Performance analysis and channel modeling in next-generation intelligent wireless communication systems

Abstract

The ever-increasing demand for higher data-rate communication has driven the development of systems operating at higher frequencies. The increase in data rates tests the limits of mobile-access networks that rely on sub-6 GHz bands, a frequency range with scarce bandwidth resources. Due to this bottleneck, the potential use of frequency bands above 6 GHz for mobile-access communications is currently under investigation. Millimeter-wave signals have already been introduced in the new telecommunication era, providing significantly enhanced bandwidth compared to legacy systems while enabling data rates of up to several Tbps. For this purpose, sub-THz frequencies, i.e., frequencies above 6 GHz, are being extensively studiedfor applications in modern wireless communication systems. The emerging D-band frequency range is considered an ideal candidate for short- and medium-range communications, thus opening the path for novel and sophisticated applications, including ultra-high-speed pico cellular communications and on-body communication systems for health monitoring, among others. In order to enable successful system design for operation in the D-band range, it is critically important to understand the corresponding propagation mechanisms and to develop accurate channel models. This new frequency era introduces several challenges, such as extreme path attenuation and high susceptibility to blockages. The development of new technologies is expected to mitigate some of these issues. A representative example is the development of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS). Such surfaces have the capability to intelligently modify the angle of impinging waves using controllable surface elements that manipulate the surface impedance. Multiple surfaces of this type could be deployed in targeted areas, particularly in dense urban environments, to steer transmitted signals toward the desired base stations, thus enhancing the quality of service in wireless communications. It should be highlighted that relatively fewworks are currently available in the open technical literature addressing channel fading characteristics in the D-band, with or without RIS deployment, and considering different transmission conditions. Within the context of the aforementioned considerations, this PhD thesis aims to investigatechannel fading and performance evaluation in wireless channels with and without RIS assistance for microwave and sub-THz frequencies. Initially, the focus is placed on the performance evaluation of fading channels in the presence of intelligent surfaces below 6 GHz using two different approaches regarding the phase configuration of the RIS elements. Although the fading characteristics and performance evaluation of RIS-assisted channels below 6 GHz with Optimal Phase Shift (OPS) have been extensively studied, the performance evaluation of channels enhanced with Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs) under Random Phase Shift (RPS) requires further investigation. For this purpose, Nakagami-m fading channels operating at approximately 2.4 GHz were considered with two phase configuration designs for the RIS. On the one hand, Random PhaseShift (RPS) was examined, while on the other hand Optimal Phase Shift (OPS) was considered. For both phase configuration cases, single-integral expressions for the outage probability and the bit error rate of binary modulation schemes are derived, which can be efficiently evaluated numerically. In addition, accurate closed-form approximations for the ergodic capacity of the considered system are proposed. For all considered metrics, simple analytical expressions that become tight for large numbers of RIS reflecting elements are also derived. Numerically evaluated results, compared with Monte Carlo simulations, are presented to verify the correctness of the proposed analysis and to demonstrate the impact of various system parameters. Based on the insights obtained for sub-6 GHz frequencies, the analysis is extended to sub-THz frequencies, with emphasis on both small-scale and large-scale fading as well as performance evaluation in the presence of RIS. Specifically, a relatively novel approximation for characterizing signal fading, along with a detailed study of large-scale fading, is presented. In addition, performance analysis and evaluation of fading channels in the presence of Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs) are investigated for sub-THz frequencies, alongside results for well-known performance metricssuch as Ergodic Capacity (EC) and Bit Error Rate (BER). All utilized data are based on measurement campaigns conducted for both Line-of-Sight (LoS) and Non-Line-of-Sight (NLoS) links. Moreover, within the scope of this thesis, a power angular spread analysis is presented, alongwith the evaluation of wireless channel sparsity by employing suitable metrics, namely the Gini Index (GI), the Rician K-factor, and the Root Mean Square (RMS) delay spread. Finally, an approximation of the small-scale fading experienced by channels operating in the 140–145 GHz frequency band is presented for both indoor and outdoor environments. The approximation of the small-scale fading is performed by modeling its first-order statistics, namely the probability density function (PDF) and the cumulative distribution function (CDF) of the signal envelope. The analysis shows that the Pearson Type I distribution provides a good fit to the measured data for the majority of the considered test cases. To further demonstrate the usefulness of the proposed analysis, performance metrics such as ergodic capacity are evaluated for all considered propagation environments while also employingdiversity receivers. Equivalent capacity results obtained through Monte Carlo simulations are also provided to validate the accuracy of the proposed analysis. Overall, several aspects of the sub-THz frequency band, including path loss estimation, angular spread, channel sparsity, and the performance analysis of wireless communication channels with the deployment of RISs, are extensively investigated in this PhD thesis. These results are derived from a wide range of test cases based on raw measurement data.

