Um projeto de sistema de comunicações com reconhecimento de contexto para a banda THz

Abstract

As comunicações na banda Terahertz (THz) são consideradas uma tecnologia crucial para a transmissão de dados a velocidades ultra-elevadas em sistemas de comunicação sem fios da futura geração. As extensas larguras de banda disponíveis nas frequências de THz têm o custo de graves perdas de propagação e limitações de potência, o que resulta em distâncias de comunicação muito curtas. Superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) são uma tecnologia promissora para ultrapassar esta limitação uma vez que têm capacidade para moldar as ondas THz, ajustando adequadamente as mudanças de fase. Esta dissertação foca-se no estudo de um sistema eficaz em contexto de ambiente para as comunicações sem fio THz. Na presente dissertação concebemos um sistema de comunicação sem fios ultra-massivo de múltiplas entradas e saídas (UM-MIMO) assistido por RIS. Para maximizar a taxa alcançável do sistema, e ao mesmo tempo que se lida com a grande configuração de problemas que é típica dos sistemas UM-MIMO assistidos por RIS, é desenvolvido um algoritmo de gradiente proximal acelerado (APG) de baixa complexidade para o cálculo das mudanças de fase dos elementos do RIS. Também se considera a pré-codificação híbrida, a qual é necessária para tornar viável a implementação de comunicações UM-MIMO nos THz, e avalia-se a incidência de não-idealidades que são típicas na implementação prática do sistema. Os resultados numéricos demonstram que quanto maior o RIS maior taxa de dados o sistema alcança, e que o mesmo deve ficar situado na vizinhança do recetor ou do transmissor. A eficácia do algoritmo proposto também é comprovada, mesmo quando se considera a quantização realista das mudanças de fase discretas e o conhecimento imperfeito do canal.

Terahertz (THz)-band communications are considered a crucial technology for ultrahigh data rate transmission in future-generation wireless communication systems. The extensive available bandwidths at THz frequencies come at the cost of severe propagation losses and power limitations, which results in very short communication distances. Reconfigurable intelligent surfaces are a promising technology to overcome this limitation as they can be used to shape THz waves by adequately adjusting the phase shifts. This dissertation focuses on the study of an effective system for THz wireless communications environment. In this dissertation, we design a RIS-assisted ultra-massive multiple-input multiple-output (UM-MIMO) wireless communication system. To maximize the achievable rate of the system, while coping with the large problem setting that is typical in RIS-aided UM-MIMO systems, a low complexity accelerated proximal gradient (APG) algorithm is developed for computing the phase-shifts of the RIS elements. We also consider the adoption of hybrid precoding which is necessary for viable UM-MIMO THz implementations and evaluate the impact of non-idealities that are typical in practical implementations of the system. Numerical results demonstrate that the larger the RIS is, the higher data rate the system achieves, and that it should be located in the vicinity of the receiver or transmitter. The effectiveness of the proposed algorithm is also proven, even when considering realistic quantization of discrete phase shifts and imperfect channel knowledge.