Enabling Technologies for Assisted-Based Communications: Fundamental Limits and Protocol Design

Abstract

Η πρωτοφανής αύξηση των ασύρματων συσκευών επικοινωνίας και η εμφάνιση του διαδικτύου των πραγμάτων έχουν οδηγήσει σε μια σημαντική κλιμάκωση στον αριθμό των ασύρματων συνδέσεων και στη ζήτηση της κυκλοφορίας δεδομένων. Ως εκ τούτου, η υλοποίηση καινοτόμων ιδεών χαμηλής πολυπλοκότητας είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη δημιουργία αποδοτικών ασύρματων δικτύων πέμπτης γενεάς, καθώς και των μελλοντικών επικοινωνιών έκτης γενεάς, και την ικανοποίηση των απαιτήσεων των δικτύων εκτενούς συνδεσιμότητας υψηλής απόδοσης. Για την επίτευξη των πιο πάνω στόχων, η χρήση κόμβων μεταγωγής πολλαπλών βημάτων και επαναδιαμορφώσιμων έξυπνων επιφανειών (ΕΕΕ) αναδεικνύονται ως υποσχόμενες τεχνολογίες που μπορούν να ενισχύσουν την επικοινωνία και τη συνδεσιμότητα των ασύρματων δικτύων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τον απαιτητικό σχεδιασμό πρωτοκόλλων χαμηλής πολυπλοκότητας, με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης των ασύρματων δικτύων υποστηριζόμενων από τη χρήση των πιο πάνω τεχνολογιών. Η εφαρμογή των προτεινόμενων πρωτοκόλλων μπορεί να αποφέρει σημαντικά οφέλη στα συμβατικά συστήματα επικοινωνίας, όπως μεγαλύτερη δικτυακή κάλυψη, ενισχυμένη αποδοτικότητα και ευελιξία. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται αποτελεσματικές τεχνικές στο φυσικό επίπεδο για τη μεταφορά πληροφορίας στους τελικούς χρήστες, οι οποίες παρέχουν υψηλότερα κέρδη απόδοσης με την αξιοποίηση των ασύρματων καναλιών στα πεδία του χώρου και του χρόνου. Αρχικά, μελετάται η απόδοση ενός συνεργατικού πρωτοκόλλου σε δίκτυα πολλαπλών βημάτων, όπου οι κόμβοι μεταγωγής μεταδίδουν δεδομένα βάσει μιας στρατηγικής περιορισμένης συνεργασίας μεταξύ των κόμβων του δικτύου, ενώ μπορούν να λειτουργήσουν σε δύο καταστάσεις επικοινωνίας με διαφορετικές δυνατότητες μεταφοράς δεδομένων. Για τη μοντελοποίηση της χρονικής εξέλιξης της κατάστασης του δικτύου, προτείνεται μια ευέλικτη μεθοδολογία με τη χρήση Μαρκοβιανών αλυσίδων. Έπειτα, εστιάζουμε στο σχεδιασμό απλών λύσεων για συστήματα υποστηριζόμενα από ΕΕΕ με περιορισμένες απαιτήσεις γνώσης των καναλιών. Συγκεκριμένα, ερευνάται η απόδοση συστημάτων πολλαπλής-εισόδου πολλαπλής-εξόδου υποστηριζόμενων από ΕΕΕ με μηδενικές απαιτήσεις γνώσης των καναλιών, όπου τα στοιχεία ανάκλασης διαχωρίζονται σε υπο-επιφάνειες που δύνανται να αναδιαμορφώνονται περιοδικά μέσω τροποποίησης του πλάτους ή της μετατόπισης φάσης. Επιπρόσθετα, για τη μείωση των απαιτήσεων εκμάθησης των καναλιών, προτείνεται η υλοποίηση ενός υβριδικού σχήματος διαμόρφωσης της ΕΕΕ και μελετάται η απόδοσή του όταν η εκμάθηση των καναλιών είναι ανακριβής. Το προτεινόμενο σχήμα προσαρμόζει το συντελεστή ανάκλασης ενός υποσυνόλου των στοιχείων της ΕΕΕ βάσει των εκτιμώμενων καναλιών, ενώ τα υπόλοιπα στοιχεία ανακλούν τα σήματα τυχαία. Τέλος, ερευνώνται τα πιθανά πλεονεκτήματα της χρήσης μιας ΕΕΕ για τη διευκόλυνση της εφαρμογής της τεχνικής χρονικής ανάκλασης (ΧΑ) σε ευρυζωνικά δίκτυα υψηλών συχνοτήτων. Η ΕΕΕ χρησιμοποιείται για να εμπλουτίσει το περιβάλλον σκέδασης παρέχοντας πολλαπλές διαδρομές διάδοσης για την αποδοτική εφαρμογή της ΧΑ, χωρίς να χρειάζεται η γνώση των καναλιών για τη διαμόρφωση της επιφάνειας. Η απόδοση των προτεινόμενων λύσεων αξιολογείται διεξοδικά με τη χρήση εργαλείων από τη θεωρία πληροφορίας, τη θεωρία πιθανοτήτων και τη θεωρία επεξεργασίας σήματος. Μέσα σε αυτό το αναλυτικό πλαίσιο, παρέχονται θεωρητικά αποτελέσματα για σημαντικές μετρικές απόδοσης, όπως ο λόγος σήματος-προς-θόρυβο στο δέκτη, η πιθανότητα διακοπής της επικοινωνιακής κάλυψης ή η ανταλλαγή διαφορισμού-πολυπλεξίας, τα οποία παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τα όρια απόδοσης των προτεινόμενων λύσεων. Επιπρόσθετα, μελετάται η επίδραση διάφορων παραμέτρων στην απόδοση κάθε συστήματος, όπως ο αριθμός των κόμβων μεταγωγής ή των στοιχείων ανάκλασης και η ισχύς μετάδοσης.

