Reconfigurable Intelligent Surfaces based system design for future 6G wireless networks

Abstract

Future sixth generation (6G) wireless networks perceive the THz band as essential to support the high volume of wireless traffic data being generated in the network, thus enabling ultra high transmission rates. However, the behaviour of the THz frequency spectrum affects the propagation occurring in the wireless communication system due to high attenuation, leading to severe propagation losses. Reconfigurable intelligent surfaces (RIS) are a promising technology to overcome the limitations present in the THz waveband by reshaping the wave direction, thus enabling the signal to propagate towards its intended target. RIS have many applications in wireless systems, specifically in the optimization of the communication network performance when combined with ultra-massive multiple-input multiple-output antennas (UM-MIMO). UMMIMO systems are critical for implementing THz frequencies as the large number of antennas provides high directivity pencil like beams, thereby enabling easy data spread from the transmitter towards the receiver. To achieve low complexity whilst deploying UM-MIMO systems, hybrid precoders must be implemented. This dissertation aims to design and evaluate a RIS-assisted communication model for ultra-massive MIMO systems to extend coverage range and to improve the energy and spectral efficiency of 6G communications. To maximize the achievable rate of the structure, an algorithm will be developed to calculate the phase shifts of the individual RIS elements, and the implementation of various hybrid precoding structures. Several numerical results will be obtained through various simulations and analysed to give insight into which design is best suited for RIS-assisted THz communication system through the achievable rates obtained.

As futuras redes sem fios da sexta geração (6G) consideram a frequência Terahertz fundamental para suportar o elevado número de tráfego gerado na rede, permitindo assim elevadas taxas de transmissão de dados. Todavia, o comportamento do espectro de frequências THz condiciona a propagação que ocorre no sistema de comunicação pela sua elevada atenuação, originando graves perdas de propagação. Superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) são uma tecnologia promissora para ultrapassar as limitações existentes na faixa dos THz ao moldarem a direção da onda, permitindo que o sinal se propague para o destinatário. Os RIS dispõem de inúmeras aplicações nos sistemas sem fios, especificamente na otimização do desempenho da rede de comunicações ao utilizarem antenas ultra massivas de múltipla entradas e saídas. Os sistemas UM-MIMO são fundamentais para implementar frequências THz pelo elevado número de antenas, facilitando a propagação de dados desde o emissor e recetor. A fim de alcançar uma complexidade reduzida nos sistemas UM-MIMO, é necessário implementar pré-codificadores híbridos. Esta dissertação pretende conceber um sistema de comunicação para redes sem fios ultra massivo MIMO assistido por RIS para melhorar a eficiência energética das comunicações 6G e do espectro e o alcance da cobertura. De modo a maximizar a taxa alcançável do modelo, será desenvolvido um algoritmo para calcular a quantização das mudanças de fase dos elementos RIS sendo implementado várias estruturas híbridas de pré-codificação. Os resultados numéricos serão analisados a fim de revelar qual a configuração ideal para o sistema de comunicação THz assistido por RIS mediante as taxas alcançáveis obtidas.