Η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων, έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα οποία λειτουργούν σε ολοένα και υψηλότερες συχνότητες. Το εύρος ζώνης των τηλεπικοινωνιακών καναλιών, τα οποία λειτουργούν σε συχνότητες μικρότερες των 6-GHz, έχει φτάσει σε επίπεδα κορεσμού. Για την αντιμετώπιση τέτοιων φαινομένων, η χρήση συχνοτήτων με χιλιοστομετρικά μήκη κύματος, έχει ήδη ενσωματωθεί στην λειτουργία σύγχρονων τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, αυξάνοντας σημαντικά το εύρος ζώνης, βελτιώνοντας παράλληλα και το ρυθμό σφαλμάτων των λαμβανόμενων bit. Μελέτες για χρήση των συχνοτήτων αυτών σε "μικρού" και "μεσαίου" εύρους αποστάσεων έχουν ήδη ξεκινήσει, ανοίγοντας το δρόμο για διάφορες εφαρμογές όπως, υπερυψηλής ταχύτητας επικοινωνίες πικοκυψελών ή συστήματα παρακολούθησης της υγείας on-body. Κριτικής σημασίας για την ορθή αξιοποίηση αυτών των συχνοτήτων, είναι η κατανόηση του μηχανισμού διάδοσης των κυμάτων καθώς και η ορθή απόδοση της μοντελοποίησης των ασύρματων καναλιών μέσω διάφορων μαθηματικών μοντέλων. Ορισμένες προκλήσεις που παρουσιάζονται στη νέα αυτή κατηγορία συχνοτήτων είναι, η μεγάλη εξασθένηση του σήματος χώρο, αλλά και η ευαισθησία αυτού στα διάφορα εμπόδια που συναντά κατά τη διάδοση του στο χώρο. Πολλές νέες τεχνολογίες έχουν προταθεί για την αντιμετώπιση των παραπάνω προκλήσεων. Μία από αυτές αποτελεί η τεχνολογία των έξυπνων επιφανειών (RISs), επιφάνειες δηλαδή που έχουν τη δυνατότητα να μεταβάλλουν τη γωνία ανάκλασης των σημάτων, προσαρμόζοντας κατάλληλα τη σύνθετη αντίσταση των στοιχείων τους. Πολλές τέτοιες επιφάνειες θα μπορούσαν να αναπτυχθούν σε αστικές περιοχές κατευθύνοντας το διαδιδόμενο σήμα στον επιθυμητό σταθμό βάσης, παρέχοντας έτσι βελτιωμένη ποιότητα υπηρεσιών. Να αναφέρουμε εδώ ό,τι στη διαθέσιμη βιβλιογραφία υπάρχει σχετικά περιορισμένος αριθμός μελετών που να αφορά στη μοντελοποίηση καναλιών σχετικά με τις διαλείψεις μικρής κλίμακας στην D-μπάντα συχνοτήτων με την παρουσία ή μη έξυπνων επιφανειών. Με βάση τα προαναφερθέντα η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή στοχεύει στη διερεύνηση των διαλείψεων και την αξιολόγηση επίδοσης των ασύρματων καναλιών που χρησιμοποιούν συχνότητες στο εύρος της Sub-THz μπάντας με την παρουσία ή μη έξυπνων επιφανειών. Αρχικά ενώ ο χαρακτηρισμός των διαλείψεων και η αξιολόγηση επίδοσης, καναλιών με έξυπνες επιφάνειες με τη βέλτιστη μετατόπιση φάσης των στοιχείων έχει μελετηθεί εκτενώς, η αξιολόγηση επίδοσης καναλιών με χρήση των επιφανειών αυτών με τυχαία μετατόπιση φάσης, χρειάζεται εκτενέστερη έρευνα. Έτσι προτεραιότητα δόθηκε στη μελέτη της αξιολόγησης επίδοσης των καναλιών συχνότητας μικρότερης των 6 GHz, μεταβάλλοντας τις φάσεις των στοιχείων. Για το σκοπό αυτό, μελετώνται κανάλια συχνότητας 2,45 GHz παρουσία έξυπνων επιφανειών. Τα κανάλια μελετώνται για δύο διαφορετικούς σχεδιασμούς φάσεων. Δηλαδή το κανάλι μεταξύ πομπoύ και δέκτη καθώς και οι επιφάνειες μεταξύ του καναλιού αυτού, προσαρμόζουν τη συνολική τους φάση είτε τυχαία είτε συμφασικά. Για τους δύο αυτούς σχεδιασμούς φάσεων, παρουσιάζουμε ολοκληρωτικές εκφράσεις που υπολογίζονται με ολοκληρώματα και αφορούν την πιθανότητα αποκοπής (outage) και τον ρυθμό σφάλματος bit (BER) δυαδικών σχημάτων