Resource management in networks with intelligent metasurfaces

Abstract

Reconfigurable Intelligent Surfaces (RISs) are a promising physical-layer technology for Beyond-5G/6G, enabling Programmable Wireless Environments (PWEs) in which the propagation medium becomes software controlled. However, translating RIS potential into deployable network infrastructure requires solving three tightly coupled resource-management challenges: (i) how to compile RIS configuration codebooks with sufficient electromagnetic (EM) fidelity at acceptable cost, (ii) how to share a single RIS among concurrent users under operator policies with millisecond-level control latency, and (iii) how to coordinate multiple RIS units at the network level while maintaining tiered fairness under congestion. This thesis advances RIS operational maturity by developing a coherent, lifecycle-consistent framework that connects manufacturing-time computation of physics-consistent configurations to operating-time selection, sharing, and orchestration. At the manufacturing (offline) phase, the thesis adopts a codebook paradigm: for each supported macroscopic function, configurations are computed via EM-aware optimization and stored for fast retrieval during operation. A central contribution is a sequence of physics-informed compilation tools that progressively raise fidelity and practicality, explicitly accounting for near-field operation, mutual coupling, reflections, and energy redistribution beyond the focal region. The resulting pipeline demonstrates that extracting and exploiting physical structure (e.g., correlated element responses and staged refinement) can reduce optimization cost by orders of magnitude without compromising EM consistency. The thesis further addresses scalability beyond the “optimize-per-location” paradigm by introducing a sparse 3D sampling and compression strategy: physics-consistent configurations are generated at representative spatial samples, then compressed and organized into a compact, searchable representation that supports bounded, predictable online inference complexity while maintaining near-optimal signal-to-noise ratio (SNR). At the operating (online) phase, the thesis formalizes an RIS as a shareable network resource hosted by macroscopic EM functions, and introduces a resource-slice notion that links multi-user efficiency to the deviation between the shared configuration and each user’s single-user optimum. Building on this abstraction, it develops a practical sharing mechanism based on multiplexing precompiled codebook entries rather than repeated channel estimation and iterative online optimization. This approach enables concurrent multi-user service with low latency, while supporting operator-defined differentiation (e.g., pricing tiers) and predictable performance trade-offs. The thesis validates the deviation–performance link analytically in both far-field steering and near-field focusing, and corroborates it with emulations and real testbed measurements, showing that multiplexing can match or outperform established sharing approaches (e.g., segmentation and time division) in both efficiency and fairness, while remaining computationally lightweight. To scale from single-surface control to multi-RIS PWEs, the thesis introduces a system-level framework that combines node-level sharing with priority-aware, congestion-pricing routing on an RIS network graph. This enables end-to-end fairness enforcement across cascaded RIS links, ensuring that tier differentiation remains stable when multiple RIS units and congested paths interact. The framework includes a fairness mechanism that enforces an operator-defined efficiency floor while maintaining proportionality to user priority weights. The resulting network behavior remains robust under increasing user densities and varying RIS counts, with practical runtime and modest memory footprint. Finally, the thesis shows that codebook multiplexing supports PWE-native services beyond LoS restoration, focusing on proactive covert communications. It introduces an RF-fencing service that partitions the angular or spatial domain into friendly delivery zones and hostile suppression zones, and develops a controller that synthesizes the required response by combining manufacturing-time EM-consistent codebook entries with lightweight online refinement. Comprehensive evaluations across THz and mmWave far-field scenarios demonstrate strong suppression in hostile sectors while preserving near-baseline performance in intended service sectors, and near-field studies demonstrate the creation of highly localized “quiet zones” in indoor and outdoor environments. These results highlight that while densification can often approximate coverage restoration, intentional exposure control—covertness, quiet zones, and proactive suppression—benefits directly from coordinated multi-RIS programmability. Overall, this thesis establishes a unified perspective on RIS resource management across compilation, sharing, and network orchestration. By grounding control in EM consistency while enforcing policy-driven fairness with bounded online complexity, it provides an architecture-consistent path toward practical PWEs for B5G/6G networks.

