Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems

Moving from fifth-generation (5G) into Beyond 5G (B5G) and sixth-generation (6G) wireless networks, both academia and industry around the world have already started to investigate advanced technologies. More stringent requirements such as ultra high data rate, high energy-efficiency, extremely high...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Βορδώνης, Δημήτρης
Άλλοι συγγραφείς: Vordonis, Dimitris
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/23924
id nemertes-10889-23924
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic 6G
Reconfigurable intelligent surfaces
OFDM
Reflection optimization
Unimodular quadratic problems
Hardware implementation
Ευφυείς επιφάνειες
Βελτιστοποίηση ανάκλασης
spellingShingle 6G
Reconfigurable intelligent surfaces
OFDM
Reflection optimization
Unimodular quadratic problems
Hardware implementation
Ευφυείς επιφάνειες
Βελτιστοποίηση ανάκλασης
Βορδώνης, Δημήτρης
Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems
description Moving from fifth-generation (5G) into Beyond 5G (B5G) and sixth-generation (6G) wireless networks, both academia and industry around the world have already started to investigate advanced technologies. More stringent requirements such as ultra high data rate, high energy-efficiency, extremely high reliability, ultra low latency, global coverage and connectivity are considered in future networks. Reassessment of key performance indicators (KPIs) and definition of new KPIs in future use cases are required, since not only novel 6G technologies are introduced but also changes in the architecture of the conventional 5G cellular networks are expected. Massive multiple-input-multiple-output (MIMO), the main technology of 5G, is a reality and research community investigates new promising physical layer technologies. Although massive MIMO resolves many basic problems of wireless communications, several open problems remain. The usage of multiple antennas enables beamforming, thus increasing the received signal power and liming interference issue at the end user. However, this does not apply for each served user. Large signal variations are observed in a real system especially for cell-edge users, due to possible blockages that are placed between the communication link. Furthermore, interference problem arises from other neighbor cells. Apart from performance metrics related to the user quality of experience, a base station (BS) equipped with a massive number of antennas features with high power consumption, that comes into conflict with the energy-efficient future networks. Several technologies such as Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs), Cell-Free MIMO and Orthogonal Time Frequency Spatial (OTFS) modulation are emerging in 6G aiming to solve these open problems. RISs are envisioned as a new physical layer technology in 6G wireless communication systems. A RIS is a two-dimensional, low-cost surface that is strategically placed in the infrastructure and introduces an optimal phase shift to the incident signal, thus reflecting the electromagnetic wave in the desired direction of the user. Therefore, RIS installation can be used to achieve smart propagation environments by turning the wireless channel from a passive actor into a service. Properties of the meta-surface can be altered and controlled in real-time, while low power consumption is the main benefit of RIS node compared to other physical layer technologies. These features explain the great interest of the research community on this novel technology. Various possible use cases are presented in this work, proving the potential of RIS technology in future wireless communication networks. In this thesis, we study the efficiency of power iteration-based methods in the received signal power maximization problem, assuming a RIS-aided Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system. Apart from state-of-the-art passive beamforming methods, general techniques that solve the uni-modular quadratic program (UQP) problem, are also examined. Binary phase shifts with unbalanced amplitudes and mutual coupling are considered, while a method that is easily implemented on hardware is proposed. Furthermore, proposed architectural optimizations, related to memory and loop dependencies management, lead to a low latency-oriented solution. Thus, the implementation of the proposed method, on a Zynq UltraScale+ multiprocessor system on a chip (MPSoC) device, results in an extremely low execution time.
