Vazão, eficiência energética e espectral e equidade para protocolos de acesso aleatórios auxiliados por RIS para redes B5G de comunicação sem fio

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dc.contributor.advisorAbrão, Taufik
dc.contributor.authorPolvani, Gabriel Delongui
dc.contributor.bancaSouza, Richard Demo
dc.contributor.bancaPanazio, Cristiano Magalhães
dc.coverage.extent108 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2025-11-03T17:54:38Z
dc.date.available2025-11-03T17:54:38Z
dc.date.issued2025-02-27
dc.description.abstractNos 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.
dc.description.abstractother1In recent years, the so-called Massive Multiple-Input-Multiple-Output (M-MIMO) technology has been deployed globally, ushering in the fifth generation of wireless communication networks (5G). Numerous benefits offered by 5G, such as increased connectivity and higher spectral and energy efficiency, are now being leveraged by unprecedented applications. However, companies and researchers are already envisioning 6G networks, anticipating new applications such as Industry 4.0, deep-sea and space tourism, extended reality (XR), and smart environmental control. These applications could be facilitated by artificial intelligence (AI) techniques or innovative devices like Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS). Moreover, these new applications must be efficiently designed to extend the benefits of 5G, intelligently utilizing scarce resources and promoting wireless scenarios that adhere to green communications ideals. Nevertheless, the growing number of connected devices, urban verticalization, user mobility, and physical propagation effects, particularly at higher frequencies, pose challenges for precise system modeling. Therefore, there is an urgent need to develop accurate channel models and intelligent algorithms capable of addressing these complex scenarios. This will enable precise investigation of 6G performance and the feasibility of new technologies such as RIS. In line with these goals, this master’s thesis focuses on three main attainable objectives: 1) present a flexible channel model for RIS-aided 6G networks, emphasizing applications in Massive Machine-Type Communications (mMTC); 2) studying the design of low-complexity RIS-aided Random access protocols for scenarios where users’ channel conditions are discrepant; and 3) exploring power allocation strategies for mMTC scenarios to enhance overall system energy efficiency, crucial for devices with limited battery capacity. This work provides valuable insights into designing efficient and sustainable mMTC random access protocols for future wireless networks. Specifically, we developed and validated realistic channel models incorporating RIS-aided direct and reflected links. Two novel random access protocols were studied: SAP-RARAP (single access policy) and DAP-RARAP (double access policy). DAP-RARAP dynamically selects an access policy and transmission power for each MTD based on channel state information (CSI) and location within the cell. Extensive Monte Carlo simulations evaluated throughput, spectral efficiency (SE), energy efficiency (EE), and fairness, revealing DAP-RARAP’s significant performance advantages in various scenarios. The impact of key parameters, such as the number of RIS elements, time slots, MTD transmit power, and blockage attenuation, was systematically investigated.
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/18988
dc.language.isoeng
dc.relation.departamentCTU - Departamento de Engenharia Elétrica
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
dc.subjectSuperfícies inteligentes reconĄguráveis
dc.subjectEĄciência espectral
dc.subjectEĄciência energética
dc.subjectProtocolos de acesso aleatório
dc.subjectEngenharia elétrica
dc.subjectProtocolos de acesso aleatórios (Engenharia elétrica)
dc.subjectSuperfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RIS)
dc.subjectRedes sem fio
dc.subject.capesEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.cnpqEngenharias - Engenharia Elétrica
dc.subject.keywordsReconĄgurable intelligent surfaces
dc.subject.keywordsSpectral efficiency
dc.subject.keywordsEnergy efficiency
dc.subject.keywordsRandom access protocols
dc.subject.keywordsRandom access protocols (Electrical engineering)
dc.subject.keywordsReconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)
dc.subject.keywordsWireless networks
dc.titleVazão, eficiência energética e espectral e equidade para protocolos de acesso aleatórios auxiliados por RIS para redes B5G de comunicação sem fio
dc.title.alternativeThroughput, energy and spectral efficiency and fairness for RIS-aided random access protocols for B5G wireless communications networks
dc.typeDissertação
dcterms.educationLevelMestrado Acadêmico
dcterms.provenanceCentro de Tecnologia e Urbanismo

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