Sustainable Metasurface-Assisted Indoor Wireless Communication System Design

QC 20260330

Abstract

Förtätningen av trådlösa nätverk mot femte och sjättegenerationens standarder har intensifierat behovet av tillförlitlig höghastighetskommunikation i inomhusmiljöer med hög användartäthet (IDS), såsom flygplanskabiner, tunnelbanevagnar och arenor. Även om millimetervågskommunikation (mmWave) erbjuder de spektralresurser som krävs för att möta denna efterfrågan, begränsar dess känslighet för utbredningsförluster och blockeringar dess prestanda avsevärt, särskilt i IDS. Metaytor har framträtt som ett lovande verktyg för att utöka mmWave-täckning genom att manipulera utbredningsomgivningen. Avancerade undersökningar har genomförts avseende prestandaförbättring i metayta-baserade system. Driftskostnaden, som utgör ett praktiskt och kritiskt problem vid driftsättning av metaytor, har dock fått otillräcklig uppmärksamhet i litteraturen. Att i praktiken implementera omkonfigurerbara metaytor kräver kablage, strömförsörjning och styrsystem, vilket medför kostnader som utgör ett reellt hinder för skalbar implementering, särskilt i miljöer där fysiska begränsningar eller stränga regleringskrav försvårar infrastrukturinstallation.

Detta avhandlingsarbete undersöker utformningen av hållbara metayta-assisterade trådlösa kommunikationssystem inomhus, där driftskostnad jämställs med prestanda som ett primärt designkriterium. Arbetet undersöker olika typer av metaytor som skiljer sig åt i den metayteförstärkning de erbjuder och den driftskostnad de medför. Genom att identifiera och verifiera ett optimalt designval bland dessa alternativ bidrar denna avhandling till ett hållbart metayta-assisterat system som hanterar prestandakostnadsdilemmat som är inneboende i IDS-miljöer.

Det första bidraget studerar avvägningen mellan den driftskostnad som följer med rekonfigurerbarheten och motsvarande prestandaförbättring, genom att optimera en blandad driftsättning av statisk metayta (SMS) och rekonfigurerbar intelligent yta (RIS) i ett mmWave IDS. Med hjälp av en algoritm baserad på successiv konvex approximation med genomförbar punktsökning (FPPSCA) påvisar resultaten ett avtagande avkastningsförhållande. Redan ersättningen av två SMS med RIS ger en vinst på 13 Mbps, men att öka antalet RIS utöver 16 av 22 ytor ger mindre än 1 Mbps ytterligare vinst, vilket bekräftar att full rekonfigurabilitet är onödig och motiverar sökandet efter en mer kostnadseffektiv mellanlösning. Det andra bidraget föreslår och utvärderar ett självhållbar rekonfigurerbar intelligent yta (ssRIS)-assisterat mmWave-system för IDS, där ssRIS uppnår självhållbarhet genom energiinsamling via ett kodbruksbaserat elementdelningsschema, vilket eliminerar behovet av kablage och extern strömförsörjning. En tvåstegs iterativ algoritm optimerar gemensamt fasskift, användarutrustning (UE)-till-ssRIS-associeringar och tidsallokering. Resultaten visar att ssRIS överträffar SMS med upp till 19,8 Mbps i kompakta miljöer, vilket bekräftar en fördelaktig position inom prestandakostnadsavvägningen, medan täckningsfördelen minskar med ökande driftsättningsavstånd. Det tredje bidraget genomför en genomförbarhetsstudie av ssRIS i varierande scenarier, och analyserar hur elementantalet skalas med sändeffekt, datahastighetsrerav och avbrottsbegränsningar under elementdelning (ES)- och tidsdelning (TS)-scheman. TS gynnas av starkare kanalhärdning under måttliga förhållanden, men dess elementantal växer exponentiellt med insamlingssvårigheten, medan ES endast skalar linjärt, vilket ger större robusthet i utmanande miljöer. Sammantaget ger dessa resultat handlingsbara riktlinjer för praktisk driftsättning av ssRIS.

Link to DiVA