Vazão, eficiência energética e espectral e equidade para protocolos de acesso aleatórios auxiliados por RIS para redes B5G de comunicação sem fio
Data
2025-02-27
Autores
Polvani, Gabriel Delongui
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Resumo
Nos últimos anos, a tecnologia conhecida como Massive Multiple-Input-Multiple-Output (M-MIMO) foi implantada globalmente, inaugurando a era da quinta geração de redes de comunicação sem fio (5G). Inúmeros benefícios oferecidos pelo 5G, como maior conectividade, maior eficiência espectral e energética, estão agora sendo aproveitados por aplicações sem precedentes. No entanto, empresas e pesquisadores já estão vislumbrando as redes 6G, antecipando novas aplicações como Indústria 4.0, turismo em águas profundas e espacial, realidade estendida (XR) e controle ambiental inteligente. Essas aplicações poderiam ser facilitadas por técnicas de inteligência artificial (IA) ou dispositivos inovadores como Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS). Além disso, essas novas aplicações devem ser projetadas de forma eficiente para estender os benefícios do 5G, utilizando inteligentemente os recursos escassos e promovendo cenários de comunicação sem fio que aderem aos ideais de comunicações verdes. No entanto, o crescente número de dispositivos conectados, a verticalização urbana, a mobilidade dos usuários e os efeitos de propagação física, especialmente em frequências mais altas, impõem desafios para a modelagem precisa do sistema. Portanto, há uma necessidade urgente de desenvolver modelos de canal precisos e algoritmos inteligentes capazes de enfrentar esses cenários complexos. Isso permitirá uma investigação precisa do desempenho do 6G e da viabilidade de novas tecnologias como as RIS. Alinhada com esses objetivos, esta dissertação de mestrado foca em três objetivos principais: 1) apresentar um modelo de canal flexível para redes 6G auxiliadas por RIS, enfatizando aplicações em Comunicações Massivas de Tipo Máquina (mMTC); 2) estudar o design de protocolos de acesso aleatório de baixa complexidade auxiliados por RIS para aplicações em cenários onde as condições de canal dos usuários são bastante discrepantes; e 3) explorar estratégias de alocação de potência para cenários de mMTC a fim de melhorar a eficiência energética geral do sistema, crucial para dispositivos com capacidade de bateria limitada. Este trabalho fornece insights valiosos para o design de protocolos de acesso aleatório eficientes e sustentáveis para redes sem fio futuras de mMTC. Especificamente, desenvolvemos e validamos modelos de canal realistas que incorporam links diretos e refletidos auxiliados por RIS. Dois novos protocolos de acesso aleatório foram estudados: SAP-RARAP (política de acesso único) e DAP-RARAP (política de acesso duplo). O DAP-RARAP seleciona dinamicamente uma política de acesso e a potência de transmissão para cada MTD com base nas informações do estado do canal (CSI) e na localização dentro da célula. Extensivas simulações Monte-Carlo avaliaram o throughput (vazão), a eficiência espectral (SE), a eficiência energética (EE) e a equidade, revelando vantagens significativas de desempenho do DAP-RARAP em diversos cenários. O impacto de parâmetros-chave, como o número de elementos RIS, slots de tempo, potência de transmissão dos MTDs e atenuação por bloqueio, foi investigado sistematicamente.
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Palavras-chave
Superfícies inteligentes reconĄguráveis, EĄciência espectral, EĄciência energética, Protocolos de acesso aleatório, Engenharia elétrica, Protocolos de acesso aleatórios (Engenharia elétrica), Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS), Redes sem fio