Design and optimization of wireless networks through reconfigurable intelligent surfaces
Authors: Τυροβολάς Δημήτριος 
Published: September 2024

Η μετάβαση στα δίκτυα 6G αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα στις ασύρματες επικοινωνίες, ενσωματώνοντας τον ψηφιακό και φυσικό κόσμο για την ενίσχυση της παγκόσμιας συνδεσιμότητας. Το 6G στοχεύει να υποστηρίξει προηγμένες υπηρεσίες όπως το Future-enhanced Mobile Broadband (FeMBB) για υπερυψηλή ταχύτητα δεδομένων, την Ενεργειακά Βιώσιμη Επικοινωνία για μείωση του περιβαλλοντικού αντίκτυπου και την Εξαιρετικά Αξιόπιστη και Χαμηλής Καθυστέρησης Επικοινωνία (ERLLC) για κρίσιμες εφαρμογές. Αυτές οι υπηρεσίες απαιτούν δίκτυα που μπορούν να προσαρμόζονται έξυπνα σε σύνθετες ανάγκες χρηστών και αλλαγές στο περιβάλλον, απαιτώντας ακριβή έλεγχο των ασύρματων μεταδόσεων για σταθερή υπηρεσία. Ιστορικά, το ασύρματο περιβάλλον θεωρούνταν ανεξέλεγκτο, υπονομεύοντας συχνά την αξιοπιστία λόγω παρεμβολών και εξασθένησης σήματος. Αντίθετα, το 6G επιδιώκει να μετασχηματίσει αυτή την άποψη, κάνοντας το ασύρματο περιβάλλον ελεγχόμενο και απαιτώντας νέα προσέγγιση στη διάδοση των σημάτων. Το δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζει τις Αναδιαμορφώσιμες Έξυπνες Επιφάνειες (RISs) ως βασικά στοιχεία για την υλοποίηση του 6G. Οι RISs είναι προηγμένες επιφάνειες που ελέγχουν δυναμικά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα προσαρμόζοντας τη φάση, το πλάτος και την πόλωση, βελτιστοποιώντας έτσι τη διανομή σήματος. Αναλύονται τόσο οι μεταεπιφάνειες όσο και οι ανακλαστικές επιφάνειες, εξερευνώντας τις πολυπλοκότητες και την αποδοτικότητά τους. Εξετάζονται λειτουργίες όπως ο έλεγχος πόλωσης, ο διαχωρισμός ακτίνας και η διάχυση, κρίσιμες για την προσαρμογή της απόδοσης του δικτύου στις ανάγκες. Επιπλέον, το κεφάλαιο ασχολείται με τη μαθηματική μοντελοποίηση των συνδέσεων επικοινωνίας σε δίκτυα με τη βοήθεια RIS, προσφέροντας κατανόηση του πώς οι RIS επηρεάζουν τη συμπεριφορά του σήματος και την απόδοση του δικτύου. Εξερευνάται επίσης η ανάπτυξη Προγραμματιζόμενων Ασύρματων Περιβαλλόντων (PWEs) με την επικάλυψη του περιβάλλοντος με RIS, τονίζοντας τη δυνατότητα ενισχυμένης ευελιξίας και απόκρισης του δικτύου. Το τρίτο κεφάλαιο επικεντρώνεται στη λειτουργία της διάχυσης των RIS μέσω στατιστικής ανάλυσης. Οι RIS λειτουργούν ως Τυχαία Αναδιαμορφώσιμες Επιφάνειες (RRSs), χρησιμοποιώντας τυχαίες φάσεις, επεκτείνοντας τις δυνατότητες πέρα από την καθοδήγηση ακτίνας. Το κεφάλαιο εισάγει τη διανομή του αθροίσματος των διπλών τυχαίων διανυσμάτων Nakagami-m ως ένα κρίσιμο εργαλείο για την ακριβή περιγραφή δικτύων με τη βοήθεια RRS. Παρέχονται ακριβείς εκφράσεις για κρίσιμες μετρικές όπως η πιθανότητα διακοπής και η εργοδική χωρητικότητα, δείχνοντας πώς η διάχυση βελτιώνει την απόδοση επικοινωνίας σε σύνθετα περιβάλλοντα. Προσομοιώσεις υπογραμμίζουν τα πρακτικά οφέλη των RRS, ιδίως στα συστήματα εκπομπής και στα δίκτυα πολλαπλής πρόσβασης. Το τέταρτο κεφάλαιο εξετάζει τα διαδοχικά δίκτυα RIS για βελτιωμένη κάλυψη και ποιότητα σήματος. Με την ευθυγράμμιση πολλαπλών RIS, τα δίκτυα αυτά ξεπερνούν φυσικά εμπόδια και ενισχύουν τα σήματα, επεκτείνοντας την εμβέλεια της επικοινωνίας. Μαθηματικά μοντέλα προσομοιώνουν τις ρυθμίσεις φάσης στις διαδοχικές RIS, κρίσιμες για τον έλεγχο και τη βελτιστοποίηση του σήματος. Αυτά τα μοντέλα βοηθούν στην αξιολόγηση της απόδοσης του δικτύου, επιβεβαιώνοντας ότι τα διαδοχικά δίκτυα RIS βελτιώνουν σημαντικά την ισχύ και την κάλυψη του σήματος. Το πέμπτο κεφάλαιο εισάγει τις Μηδενικής Ενέργειας RIS (zeRISs), οι οποίες λειτουργούν με συλλεγόμενη ενέργεια, αποτελώντας σημαντική πρόοδο στην ενεργειακή αποδοτικότητα στα PWEs. Το κεφάλαιο αξιολογεί διάφορες μεθόδους Harvest-and-Reflect (HaR) με έμφαση στην απορρόφηση ενέργειας και την απόδοση επικοινωνίας. Παρουσιάζεται η μετρική κοινής πιθανότητας διακοπής ενέργειας-ταχύτητας δεδομένων για την αξιολόγηση των zeRIS, δείχνοντας ότι η βέλτιστη μέθοδος HaR εξαρτάται από το μέγεθος των zeRIS, τις συνθήκες εξασθένησης και τη θέση τους. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο εξετάζει τη χρήση RIS σε UAV για συλλογή δεδομένων IoT, με έμφαση στον ενεργειακά αποδοτικό σχεδιασμό λόγω περιορισμένης ενέργειας. Εισάγει μοντέλο κατανάλωσης ενέργειας και πρωτόκολλο ελέγχου πρόσβασης SlottedALOHA με Συνδυασμό Κωδικών (CCSA) για βελτίωση της απόδοσης. Οι προσομοιώσεις δείχνουν την ανάγκη στρατηγικών ανάπτυξης UAV με RIS για αποτελεσματική συλλογή δεδομένων σε δίκτυα 6G.