RIS-Assisted Coverage Enhancement in Millimeter-Wave Cellular Networks

The use of millimeter-wave (mmWave) bandwidth is one key enabler to achieve the high data rates in the fifth-generation (5G) cellular systems. However, mmWave signals suffer from significant path loss due to high directivity and sensitivity to blockages, limiting its adoption within small-scale deployments. To enhance the coverage of mmWave communication in 5G and beyond, it is promising to deploy a large number of reconfigurable intelligent surfaces (RISs) that passively reflect mmWave signals towards desired directions. With this motivation, in this work we study the coverage of an RIS-assisted large-scale mmWave cellular network using stochastic geometry, and derive the peak reflection power expression of an RIS and the downlink signal-to-interference ratio (SIR) coverage expression in closed forms. These analytic results clarify the effectiveness of deploying RISs in the mmWave SIR coverage enhancement, while unveiling the major role of the density ratio between active base stations (BSs) and passive RISs. Furthermore, the results show that deploying passive reflectors is as effective as equipping BSs with more active antennas in the mmWave coverage enhancement. Simulation results confirm the tightness of the closed form expressions, corroborating our major findings based on the derived expressions.Comment: Accepted in IEEE ACCESS, Copyright (c) 2015 IEEE. Personal use of this material is permitted. However, permission to use this material for any other purposes must be obtained from the IEEE by sending a request to [email protected]

Intelligent Reflective Surface Deployment in 6G: A Comprehensive Survey

Intelligent reflecting surfaces (IRSs) are considered a promising technology that can smartly reconfigure the wireless environment to enhance the performance of future wireless networks. However, the deployment of IRSs still faces challenges due to highly dynamic and mobile unmanned aerial vehicle (UAV) enabled wireless environments to achieve higher capacity. This paper sheds light on the different deployment strategies for IRSs in future terrestrial and non-terrestrial networks. Specifically, in this paper, we introduce key theoretical concepts underlying the IRS paradigm and discuss the design aspects related to the deployment of IRSs in 6G networks. We also explore optimization-based IRS deployment techniques to improve system performance in terrestrial and aerial IRSs. Furthermore, we survey model-free reinforcement learning (RL) techniques from the deployment aspect to address the challenges of achieving higher capacity in complex and mobile IRS-assisted UAV wireless systems. Finally, we highlight challenges and future research directions from the deployment aspect of IRSs for improving system performance for the future 6G network.Comment: 16 pages, 3 Figures, 7 table

Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond

[ES] Se espera que las futuras comunicaciones móviles experimenten una revolución técnica que vaya más allá de las velocidades de datos de Gbps y reduzca las latencias de las velocidades de datos a niveles muy cercanos al milisegundo. Se han investigado nuevas tecnologías habilitadoras para lograr estas exigentes especificaciones. Y la utilización de las bandas de ondas milimétricas, donde hay mucho espectro disponible, es una de ellas. Debido a las numerosas dificultades técnicas asociadas a la utilización de esta banda de frecuencias, se necesitan complicados modelos de canal para anticipar las características del canal de radio y evaluar con precisión el rendimiento de los sistemas celulares en milimétricas. En concreto, los modelos de propagación más precisos son los basados en técnicas de trazado de rayos deterministas. Pero estas técnicas tienen el estigma de ser computacionalmente exigentes, y esto dificulta su uso para caracterizar el canal de radio en escenarios interiores complejos y dinámicos. La complejidad de la caracterización de estos escenarios depende en gran medida de la interacción del cuerpo humano con el entorno radioeléctrico, que en las ondas milimétricas suele ser destructiva y muy impredecible. Por otro lado, en los últimos años, la industria de los videojuegos ha desarrollado potentes herramientas para entornos hiperrealistas, donde la mayor parte de los avances en esta emulación de la realidad tienen que ver con el manejo de la luz. Así, los motores gráficos de estas plataformas se han vuelto cada vez más eficientes para manejar grandes volúmenes de información, por lo que son ideales para emular el comportamiento de la propagación de las ondas de radio, así como para reconstruir un escenario interior complejo. Por ello, en esta Tesis se ha aprovechado la capacidad computacional de este tipo de herramientas para evaluar el canal radioeléctrico milimétricas de la forma más eficiente posible. Esta Tesis ofrece unas pautas para optimizar la propagación de la señal en milimétricas en un entorno interior dinámico y complejo, para lo cual se proponen tres objetivos principales. El primer objetivo es evaluar los efectos de dispersión del cuerpo humano cuando interactúa con el canal de propagación. Una vez evaluado, se propuso un modelo matemático y geométrico simplificado para calcular este efecto de forma fiable y rápida. Otro objetivo fue el diseño de un reflector pasivo modular en milimétricas, que optimiza la cobertura en entornos de interior, evitando la interferencia del ser humano en la propagación. Y, por último, se diseñó un sistema de apuntamiento del haz predictivo en tiempo real, para que opere con el sistema de radiación en milimétricas, cuyo objetivo es evitar las pérdidas de propagación causadas por el cuerpo humano en entornos interiores dinámicos y complejos.[CA] S'espera que les futures comunicacions mòbils experimenten una revolució tècnica que vaja més enllà de les velocitats de dades de Gbps i reduïsca les latències de les velocitats de dades a nivells molt pròxims al milisegundo. S'han investigat noves tecnologies habilitadoras per a aconseguir estes exigents especificacions. I la utilització de les bandes d'ones millimètriques, on hi ha molt espectre disponible, és una d'elles. A causa de les nombroses dificultats tècniques associades a la utilització d'esta banda de freqüències, es necessiten complicats models de canal per a anticipar les característiques del canal de ràdio i avaluar amb precisió el rendiment dels sistemes cellulars en millimètriques. En concret, els models de propagació més precisos són els basats en tècniques de traçat de rajos deterministes. Però estes tècniques tenen l'estigma de ser computacionalment exigents, i açò dificulta el seu ús per a caracteritzar el canal de ràdio en escenaris interiors complexos i dinàmics. La complexitat de la caracterització d'estos escenaris depén en gran manera de la interacció del cos humà amb l'entorn radioelèctric, que en les ones millimètriques sol ser destructiva i molt impredicible. D'altra banda, en els últims anys, la indústria dels videojocs ha desenrotllat potents ferramentes per a entorns hiperrealistes, on la major part dels avanços en esta emulació de la realitat tenen a veure amb el maneig de la llum. Així, els motors gràfics d'estes plataformes s'han tornat cada vegada més eficients per a manejar grans volums d'informació, per la qual cosa són ideals per a emular el comportament de la propagació de les ones de ràdio, així com per a reconstruir un escenari interior complex. Per això, en esta Tesi s'ha aprofitat la capacitat computacional d'este tipus de ferramentes per a avaluar el canal radioelèctric millimètriques de la manera més eficient possible. Esta Tesi oferix unes pautes per a optimitzar la propagació del senyal en millimètriques en un entorn interior dinàmic i complex, per a la qual cosa es proposen tres objectius principals. El primer objectiu és avaluar els efectes de dispersió del cos humà quan interactua amb el canal de propagació. Una vegada avaluat, es va proposar un model matemàtic i geomètric simplificat per a calcular este efecte de forma fiable i ràpida. Un altre objectiu va ser el disseny d'un reflector passiu modular en millimètriques, que optimitza la cobertura en entorns d'interior, evitant la interferència del ser humà en la propagació, per a així evitar pèrdues de propagació addicionals. I, finalment, es va dissenyar un sistema d'apuntament del feix predictiu en temps real, perquè opere amb el sistema de radiació en millimètriques, l'objectiu del qual és evitar les pèrdues de propagació causades pel cos humà en entorns interiors dinàmics i complexos.[EN] Future mobile communications are expected to experience a technical revolution that goes beyond Gbps data rates and reduces data rate latencies to levels very close to a millisecond. New enabling technologies have been researched to achieve these demanding specifications. The utilization of mmWave bands, where a lot of spectrum is available, is one of them. Due to the numerous technical difficulties associated with using this frequency band, complicated channel models are necessary to anticipate the radio channel characteristics and to accurately evaluate the performance of cellular systems in mmWave. In particular, the most accurate propagation models are those based on deterministic ray tracing techniques. But these techniques have the stigma of being computationally intensive, and this makes it difficult to use them to characterize the radio channel in complex and dynamic indoor scenarios. The complexity of characterizing these scenarios depends largely on the interaction of the human body with the radio environment, which at mmWaves is often destructive and highly unpredictable. On the other hand, in recent years, the video game industry has developed powerful tools for hyper-realistic environments, where most of the progress in this reality emulation has to do with the handling of light. Therefore, the graphic engines of these platforms have become more and more efficient to handle large volumes of information, becoming ideal to emulate the radio wave propagation behavior, as well as to reconstruct a complex interior scenario. Therefore, in this Thesis one has taken advantage of the computational capacity of this type of tools to evaluate the mmWave radio channel in the most efficient way possible. This Thesis offers some guidelines to optimize the signal propagation in mmWaves in a dynamic and complex indoor environment, for which three main objectives are proposed. The first objective has been to evaluate the scattering effects of the human body when it interacts with the propagation channel. Once evaluated, a simplified mathematical and geometrical model has been proposed to calculate this effect in a reliable and fast way. Another objective has been the design of a modular passive reflector in mmWaves, which optimizes the coverage in indoor environments, avoiding human interference in the propagation, in order to avoid its harmful scattering effects. And finally, a real-time predictive beam steering system has been designed for the mmWaves radiation system, in order to avoid propagation losses caused by the human body in dynamic and complex indoor environments.Romero Peña, JS. (2022). Human Body Scattering Effects at Millimeter Waves Frequencies for Future 5G Systems and Beyond [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19132

IRS-assisted UAV Communications: A Comprehensive Review

Intelligent reflecting surface (IRS) can smartly adjust the wavefronts in terms of phase, frequency, amplitude and polarization via passive reflections and without any need of radio frequency (RF) chains. It is envisaged as an emerging technology which can change wireless communication to improve both energy and spectrum efficiencies with low energy consumption and low cost. It can intelligently configure the wireless channels through a massive number of cost effective passive reflecting elements to improve the system performance. Similarly, unmanned aerial vehicle (UAV) communication has gained a viable attention due to flexible deployment, high mobility and ease of integration with several technologies. However, UAV communication is prone to security issues and obstructions in real-time applications. Recently, it is foreseen that UAV and IRS both can integrate together to attain unparalleled capabilities in difficult scenarios. Both technologies can ensure improved performance through proactively altering the wireless propagation using smart signal reflections and maneuver control in three dimensional (3D) space. IRS can be integrated in both aerial and terrene environments to reap the benefits of smart reflections. This study briefly discusses UAV communication, IRS and focuses on IRS-assisted UAC communications. It surveys the existing literature on this emerging research topic and highlights several promising technologies which can be implemented in IRS-assisted UAV communication. This study also presents several application scenarios and open research challenges. This study goes one step further to elaborate research opportunities to design and optimize wireless systems with low energy footprint and at low cost. Finally, we shed some light on future research aspects for IRS-assisted UAV communication