توصيفگر ها :
تخصيص المانهاي RIS , تداخل ناشي از المانهاي غيرانتخابي , سطوح هوشمند قابل تنظيم مجدد , شبكههاي ارتباط بيسيم بدونسلول , كارايي طيف مجموع قابل دستيابي , همبستگي فضايي
چكيده فارسي :
بهطور كلي در شبكههاي ارتباط بيسيم نسل ششم، دستيابي به اهداف بنياديني از جمله ظرفيت سيستم بالاتر، نرخ ارسال داده بالاتر، تاخير كمتر، امنيت بالاتر و كيفيت سرويس بالاتر، در مقايسه با شبكههاي بيسيم نسل پنجم مدنظر قرار خواهدگرفت. لازمه دستيابي به چنين اهدافي تغيير ساختار شبكه مورد انتظار و استفاده از فنآوريهاي نوظهور از جمله هوش مصنوعي، مخابره در رنج تراهرتز، مخابرات بدون سلول، استفاده از سطوح هوشمند قابل پيكربندي مجدد (RIS) و ... ميباشند كه كيفيت مورد انتظار خدمات دريافتي كاربران در مخابرات نسل ششم را محقق ميكنند. در اين رساله، هدف ارائه مدلي نزديك به واقعيت جهت پيادهسازي شبكههاي ارتباط بيسيم بدون سلول در نسل ششم ميباشد بهنحويكه در آن با درنظرگرفتن ضرورت هوشمند بودن اين شبكهها، از سطوح هوشمند RIS جهت بهبود عملكرد اين شبكهها استفاده شود تا امكان دستيابي به ميزان كارايي طيفي مجموع بالاتر و پوششدهي گستردهتر در مقايسه با شبكههاي ارتباط بيسيم سلولي موجود ميسر شود. به اين منظور، ابتدا به بررسي ساختار شبكه بدون سلول در حضور يك كاربر و يك RIS پرداخته ميشود. نشان داده ميشود كه همانند شبكههاي سلولي، در حالت تك كاربره استفاده از پيشكدكننده بيشينه نسبت انتقال، بهينه خواهد بود. سپس مسأله در حالت چند كاربره مورد بررسي قرار گرفته و تاثير مثبت دستهبندي المانهاي RIS و تخصيص مناسب آنها به نقاط دسترسي موجود در محيط بهمنظور بهبود كارايي طيفي مجموع قابل دستيابي در كاربران بررسي ميشود. همچنين بهمنظور ايجاد پرتو باريكتر متناظر با هر كاربر، در مسأله بهينهسازي پيشنهادي، قابليت اختصاص بهينه المانهاي RIS متناظر با هريك از كاربران نيز لحاظ ميشود. بهمنظور دستيابي به اين هدف، در اين رساله يك روش رياضي تركيبي براي تخصيص بهينه المانهاي مربوط به RIS هاي موجود در اين شبكهها پيشنهاد ميشود. در رويكرد پيشنهادي، با دستهبندي المانهاي RIS و تخصيص توامان آنها هم به نقاط دسترسي و هم به كاربران، امكان ايجاد پرتوهاي باريكتر و دستيابي به كارايي طيفي مجموع بالاتر فراهم شده و به اين ترتيب، ويژگيهاي سطوح RIS از جنبه جديدي بررسي ميشود. روش حل مساله پيشنهادي شامل بهينهسازي توامان شكلدهي ديجيتال پرتو در نقاط دسترسي، شكلدهي آنالوگ پرتو در RIS ها، تخصيص مناسب المانهاي RIS به كاربران، و تخصيص مناسب المانهاي RIS به نقاط دسترسي است. روش پيشنهادي، چالش مساله غيرمحدب آميخته به اعداد صحيح را از طريق روش تركيبي شامل تكنيكهاي برنامهنويسي كسري و بازپخت شبيهسازي شده بررسي ميكند. براين اساس براي اولين بار، عملكرد سه روش تخصيص المانهاي RIS مقايسه ميشود: تخصيص فقط به نقاط دسترسي، تخصيص فقط به كاربران، و تخصيص توامان هم به نقاط دسترسي و هم به كاربران. علاوهبراين، در اين رساله تأثير تداخل ناشي از المانهاي غيرانتخابي بر تخصيص بهينه المانهاي RIS ها به نقاط دسترسي و كاربران بررسي ميشود. همچنين بهمنظور ارائه مدلي نزديك به واقعيت، همبستگيهاي فضايي بين آنتنهاي AP و ميان المانهاي RIS نيز در نظر گرفته ميشود. نتايج شبيهسازي نشان ميدهد كه روش پيشنهادي تخصيص المان در شبكههاي ارتباط بيسيم بدون سلول مبتني بر RIS، منجر به دستيابي به ميزان كارايي طيفي مجموع بالاتر نسبت به روشهاي مرسوم (بدون درنظر گرفتن دستهبندي و تخصيص المانهاي RIS ها) در شرايط مختلف مدل كانال ميشود. اين ميزان بهبود نسبي براي حالتيكه كاربران نزديك به RIS هستند، تا ميزان 42% ميرسد. همچنين تحليلها نشان ميدهد كه تخصيص بهينه المانهاي RIS صرفاً به تجهيزات دورتر (نقاط دسترسي يا كاربران)، علاوه بر كاهش ميزان پيچيدگي، عملكردي نزديك به بهينه بههمراه خواهد داشت. درادامه اين رساله، مدل واقعيتري از شبكههاي ارتباط بيسيم بدون سلول مبتني بر RIS ها را درنظر ميگيريم كه در آن از RIS هاي چندوجهي بهنحويكه المانهاي متناظر صفحات آنها علاوه بر انعكاس، امكان انتقال سيگنال بين يكديگر را نيز دارند، استفاده ميشود. در اين نوع RIS ها، ماتريس ضرايب انعكاس غيرقطري است و از آنها تحت عنوان RIS هاي چندوجهي فرا قطري با قابليت همزمان انتقال و انعكاس ياد ميشود. نتايج حاصل از شبيهسازي پس از حل مساله جديد با روشي مبتني بر برنامهنويسي كسري و جستجوي دوبخشي، نشاندهنده تاثير مثبت بهكارگيري اين نوع RIS ها بر روي ميزان كارايي طيفي مجموع قابل دستيابي ميباشد.
