Physical layer optimization, multiple access, and energy efficiency in extra-large scale massive MIMO and wireless networks aided by reconfigurable intelligent surfaces

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dc.contributor.advisorAbrão, Taufik
dc.contributor.authorSouza, João Henrique Inácio de
dc.contributor.bancaKlautau Júnior, Aldebaro Barreto da Rocha
dc.contributor.bancaSadok, Djamel Fawzi Hadj
dc.contributor.bancaRebelatto, João Luiz
dc.contributor.bancaSouza, Richard Demo
dc.contributor.coadvisorMarinello Filho, José Carlos
dc.coverage.extent141 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2024-10-24T20:35:33Z
dc.date.available2024-10-24T20:35:33Z
dc.date.issued2024-03-01
dc.description.abstractThe mobile networks beyond the fifth generation (B5G) must be designed to supply an increasing demand for connectivity, coming not only from established applications but also from emerging ones that surge with progressively ambitious communication requirements. To that end, physical layer technologies such as extra-large scale massive multiple-input multiple-output (XL-MIMO) and reconfigurable intelligent surfaces (RISs) have been considered for integrating the specifications of the next-generation networks aiming to boost the key performance indicators (KPIs). XL-MIMO encompasses communication systems where the base station is equipped with a physically large antenna array, with hundreds to thousands of half-wavelength-spaced antennas. Seen as an evolution of massive MIMO, in XL-MIMO systems, the array provides extra spatial degrees of freedom (DoFs) that can be explored to spatially multiplex many users with high data rates. Furthermore, an RIS is a thin sheet of composite material equipped with electronic circuits that can be programmed to change the characteristics of the incoming electromagnetic field. It can be used to coherently reflect radio signals, enhancing the wireless channel in arbitrary spots of the service area, relying on low-cost and energy-efficient hardware. To unlock the potential of XL-MIMO and RIS, it is necessary to solve open research questions concerning channel modeling, system design, and optimization strategies. Addressing the challenges faced in the development of these technologies, this thesis investigates the applicability of XL-MIMO and RIS to leverage the communication KPIs in the B5G networks. Based on the B5G usage scenarios, it focuses on four objectives: 1) providing high data rates and supporting high connection density for gigabit per second communication; 2) enabling energy-efficient wireless communication for the Internet of Things (IoT); 3) providing reliable and low-latency communication for mission-critical applications; and 4) investigating the potential of RISs to program aspects of the wireless channel. Regarding XL-MIMO, to support multi-user communication in crowded environments, a strategy for system optimization is proposed to efficiently explore all the DoFs provided by the high-aperture array. Furthermore, concerning RIS, the energy efficiency of RIS-aided IoT networks is analyzed, producing relevant insights for system design aiming to extend the devices’ battery lifetime and enhance the network coverage. Moreover, a multiple access scheme to multiplex hybrid traffic is proposed, using the RIS to support the coexistence through network resource sharing of mission-critical services along with broadband communication services. Finally, tackling the integration of the RIS controllability and exploring its capability of shaping the wireless channel, a method is proposed to control the channel temporal statistics by using an RIS with time-varying stochastic configurations. In short, this thesis presents methods, procedures, and algorithms to implement XL-MIMO systems and RISs in the B5G networks, accompanied by comprehensive evaluations of the system trade-offs in terms of relevant KPIs, including spectral efficiency, energy efficiency, outage probability, and latency.