Οι Επαναδιαμορφώσιμες Ευφυείς Επιφάνειες (Reconfigurable Intelligent Surfaces – RIS) αποτελούν μία από τις πιο υποσχόμενες τεχνολογίες για δίκτυα B5G/6G, επειδή μετατρέπουν το περιβάλλον διάδοσης από «παθητικό» μέσο σε προγραμματιζόμενη υποδομή. Στο πλαίσιο των Programmable Wireless Environments (PWEs), τοίχοι, προσόψεις και επιφάνειες επενδύονται με επαναδιαμορφώσιμες μονάδες ώστε η ηλεκτρομαγνητική (ΗΜ) διάδοση να ελέγχεται βέλτιστα με γνώμονα τις ανάγκες του δικτύου: να ενισχύεται προς τους επιθυμητούς δέκτες, να περιορίζεται σε ανεπιθύμητες κατευθύνσεις, να ανακατανέμεται χωρικά, ή να καταστέλλεται σε συγκεκριμένες ζώνες. Παρά την εκτεταμένη βιβλιογραφία, το επίπεδο ωρίμανσης τεχνικών λύσεων ώστε να καταστεί εφικτή η χρήση των RIS μέσα σε ρεαλιστικά δίκτυα είναι αναντίστοιχα χαμηλό με τα οφέλη που μπορεί να έχει. Οι βασικές προκλήσεις μπορούν να στοιχειοθετηθούν σε τρίες άξονες:το πώς παράγονται οι ρυθμίσεις των RISs ώστε να επιτυγχάνεται η βέλτιστη ΗΜ απόκριση (codebook compilation), το πώς μοιράζεται μία επιφάνεια από πολλούς χρήστες σε πραγματικό χρόνο, και το πώς συντονίζονται πολλά RIS σε ένα δίκτυο ώστε να εξασφαλίζεται δικαιοσύνη (fairness) υπό συμφόρηση και πολιτικές παρόχου. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει αυτά τα ζητήματα με ενιαία λογική κύκλου ζωής, συνδέοντας τη φάση κατασκευής/εκπαίδευσης (offline) με τη φάση λειτουργίας (online). Στη φάση κατασκευής, η διατριβή υιοθετεί το παράδειγμα του κωδικοβιβλίου: για ένα σύνολο μακροσκοπικών ΗΜ λειτουργιών και πιθανών θέσεων του χρήστη, υπολογίζονται εκ των προτέρων ρυθμίσεις της επιφάνειας και αποθηκεύονται ώστε η λειτουργία να βασίζεται σε ταχεία ανάκτηση και ελαφριά προσαρμογή, αντί για βαριά επαναβελτιστοποίηση. Το κρίσιμο σημείο εδώ είναι ότι η βέλτιστη ρύθμιση RIS δεν καθορίζεται μόνο από ιδανικά μοντέλα γεωμετρικής οπτικής, αλλά λαμβάνονται υπόψη ΗΜ φαινόμενα που υπάρχουν σε μία πραγματική διάδοση όπως περίθλαση πεπερασμένου μεγέθους, αμοιβαία σύζευξη στοιχείων, και ανακλάσεις/πολλαπλές διαδρομές του περιβάλλοντος. Η διατριβή αναπτύσσει μία φυσικά ενημερωμένη διαδικασία κατασκευής του κωδικοβιβλίου που ενσωματώνει αυτά τα φαινόμενα και αξιοποιεί τη συμπεριφορά τους, ώστε να επιταχύνει τη σύγκλιση και να εξάγει κατάλληλα συμπεράσματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Η βελτιστοποίηση δεν εκτελείται απλά αλλά, κατά την διάρκειά της, εξάγεται πληροφορία για το πόσο επηρεάζει κάθε στοιχείο την επιθυμητή απόκριση και ποια σύνολα στοιχείων εμφανίζουν ισχυρή συσχέτιση ως προς τη μακροσκοπική συμπεριφορά. Παράλληλα, όπως είναι προφανές, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί βελτιστοποίηση για κάθε πιθανή θέση του χρήστη στον τρισδιάστατο χώρο. Η διατριβή δείχνει ότι η λύση είναι να εκτελεστεί φυσικά συνεπής βελτιστοποίηση σε