چكيده انگليسي :
In general, 6G wireless communication networks aim to achieve fundamental goals such as higher system capacity, increased data transmission rates, reduced latency, enhanced security, and superior quality of service compared to 5G wireless networks. Achieving these objectives necessitates modifications to the existing network architecture and the integration of emerging technologies, including artificial intelligence, terahertz communication, cell-free communications, and reconfigurable intelligent surfaces (RISs), which collectively contribute to delivering the anticipated quality of service in 6G telecommunications. This dissertation presents a practical model for implementing 6G cell-free wireless communication networks (CFWCN), focusing on the integration of RIS to enhance network intelligence and performance. The proposed framework aims to achieve superior spectral efficiency and coverage compared to existing cellular networks through optimized RIS deployment and control. The research methodology follows a systematic approach, beginning with a fundamental analysis of single-user scenarios involving one RIS. This investigation reveals that employing maximum ratio transmission (MRT) precoding achieves optimal performance in such configurations, similar to traditional cellular networks. Building upon these foundational insights, the study extends to multi-user environments, where the classification and strategic association of RIS elements to environmental access points (APs) emerges as a crucial factor in maximizing sum spectral efficiency (SSE). Furthermore, the optimization framework incorporates beamforming considerations, enabling the precise association of RIS elements to individual users while maintaining optimal coverage patterns. In order to achieve this goal, this dissertation presents a novel hybrid mathematical framework for optimizing RIS element associations in CFWCN. The approach jointly optimizes RIS elements’ associations with both APs and user equipment (UEs), addressing a previously unexplored aspect of RIS integration. The methodology addresses the challenge of a mixed-integer non-convex problem through a combination of fractional programming (FP) and simulated annealing (SA) techniques. The framework comprehensively optimizes multiple parameters: digital beamforming at APs, analog beamforming at RISs, and RIS element associations with both APs and UEs. In this work, we also compare, for the first time, the performance of three elements association modes: association only with APs, association only with UEs, and joint association with both APs and UEs. The model accounts for non-selective elements interference (NSEI) and incorporates spatial correlations between AP antennas and RIS elements. Simulation results demonstrate significant improvements, particularly showing a 42% increase in sum spectral efficiency when UEs are proximal to RISs. To implement our proposed model effectively, we incorporated a multi-sector beyond simultaneously transmitting and reflecting RIS (MS BD STAR RIS) into the CFWCN network. This advanced technology leading to superior performance metrics compared to traditional RIS-based networks.