author2 Vordonis, Dimitris
author_facet Vordonis, Dimitris
Βορδώνης, Δημήτρης
author Βορδώνης, Δημήτρης
author_sort Βορδώνης, Δημήτρης
title Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems
title_short Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems
title_full Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems
title_fullStr Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems
title_full_unstemmed Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems
title_sort reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6g wireless systems
publishDate 2022
url https://hdl.handle.net/10889/23924
work_keys_str_mv AT bordōnēsdēmētrēs reconfigurableintelligentsurfacesforapplicationsin6gwirelesssystems
AT bordōnēsdēmētrēs euphyeisepiphaneiesmedynatotētaanadiamorphōsēsgiaepharmogesseasyrmatasystēmata6g
_version_ 1771297266061017088
spelling nemertes-10889-239242022-11-15T04:36:27Z Reconfigurable intelligent surfaces for applications in 6G wireless systems Ευφυείς επιφάνειες με δυνατότητα αναδιαμόρφωσης για εφαρμογές σε ασύρματα συστήματα 6G Βορδώνης, Δημήτρης Vordonis, Dimitris 6G Reconfigurable intelligent surfaces OFDM Reflection optimization Unimodular quadratic problems Hardware implementation Ευφυείς επιφάνειες Βελτιστοποίηση ανάκλασης Moving from fifth-generation (5G) into Beyond 5G (B5G) and sixth-generation (6G) wireless networks, both academia and industry around the world have already started to investigate advanced technologies. More stringent requirements such as ultra high data rate, high energy-efficiency, extremely high reliability, ultra low latency, global coverage and connectivity are considered in future networks. Reassessment of key performance indicators (KPIs) and definition of new KPIs in future use cases are required, since not only novel 6G technologies are introduced but also changes in the architecture of the conventional 5G cellular networks are expected. Massive multiple-input-multiple-output (MIMO), the main technology of 5G, is a reality and research community investigates new promising physical layer technologies. Although massive MIMO resolves many basic problems of wireless communications, several open problems remain. The usage of multiple antennas enables beamforming, thus increasing the received signal power and liming interference issue at the end user. However, this does not apply for each served user. Large signal variations are observed in a real system especially for cell-edge users, due to possible blockages that are placed between the communication link. Furthermore, interference problem arises from other neighbor cells. Apart from performance metrics related to the user quality of experience, a base station (BS) equipped with a massive number of antennas features with high power consumption, that comes into conflict with the energy-efficient future networks. Several technologies such as Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs), Cell-Free MIMO and Orthogonal Time Frequency Spatial (OTFS) modulation are emerging in 6G aiming to solve these open problems. RISs are envisioned as a new physical layer technology in 6G wireless communication systems. A RIS is a two-dimensional, low-cost surface that is strategically placed in the infrastructure and introduces an optimal phase shift to the incident signal, thus reflecting the electromagnetic wave in the desired direction of the user. Therefore, RIS installation can be used to achieve smart propagation environments by turning the wireless channel from a passive actor into a service. Properties of the meta-surface can be altered and controlled in real-time, while low power consumption is the main benefit of RIS node compared to other physical layer technologies. These features explain the great interest of the research community on this novel technology. Various possible use cases are presented in this work, proving the potential of RIS technology in future wireless communication networks. In this thesis, we study the efficiency of power iteration-based methods in the received signal power maximization problem, assuming a RIS-aided Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system. Apart from state-of-the-art passive beamforming methods, general techniques that solve the uni-modular quadratic program (UQP) problem, are also examined. Binary phase shifts with unbalanced amplitudes and mutual coupling are considered, while a method that is easily implemented on hardware is proposed. Furthermore, proposed