In recent years, the unprecedented increase in wireless devices and the emergence of Internet-of-Things applications have led to a tremendous increase in the number of connections that need to be established, resulting in high data traffic demands. As such, innovative solutions with low implementation complexity need to be conceived for the efficient deployment of fifth generation and beyond communications, in order to satisfy the stringent requirements of ultra-reliable networks with massive connectivity. Towards addressing these challenges, multi-hop relaying and reconfigurable intelligent surfaces (RISs) are regarded as key enabling technologies to assist the communication and provide ubiquitous connectivity. The present thesis deals with the challenging design of low-complexity protocols, aiming to enhance the performance of wireless networks aided by the employment of the aforementioned candidate technologies. Applying these protocols in conventional communication systems provides significant gains, such as increased coverage range, enhanced reliability and flexibility. Specifically, efficient techniques for conveying information to the end users are applied, which enable higher performance gains by exploiting the wireless channels in both space and time domains. Firstly, we study the performance of a novel cooperative protocol over a multi-hop network, where the relays transmit data based on a myopic strategy, enabling limited cooperation between neighboring nodes, and can operate in two communication modes affecting their transmission capabilities. For modeling the evolution of the network status over time, we propose a flexible methodology by using a Markov chain formulation. Then, we focus on the design of low-complexity solutions for RIS-aided systems with low-to-zero channel state information (CSI) requirements. Specifically, we investigate the performance of RIS-assisted multiple-input multiple-output systems, by employing partition-based schemes. The elements of the RIS are divided into sub-surfaces and are sequentially modified through an amplitude-based or a phase-based approach, without requiring any CSI knowledge for their reconfiguration. In addition, we propose a hybrid scheme for an RIS-assisted system under imperfect CSI. The proposed scheme requires channel estimation for only a subset of the elements to adjust their reflection coefficients, thus reducing the channel training overhead, while the remaining elements perform random rotations. Finally, we explore the potential gains of employing an RIS for facilitating the time reversal (TR), which is a suitable signal processing technique for rich scattering environments in high-frequency wideband communications. In this case, an RIS operating in the antenna's near-field region is employed to enrich the poor scattering environment by generating multiple propagation paths, while its configuration does not require any CSI knowledge. The performance for each of the proposed solutions is investigated through a complete analytical framework, by utilizing tools from the areas of information theory, probability theory and signal processing. Under this framework, tractable theoretical expressions are derived for key performance metrics, such as the achieved signal-to-noise ratio, the outage probability and the diversity-multiplexing tradeoff. The provided expressions provide useful theoretical and practical insights on the fundamental limits of the considered communication schemes. Moreover, several system design parameters affecting the overall performance, such as the number of relays or reflecting elements, the transmit power etc., are discussed.