dc.description.abstractother1As redes de comunicações móveis da próxima geração devem ser projetadas para suprir uma demanda crescente por conectividade, provocada não apenas por aplicações consolidadas, mas também por aplicações emergentes, que apresentam requisitos de comunicação progressivamente ambiciosos. Neste sentido, visando impulsionar os indicadores desempenho, tecnologias de camada física conhecidas como massive multiple-input multiple-output (XL-MIMO) e reconfigurable intelligent surfaces (RISs) têm sido consideradas para integrar as especificações das redes da próxima geração. Em um sistema XL-MIMO, a estação rádio base é equipada com um arranjo de antenas com grandes dimensões físicas, possuindo de centenas a milhares de antenas espaçadas por meio comprimento de onda. Tratado como evolução do sistema massive MIMO, em um sistema XL-MIMO, o arranjo de antenas fornece graus de liberdade espacial adicionais, que podem ser explorados para aplicar multiplexação espacial de diversos usuários a altas taxas. Além disso, uma RIS consiste em uma superfície delgada constituída por materiais compósitos e equipada com circuitos eletrônicos, capaz de ser controlada para alterar características do campo eletromagnético incidente. Especificamente, esta superfície pode ser empregada para refletir sinais de rádio coerentemente, melhorando a qualidade do canal sem fio em pontos arbitrários da área se serviço, dependendo de um hardware de baixo custo e energeticamente eficiente. Para explorar o potencial dos sistemas XL-MIMO e das RISs, é necessário solucionar questões de pesquisa em aberto, relacionadas à modelagem do canal, projeto de sistemas e estratégias de otimização. Focando nos desafios encontrados durante o desenvolvimento destas tecnologias, esta tese investiga a aplicabilidade de XL-MIMO e RIS para melhorar os indicadores de desempenho nas redes da próxima geração. Baseando-se nos cenários de uso definidos para a próxima geração, ela concentra-se em quatro objetivos: 1) fornecer altas taxas de transmissão e suportar alta densidade de conexões para comunicação a gigabit por segundo; 2) viabilizar comunicação sem fio energeticamente eficiente para internet das coisas; 3) fornecer comunicação confiável e de baixa latência para aplicações de missão crítica; e 4) investigar o potencial das RISs para programar aspectos do canal de propagação sem fio. Em relação a XL-MIMO, para suportar comunicação multi-usuário em ambientes com alta densidade de conexões, uma estratégia para otimização do sistema é proposta visando explorar eficientemente todos os graus de liberdade fornecidos pelo arranjo de antenas. Por outro lado, envolvendo redes auxiliadas por RIS, é analisada a eficiência energética de redes para aplicações de internet das coisas, produzindo observações relevantes para o projeto de sistemas visando ampliar o tempo de bateria dos dispositivos e expandir a cobertura da rede. Além disso, é proposto um esquema de múltiplo acesso para multiplexar tráfico híbrido, usando a RIS para viabilizar a coexistência de serviços de missão crítica e comunicação de banda larga através do compartilhamento de recursos. Por fim, visando estudar a integração da controlabilidade da RIS e explorando sua habilidade de moldar o canal de comunicação, é proposto um método para o controle da estatística temporal do canal adotando-se configurações da RIS estocásticas e variantes no tempo. Em resumo, esta tese apresenta métodos, procedimentos e algoritmos para implementar sistemas XL-MIMO e RISs nas redes da próxima geração, acompanhados por avaliações extensivas dos compromissos oferecidos pelo sistema de comunicação em termos de indicadores de desempenho relevantes, incluindo eficiência espectral, eficiência energética, probabilidade de interrupção e latência.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/18247
dc.language.isopor
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Engenharia Elétrica
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectMassive multiple-input multiple-output (MIMO)
dc.subjectExtra-large scale mas sive MIMO (XL-MIMO)
dc.subjectReconfigurable intelligent surface (RIS)
dc.subjectEficiência energética
dc.subjectInternet das coisas
dc.subjectProtocolos de acesso aleatório
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.keywordsMassive multiple-input multiple-output (MIMO)
dc.subject.keywordsExtra-large scale massive MIMO (XL-MIMO)
dc.subject.keywordsReconőgurable intelligent surface (RIS)
dc.subject.keywordsEnergy efficiency
dc.subject.keywordsInternet of Things (IoT)
dc.subject.keywordsRandom access protocols
dc.titlePhysical layer optimization, multiple access, and energy efficiency in extra-large scale massive MIMO and wireless networks aided by reconfigurable intelligent surfaces
dc.title.alternativeOtimização da camada física, múltiplo acesso, e eficiência energética em MIMO massivo extra grande e redes auxiliadas por superfícies inteligentes reconfiguráveis
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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