αραιό, αντιπροσωπευτικό δειγματοληπτικό πλέγμα του χώρου, και στη συνέχεια να συμπιεστούν οι ρυθμίσεις αξιοποιώντας την ενδογενή πλεονασματικότητα που προκύπτει όταν διαφορετικές θέσεις οδηγούν σε παρόμοιες ΗΜ αποκρίσεις. Η online επιλογή περιορίζεται σε μικρό, σχετικό υποσύνολο υποψήφιων λύσεων και συνεπώς αποκτά οριοθετημένη, προβλέψιμη πολυπλοκότητα, ενώ η απόδοση παραμένει κοντά στη βέλτιστη. Στη φάση λειτουργίας, το βασικό βήμα της διατριβής είναι η τυπική θεμελίωση του RIS ως δικτυακού πόρου. Μία μονάδα RIS μπορεί να εξυπηρετεί πολλαπλές μακροσκοπικές ΗΜ λειτουργίες και, όταν αυτές συνυπάρχουν, η αποδοτικότητα της καθεμιάς μειώνεται. Η διατριβή εισάγει την έννοια του «τμήματος πόρου» (resource slice) ως λόγο της αποδοτικότητας υπό συνύπαρξη προς την αποδοτικότητα όταν η λειτουργία εξυπηρετείται μόνη της. Το πρακτικό και ταυτόχρονα βαθιά φυσικό συμπέρασμα είναι ότι η υποβάθμιση στην απόδοση συσχετίζεται ισχυρά με την απόκλιση της κοινής ρύθμισης από την ατομικά βέλτιστη ρύθμιση του χρήστη. Η διατριβή στηρίζει αυτόν τον δεσμό αναλυτικά τόσο σε far-field steering όσο και σε near-field focusing, όπου η φασική απόκλιση μεταφράζεται σε μη-συνεκτικό άθροισμα συνεισφορών και άρα σε μειωμένο κέρδος/πεδίο στον στόχο. Στη συνέχεια, επιβεβαιώνεται εμπειρικά ότι η απόκλιση αυτή μπορεί να λειτουργήσει για τον υπολογισμό μιας γρήγορης εκτίμησης της αποδοτικότητας των χρηστών όταν εξυπηρετούνται από το ίδιο RIS. Αυτό καθιστά εφικτή μια πρακτική στρατηγική πολυχρηστικής εξυπηρέτησης: αντί για τμηματοποίηση του RIS (segmentation) ή κυκλική εξυπηρέτηση μέσω χρόνου (TDMA), η κοινή ρύθμιση προκύπτει από σύνθεση/πολυπλεξία προϋπολογισμένων καταχωρήσεων του κωδικοβιβλίου. Η διατριβή δείχνει ότι αυτή η προσέγγιση προσφέρει σταθερή, χαμηλής καθυστέρησης λειτουργία και συγκρίσιμη ή ανώτερη μέση απόδοση, ενώ μειώνει φαινόμενα ακραίας αδικίας που μπορούν να εμφανιστούν όταν κάποιοι χρήστες «χάνουν» μεγάλο μέρος του RIS λόγω κατανομής σε υπο-πάνελ ή χρονικά παράθυρα. Πέρα από την ισότιμη εξυπηρέτηση, η εργασία ενσωματώνει πολιτικές παρόχου και επίπεδα υπηρεσίας: η δικαιοσύνη δεν αντιμετωπίζεται ως απόλυτη ισότητα, αλλά ως ελεγχόμενη διαφοροποίηση, όπου οι χρήστες υψηλότερης βαθμίδας πρέπει να διατηρούν αναλογικά καλύτερη απόδοση. Η μετάβαση από ένα μεμονωμένο RIS σε δίκτυα PWEs με πολλά RIS απαιτεί επιπλέον έλεγχο σε επίπεδο δρομολόγησης και συμφόρησης. Η διατριβή μοντελοποιεί το RIS-enabled δίκτυο ως γράφο, όπου κόμβοι είναι οι RIS μονάδες και ακμές συνδέουν ζεύγη με κατάλληλες συνθήκες (π.