Contribution to phased array and RIS processing for satellite, 5G and 6G communication systems
Authors:   , Ertug Zorkun Aral 
Published: February 2025

The demand for high-speed data access or transmission is inevitably growing with the exponentially increasing number of communication ends, especially, in the satellite communication (SATCOM) which is one of the most active and challenging area among wireless communication systems. The new generation wireless communication standards have been introduced as fifth-generation (5G), beyond fifth-generation (B5G) and sixth-generation (6G) which work in millimeter-wave and/or sub millimeter-wave frequency spectrum. However, in millimeter-wave frequency bands there are fundamental technical challenges such as higher path losses, high blockage sensitivity, narrow beamwidth, directivity and scatter effects are more severe. Therefore, it is essential to model and develop novel technologies.

There are several wireless communication technologies that support effective deployments of the new emerging standards. Hybrid beamforming for massive multiple-input multiple-output systems (MIMO), which has been developed in recent years, is one of these technologies. Massive MIMO systems consist of large number of antennas to meet the demand of increased data rate, coverage and large amount of communication traffic as well as compensate the severe path losses. The communication relies on the line-of-sight paths of the signals, however, in the dense communication environments, the link between communication ends is most likely blocked. Therefore, reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have been proposed to form a virtual LoS path to provide coverage between the blocked ends while improving the overall quality of service. The RIS are considered as cost-effective and energy-efficient auxiliary elements for massive MIMO systems.

The massive MIMO systems rely on advanced phased array and RIS processing. In this sense, this thesis presents contributions to several open issues in phased array and RIS processing. The contributions of thesis are discussed in four topics.

An improved hybrid beamforming algorithm based on recursive least squares (RLS) algorithm and constant modulus algorithm for fast target tracking is proposed. The adaptive moment estimation method (ADAM) is adapted to update the forgetting factor using the gradient of the error signal.

An improved inverse matrix approximation algorithm is proposed for array processing techniques where matrix inversion is required. The algorithm is based on a three-step approximation method using Homeiers approach and an iterative generalized inverse matrix approximation algorithm employing Karush-Kuhn-Tucker (KKT) conditions.

A mutual coupling-based self-calibration method for uplink antenna arrays is proposed. The proposed method is suitable for off-line, on-site and online calibration schemes. In addition, a novel calibration method is proposed for circularly polarized active antenna arrays based on axial ratio optimization for improvement of antenna array performance compensating errors and mutual coupling effects.

An energy-efficient fast DoA estimation and tracking algorithm for RIS-aided massive MIMO system is proposed. The low power consumption was achieved by reducing the number of RF chains and including a switched antenna array in the receiver. The DoA estimation and tracking algorithm is based on ADAM adaptive forgetting factor RLS algorithm. Moreover, an efficient hybrid near-field and far-field channel estimation method for the RIS-aided massive MIMO systems was proposed. It has been showed that the proposed method has accurate channel estimation performance.

The common objective of all the contributions presented is to provide novel and robust solutions to specific open issues for future generation phased array and RIS processing in SATCOM. The research results obtained in this thesis are not limited to the case studies described but also to vast application areas.

RESUMEN

La demanda de acceso o transmisión de datos a alta velocidad crece inevitablemente con el número exponencialmente creciente de extremos de comunicación, especialmente en la comunicación por satélite (SATCOM), que es una de las áreas más activas y desafiantes entre los sistemas de comunicación inalámbrica. Se han introducido los estándares de comunicación inalámbrica de nueva generación como quinta generación (5G), más allá de la quinta generación (B5G) y sexta generación (6G), que funcionan en el espectro de frecuencia de ondas milimétricas y/o submilimétricas. Sin embargo, en las bandas de frecuencia de ondas milimétricas existen desafíos técnicos fundamentales, como mayores pérdidas de trayectoria, alta sensibilidad al bloqueo, ancho de haz estrecho, directividad y efectos de dispersión más severos. Por lo tanto, es esencial modelar y desarrollar nuevas tecnologías.

Existen varias tecnologías de comunicación inalámbrica que respaldan implementaciones efectivas de los nuevos estándares emergentes. La formación de haces híbrida para sistemas masivos de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO), que se ha desarrollado en los últimos años, es una de estas tecnologías. Los sistemas MIMO masivos consisten en un gran número de antenas para satisfacer la demanda de mayor velocidad de datos, cobertura y gran cantidad de tráfico de comunicación, así como para compensar las graves pérdidas de trayectoria. La comunicación se basa en las trayectorias de línea de visión de las señales; sin embargo, en los entornos de comunicación densos, el enlace entre los extremos de la comunicación es más probable que esté bloqueado. Por lo tanto, se han propuesto superficies inteligentes reconfigurables (RIS) para formar una trayectoria LoS virtual para proporcionar cobertura entre los extremos bloqueados al tiempo que se mejora la calidad general del servicio. Las RIS se consideran elementos auxiliares rentables y energéticamente eficientes para los sistemas MIMO masivos.

Los sistemas MIMO masivos se basan en un procesamiento avanzado de matriz en fase y RIS. En este sentido, esta tesis presenta contribuciones a varias cuestiones abiertas en el procesamiento de matriz en fase y RIS. Las contribuciones de la tesis se discuten en cuatro temas.

Se propone un algoritmo de formación de haz híbrido mejorado basado en el algoritmo de mínimos cuadrados recursivos (RLS) y el algoritmo de módulo constante para el seguimiento rápido de objetivos. El método de estimación de momento adaptativo (ADAM) está adaptado para actualizar el factor de olvido utilizando el gradiente de la señal de error.

Se propone un algoritmo mejorado de aproximación de matriz inversa para técnicas de procesamiento de matrices donde se requiere inversión de matriz. El algoritmo se basa en un método de aproximación de tres pasos que utiliza el enfoque de Homeiers y un algoritmo iterativo de aproximación de matriz inversa generalizada que emplea condiciones de Karush-Kuhn-Tucker (KKT).

Se propone un método de autocalibración basado en acoplamiento mutuo para matrices de antenas de enlace ascendente. El método propuesto es adecuado para esquemas de calibración fuera de línea, en sitio y en línea. Además, se propone un nuevo método de calibración para matrices de antenas activas polarizadas circularmente basado en la optimización de la relación axial para mejorar el rendimiento de la matriz de antenas compensando errores y efectos de acoplamiento mutuo.

Se propone un algoritmo de estimación y seguimiento de DoA rápido y eficiente energéticamente para el sistema MIMO masivo asistido por RIS. El bajo consumo de energía se logró reduciendo el número de cadenas de RF e incluyendo una matriz de antena conmutada en el receptor. El algoritmo de estimación y seguimiento de DoA se basa en el algoritmo RLS de factor de olvido adaptativo ADAM. Además, se propuso un método eficiente de estimación de canal híbrido de campo cercano y campo lejano para los sistemas MIMO masivos asistidos por RIS. Se ha demostrado que el método propuesto tiene un rendimiento de estimación de canal preciso.

El objetivo común de todas las contribuciones presentadas es proporcionar soluciones nuevas y robustas a problemas abiertos específicos para el procesamiento de conjuntos en fase y RIS de próxima generación en SATCOM. Los resultados de investigación obtenidos en esta tesis no se limitan a los estudios de caso descritos sino también a amplias áreas de aplicación.