architectural optimizations, related to memory and loop dependencies management, lead to a low latency-oriented solution. Thus, the implementation of the proposed method, on a Zynq UltraScale+ multiprocessor system on a chip (MPSoC) device, results in an extremely low execution time. Μεταβαίνοντας από τα ασύρματα δίκτυα πέμπτης γενιάς (5G) στα ασύρματα δίκτυα Beyond 5G (B5G) και έκτης γενιάς (6G), τόσο ο ακαδημαϊκός κόσμος όσο και η βιομηχανία σε όλο τον κόσμο έχουν ήδη αρχίσει να ερευνούν προηγμένες τεχνολογίες. Στα μελλοντικά δίκτυα υπάρχουν πιο αυστηρές απαιτήσεις, όπως εξαιρετικά υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, υψηλή ενεργειακή απόδοση, εξαιρετικά υψηλή αξιοπιστία, εξαιρετικά χαμηλή καθυστέρηση, παγκόσμια κάλυψη και συνδεσιμότητα. Επαναξιολόγηση βασικών δεικτών απόδοσης (KPIs) και ορισμός νέων KPIs σε μελλοντικά σενάρια απαιτούνται, καθώς όχι μόνο εισάγονται νέες τεχνολογίες 6G αλλά αναμένονται και αλλαγές στην αρχιτεκτονική των συμβατικών κυψελοειδών δικτύων 5G. Το Massive multiple-input-multiple-output (MIMO), η κύρια τεχνολογία του 5G, είναι πια πραγματικότητα και η ερευνητική κοινότητα διερευνά νέες υποσχόμενες τεχνολογίες στο φυσικό επίπεδο. Παρόλο που η τεχνολογία του massive MIMO επιλύει πολλά βασικά προβλήματα ασύρματων επικοινωνιών, αρκετά ανοιχτά προβλήματα παραμένουν. Η χρήση πολλαπλών κεραιών επιτρέπει την κατευθυντική μετάδοση του σήματος, αυξάνοντας έτσι την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος και λύνοντας το πρόβλημα παρεμβολής στον χρήστη. Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει για κάθε εξυπηρετούμενο χρήστη. Μεγάλες διακυμάνσεις σήματος παρατηρούνται σε ένα πραγματικό σύστημα ειδικά για χρήστες που βρίσκονται στην άκρη της κυψέλης, λόγω πιθανών εμποδίων που βρίσκονται μεταξύ πομπού-δέκτη. Επιπλέον, το πρόβλημα παρεμβολής προκύπτει και από άλλες γειτονικές κυψέλες. Εκτός από τις μετρικές απόδοσης που σχετίζονται με την ποιότητα της εμπειρίας του χρήστη, ένας σταθμός βάσης (BS) εξοπλισμένος με ένα τεράστιο αριθμό κεραιών χαρακτηρίζεται από υψηλή κατανάλωση ισχύος, που έρχεται σε αντιπαράθεση με τα ενεργειακά αποδοτικά μελλοντικά δίκτυα. Διάφορες τεχνολογίες, όπως οι Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS), η τεχνολογία του Cell-Free MIMO και η Orthogonal Time Frequency Spatial (OTFS) διαμόρφωση αναδύονται στο 6G με στόχο την επίλυση αυτών των ανοιχτών προβλημάτων. Τα RISs οραματίζονται ως μια νέα τεχνολογία φυσικού επιπέδου σε συστήματα ασύρματης επικοινωνίας 6G. Το RIS είναι μια δισδιάστατη επιφάνεια χαμηλού κόστους που τοποθετείται στρατηγικά στην υποδομή και εισάγει μια βέλτιστη μετατόπιση φάσης στο προσπίπτον σήμα, αντανακλώντας έτσι το κύμα ραδιοσυχνοτήτων προς την επιθυμητή κατεύθυνση του χρήστη. Επομένως, η εγκατάσταση των RISs μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη έξυπνων περιβαλλόντων διάδοσης μετατρέποντας το ασύρματο κανάλι από παθητικό παράγοντα σε υπηρεσία. Οι ιδιότητες της μετα-επιφάνειας μπορούν να αλλάξουν και να ελέγχονται σε πραγματικό χρόνο, ενώ η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας είναι το κύριο πλεονέκτημα του κόμβου RIS σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες φυσικού επιπέδου. Αυτά τα χαρακτηριστικά εξηγούν το μεγάλο ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας για αυτή τη νέα τεχνολογία. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζονται διάφορα πιθανά σενάρια χρήσης, αποδεικνύοντας τις δυνατότητες της τεχνολογίας RIS σε μελλοντικά ασύρματα δίκτυα επικοινωνίας. Σε αυτή τη διπλωματική, μελετάμε την αποτελεσματικότητα των μεθόδων που βασίζονται στην power method στο πρόβλημα μεγιστοποίησης της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος, υποθέτοντας ένα σύστημα OFDM υποβοηθούμενο από RIS. Εκτός από τις κλασικές μεθόδους παθητικού beamforming, εξετάζονται και γενικές τεχνικές που λύνουν το πρόβλημα UQP. Εξετάζονται δυαδικές μετατοπίσεις φάσης με μη ισορροπημένα πλάτη και αμοιβαία σύζευξη, ενώ προτείνεται μια μέθοδος που εφαρμόζεται εύκολα σε υλικό. Επιπλέον, οι προτεινόμενες αρχιτεκτονικές βελτιστοποιήσεις, που σχετίζονται με τη διαχείριση εξαρτήσεων μνήμης και βρόχου, οδηγούν σε μια λύση προσανατολισμένη για χαμηλούς χρόνους εξομοίωσης. Έτσι, η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου, σε ένα σύστημα Zynq UltraScale+ MPSoC, έχει ως αποτέλεσμα ένα εξαιρετικά χαμηλό χρόνο εκτέλεσης. 2022-11-14T11:54:38Z 2022-11-14T11:54:38Z 2022-06-27 2022 https://hdl.handle.net/10889/23924 en application/pdf