χ. LoS εντός ορίου). Σε αυτό το πλαίσιο, η επιλογή διαδρομής δεν μπορεί να είναι μόνο γεωμετρική (ελάχιστη απόσταση), διότι οι αποφάσεις πολλών χρηστών δημιουργούν συμφόρηση σε συγκεκριμένες ακμές/κόμβους, και η τοπική κοινή ρύθμιση σε ένα RIS επηρεάζεται από το ποιοι χρήστες είναι συνδεδεμένοι σε αυτό. Η διατριβή εισάγει έναν μηχανισμό επιλογής διαδρομής που συνδυάζει το φυσικό κόστος (απόσταση/ποινή διαδοχικών ανακλάσεων) με όρους συμφόρησης και όρους προτεραιότητας που υλοποιούν την πολιτική παρόχου, οδηγώντας σε κατανομές όπου οι χρήστες υψηλότερης βαθμίδας τείνουν να λαμβάνουν μικρότερες ή λιγότερο συμφoρημένες διαδρομές, ενώ οι χαμηλότερες βαθμίδες εκτρέπονται προς φθηνότερους/λιγότερο φορτισμένους πόρους. Παράλληλα, εισάγεται ο κατάλληλος μηχανισμός δικαιοσύνης που επιβάλλει ελάχιστο επίπεδο αποδοτικότητας για όλους, ώστε να αποφεύγονται περιπτώσεις πολύ χαμηλής απόδοσης για χρήστες χαμηλής προτεραιότητας υπό συνθήκες υψηλής πυκνότητας του δικτύου. Η αξιολόγηση σε σενάρια με δυαδικές ρυθμίσεις RIS (περιορισμός ιδιαίτερα απαιτητικός για πολυπλεξία) δείχνει ότι η προσέγγιση διατηρεί υψηλά επίπεδα συνολικής δικαιοσύνης ακόμη και όταν αυξάνεται ο λόγος χρηστών προς RIS μονάδες, ενώ οι χρόνοι εκτέλεσης και η κατανάλωση μνήμης παραμένουν πρακτικοί για λειτουργία σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Πέρα από το κλασικό σενάριο «αποκατάστασης οπτικής επαφής», η διατριβή αναδεικνύει ότι η πραγματική προστιθέμενη αξία των PWEs εμφανίζεται σε υπηρεσίες όπου μπορούν να προσθώσουν στο δίκτυο δυνατότητες ελέγχου και προστασίας της πληροφορίας, κάτι που δεν επιτυγχάνεται με απλή πυκνοποίηση σταθμών βάσης ή πρόσθετα σημεία πρόσβασης. Σε αυτό το πνεύμα, εισάγεται η έννοια του RF-fencing ως υπηρεσία προληπτικής μυστικότητας/ασφάλειας: το πεδίο διάδοσης διαχωρίζεται σε φιλικές περιοχές μετάδοσης του σήματος και εχθρικές περιοχές καταστολής, με στόχο ταυτόχρονα να διατηρείται ποιοτική σύνδεση στους νόμιμους δέκτες και να ελαχιστοποιείται η ακτινοβολία προς δυνητικούς υποκλοπείς/παρεμβολείς. Η υλοποίηση βασίζεται σε σύνθεση προϋπολογισμένων, ΗΜ-συνεπών καταχωρήσεων κωδικοβιβλίου που αφορούν σενάρια beam steering, και σε ελαφριά online βελτιστοποίηση που διορθώνει μικρές αποκλίσεις χωρίς να απαιτείται βαριά επαναβελτιστοποίηση. Η διατριβή τεκμηριώνει μέσω εκτεταμένων εξομοιώσεων σε mmWave και THz ότι επιτυγχάνεται ισχυρή καταστολή σε ανεπιθύμητες κατευθύνσεις με μικρές απώλειες στις επιθυμητές περιοχές εξυπηρέτησης, ακόμη και όταν οι περιοχές-στόχοι βρίσκονται κοντά γωνιακά ή όταν οι απαιτήσεις καταστολής είναι πολλαπλές. Επιπλέον, σε near-field περιβάλλοντα η υπηρεσία επεκτείνεται στη δημιουργία αυστηρά τοπικών «ήσυχων ζωνών» (quiet zones) σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους, όπου η ΗΜ ενέργεια καταστέλλεται εντός μιας καθορισμένης χωρικής περιοχής ενώ το υπόλοιπο πεδίο παραμένει ουσιαστικά ανεπηρέαστο. Αυτό αποδεικνύει ότι η προγραμματιζόμενη διάδοση μπορεί να προσφέρει χωρική «απομόνωση» με έλεγχο, ανοίγοντας δρόμους για υπηρεσίες ασφάλειας και ιδιωτικότητας που είναι εγγενείς στα PWEs.