διαμόρφωσης, οι οποίες μπορούν να υπολογιστούν αποδοτικά με αριθμητικές μεθόδους. Επιπροσθέτως, προτείνουμε προσεγγίσεις κλειστής μορφής για τον υπολογισμό της εργοδικής χωρητικότητας του συστήματος. Για όλους τους προαναφερθέντες δείκτες επίδοσης, έχουμε επίσης εξάγει αναλυτικές εκφράσεις οι οποίες γίνονται ακριβείς για μεγάλο αριθμό ανακλώμενων στοιχείων. Για την επιβεβαίωση της ορθότητας της προηγούμενης ανάλυσης τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίθηκαν με προσομοιώσεις Monte Carlo αναδεικνύοντας την επίδραση των διαφόρων ρυθμίσεων. Βασιζόμενοι, λοιπόν στα συμπεράσματα τα οποία αποκομίστηκαν για συχνότητες κάτω των 6-GHz, η ανάλυση επεκτείνεται σε συχνότητες της Sub-Thz μπάντας, εμβαθύνοντας σε διαλείψεις μικρής και μεγάλης κλίμακας καθώς όπως προβαίνουμε και στην αξιολόγηση επίδοσης παρουσία ή μη έξυπνων επιφανειών (RIS). Επιπλέον να τονιστεί ότι η αξιολόγηση επίδοσης παρουσιάζεται και για δέκτες πολλαπλών κεραιών που χρησιμοποιούν τεχνικές όπως EGC και MRC. Συγκεκριμένα, μια νέα προσέγγιση για το χαρακτηρισμό της μικρής κλίμακας διαλείψεων του σήματος καθώς και η λεπτομερής ανάλυση των διαλείψεων μεγάλης κλίμακας παρουσιάζονται. Επιπλέον η επίδοση και η λεπτομερής ανάλυση των διαλείψεων με την παρουσία έξυπνων επιφανειών θα εξαχθούν με προσομοιώσεις για τις συγκεκριμένες συχνότητες, ενώ θα εξαχθούν και αποτελέσματα δεικτών επίδοσης όπως η εργοδική χωρητικότητα και η πιθανότητα σφάλματος. Όλα τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν βασίστηκαν σε μετρήσεις πραγματικού χρόνου με ζεύξεις οπτικής ή μη επαφής. Επιπροσθέτως, στα πλαίσια της διατριβής αυτής, η ανάλυση της διασποράς γωνιακής ισχύος όπως και η "διασπορά" του καναλιού μελετήθηκαν. Η διασπορά του καναλιού υπολογίσθηκε με χρήση κατάλληλων μετρητικών δεικτών όπως ο δείκτης GINI, ο RICEAN K-συντελεστής και η ρυθμική μέση τετραγωνική διασπορά καθυστέρησης. Επιπροσθέτως και εμβαθύνοντας στα αποτελέσματα της διατριβής, μια νέα προσέγγιση στατιστικής ανάλυσης για τις διαλείψεις μικρής κλίμακας παρουσιάζεται για περιβάλλοντα εσωτερικού και εξωτερικού χώρου για τη Sub-Thz μπάντα. Η προσέγγιση της στατιστικής ανάλυσης πραγματοποιείται σε όρους πρώτης τάξης στατιστικής, όπως συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας (PDF), της αθροιστικής συνάρτησης κατανομής (CDF) καθώς και της χαρακτηριστικής συνάρτησης (CHF) της περιβάλλου σας του σήματος. Η ανάλυση μας έδειξε ότι η κατανομή Pearson Type Ι περιγράφει ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα στην πλειονότητα των περιπτώσεων. Με σκοπό την ανάδειξη της χρησιμότητας της προηγούμενης ανάλυσης μας, διάφοροι μετρητικοί δείκτες απόδοσης υπολογίστηκαν, όπως η εργοδική χωρητικότητα συμπεριλαμβανομένων και περιπτώσεων χρήσης δεκτών diversity όπως EGC ή MRC. Για την ενίσχυση της ακρίβειας της ανάλυσης μας, συγκριτική ανάλυση του υπολογισμού της χωρητικότητας με χρήση της τεχνικής Monte Carlo πραγματοποιήθηκε. Διάφορα αποτελέσματα στη χιλιοστομετρική ζώνη μήκους κύματος, όπως η εκτίμηση των απωλειών, η ανάλυση της διασποράς γωνιακής ισχύος, η "διασπορά" του καναλιού και η επίδοση των τηλεπικοινωνιακών καναλιών με τη χρήση έξυπνων επιφανειών αναλύθηκαν σε μεγάλο εύρος στο πλαίσιο της διδακτορικής αυτής διατριβής, βασισμένα σε δεδομένα μετρήσεων.