θα γίνει σχολιασμός των γραφημάτων και των αποτελεσμάτων καθώς θα πραγματοποιηθεί και σύγκριση ανάμεσα στα διάφορα σενάρια και simulations για να εξαχθούν τα ανάλογα συμπεράσματα. Σκοπός είναι, μέσω των συγκεκριμένων σεναρίων και συστημάτων, να αποδειχθεί σε κάθε περίπτωση πιο σύστημα αποδίδει καλύτερα, πόσο ο παράγοντας απόσταση επηρεάζει την απόδοση του κάθε συστήματος και πότε το σύστημα χρειάζεται περαιτέρω ενίσχυση.

Abstract

In the age we live in but also in the years to come, the most energy efficient devices and technologies are the ones that will prevail and will gradually repel the obsolete ones which will soon be a memory in the future. Reconfigurable intelligent surfaces (RIS) that have already started and are quite distracting will be able to amplify and promote the incoming signal without receiving any energy boost. In essence they will reflect and amplify the signal being almost passive and will offer much more flexibility in terms of energy saving as well as in the future devices and data flow will increase at an explosive rate which we see has already happened compared to a decade ago. In the first three chapters of the work, a bibliographic research will be carried out on future developments after the 5th as well as on the 6th generation of mobile communications. Many uses will be required for the 6th generation and its technologies to serve these uses. The RIS will then be described. RIS applications will be reported. Reference will also be made to the advantages of RIS and different categories of RIS. In the continuation of the bibliographic research, some smart radio enviroments will be described, while some comparisons of RIS with other types of technologies will follow, which also aim to strengthen the signal. At the end of the literature research, some challenges that RIS will face in the coming years will be mentioned, such as channel modeling and channel acquisition and system design under CSI uncertainty. In the continuation of the work, an algorithm will be implemented and measurements of energy efficiency and transmit power of RIS, DF relay and SISO will be made on various topologies and scenarios. Also in the same chapter the graphs and the results will be commented as a comparison will be made between the different scenarios and simulations in order to draw the corresponding conclusions. The aim is, through the specific scenarios and systems, to prove in each case which system performs better, how much the distance factor affects the performance of each system and when the system needs further reinforcement.