Reconfigurable Intelligent Surfaces for Wireless Communications: Principles, Challenges, and Opportunities

Recently there has been a flurry of research on the use of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) in wireless networks to create smart radio environments. In a smart radio environment, surfaces are capable of manipulating the propagation of incident electromagnetic waves in a programmable manner to actively alter the channel realization, which turns the wireless channel into a controllable system block that can be optimized to improve overall system performance. In this article, we provide a tutorial overview of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) for wireless communications. We describe the working principles of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) and elaborate on different candidate implementations using metasurfaces and reflectarrays. We discuss the channel models suitable for both implementations and examine the feasibility of obtaining accurate channel estimates. Furthermore, we discuss the aspects that differentiate RIS optimization from precoding for traditional MIMO arrays highlighting both the arising challenges and the potential opportunities associated with this emerging technology. Finally, we present numerical results to illustrate the power of an RIS in shaping the key properties of a MIMO channel.Comment: to appear in the IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking (TCCN

Doctor of Philosophy

dissertationThis dissertation explores the design and use of an electromagnetic manipulation system that has been optimized for the dipole-eld model. This system can be used for noncontact manipulation of adjacent magnetic tools and combines the eld strength control of current electromagnetic systems with the analytical modeling of permanent-magnet systems. To design such a system, it is rst necessary to characterize how the shape of the eld source aects the shape of the magnetic eld. The magnetic eld generated by permanent magnets and electromagnets can be modeled, far from the source, using a multipole expansion. The error associated with the multipole expansion is quantied, and it is shown that, as long as the point of interest is 1.5 radii of the smallest sphere that can fully contain the magnetic source, the full expansion will have less than 1% error. If only the dipole term, the rst term in the expansion, is used, then the error is minimized for cylindrical shapes with a diameter-to-length ratio of 4=3 and for rectangular-bars with a cube. Applying the multipole expansion to electromagnets, an omnidirectional electromagnet, comprising three orthogonal solenoids and a spherical core, is designed that has minimal dipole-eld error and equal strength in all directions. Although this magnet can be constructed with any size core, the optimal design contains a spherical core with a diameter that is 60% of the outer dimension of the magnet. The resulting magnet's ability to dextrously control the eld at a point is demonstrated by rotating an endoscopic-pill mockup to drive it though a lumen and roll a permanent-magnet ball though several trajectories. Dipole elds also apply forces on adjacent magnetized objects. The ability to control these forces is demonstrated by performing position control on an orientation-constrained magnetic oat and nally by steering a permanent magnet, which is aligned with the applied dipole eld, around a rose curve

Doctor of Philosophy

dissertationThe wireless radio channel is typically thought of as a means to move information from transmitter to receiver, but the radio channel can also be used to detect changes in the environment of the radio link. This dissertation is focused on the measurements we can make at the physical layer of wireless networks, and how we can use those measurements to obtain information about the locations of transceivers and people. The first contribution of this work is the development and testing of an open source, 802.11b sounder and receiver, which is capable of decoding packets and using them to estimate the channel impulse response (CIR) of a radio link at a fraction of the cost of traditional channel sounders. This receiver improves on previous implementations by performing optimized matched filtering on the field-programmable gate array (FPGA) of the Universal Software Radio Peripheral (USRP), allowing it to operate at full bandwidth. The second contribution of this work is an extensive experimental evaluation of a technology called location distinction, i.e., the ability to identify changes in radio transceiver position, via CIR measurements. Previous location distinction work has focused on single-input single-output (SISO) radio links. We extend this work to the context of multiple-input multiple-output (MIMO) radio links, and study system design trade-offs which affect the performance of MIMO location distinction. The third contribution of this work introduces the "exploiting radio windows" (ERW) attack, in which an attacker outside of a building surreptitiously uses the transmissions of an otherwise secure wireless network inside of the building to infer location information about people inside the building. This is possible because of the relative transparency of external walls to radio transmissions. The final contribution of this dissertation is a feasibility study for building a rapidly deployable radio tomographic (RTI) imaging system for special operations forces (SOF). We show that it is possible to obtain valuable tracking information using as few as 10 radios over a single floor of a typical suburban home, even without precise radio location measurements

Innovative micro-NMR/MRI functionality utilizing flexible electronics and control systems

Das zentrale Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung und Integration von flexibler Elektronik für Mikro-Magnetresonanz (MR)-Anwendungen. Zwei wichtige Anwendungen wurden in der Dissertation behandelt; eine Anwendung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomographie (MRI) und die andere auf dem Gebiet der Kernspinresonanz (NMR). Die MRI-Anwendung konzentriert sich auf die Lösung der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsaspekte von MR-Kathetern. Die NMR-Anwendung stellt einen neuartigen Ansatz zur Steigerung des Durchsatzes bei der NMR-Spektroskopie vor. Der erste Teil der Dissertation behandelt die verschiedenen Technologien die zur Herstellung flexibler Elektronik auf der Mikroskala entwickelt wurden. Die behandelten MR-Anwendungen erfordern die Herstellung von Induktoren, Kondensatoren und Dioden auf flexiblen Substraten. Die erste Technologie, die im Rahmen der Mikrofabrikation behandelt wird, ist das Aufbringen einer leitfähigen Startschicht auf flexiblen Substraten. Es wurden verschiedene Techniken getestet und verglichen. Die entwickelte Technologie ermöglicht die Herstellung einer mehrschichtigen leitfähigen Struktur auf einem flexiblen Substrat (50 $\mu$m Dicke), die sich zum Umwickeln eines schlanken Rohres (>0,5 mm Durchmesser) eignet. Die zweite Methode ist der Tintenstrahldruck von Kondensatoren mit hoher Dichte und niedrigem Verlustkoeffizienten. Zwei dielektrische Tinten auf Polymerbasis wurden synthetisiert, durch die Dispersion von TiO$_2$ und BaTiO$_3$ in Benzocyclobuten (BCB) Polymer. Die im Tintenstrahldruckverfahren hergestellten Kondensatoren zeigen eine relativ hohe Kapazität pro Flächeneinheit von bis zu 69 pFmm$^{-2}$ und erreichen dabei einen Qualitätsfaktor (Q) von etwa 100. Außerdem wurde eine Technik für eine tintenstrahlgedruckte gleichrichtende Schottky-Diode entwickelt. Die letzte behandelte Technologie ist die Galvanisierung der leitenden Startschichten. Die Galvanik ist eine gut erforschte Technologie und ein sehr wichtiger Prozess auf dem Gebiet der Mikrofabrikation. Sie ist jedoch in hohem Maße von der Erfahrung des Bedieners abhängig. Darüber hinaus ist eine präzise Steuerung der Galvanikleistung erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kleiner Strukturen, wobei sich die Pulsgalvanik als ein Verfahren erwiesen hat, das ein hohes Maß an Kontrolle über die abgeschiedene Struktur bietet. In diesem Zusammenhang wurde eine hochflexible Stromquelle auf Basis einer Mikrocontroller-Einheit entwickelt, um Genauigkeit in die Erstellung optimaler Galvanikrezepte zu bringen. Die Stromquelle wurde auf Basis einer modifizierten Howland-Stromquelle (MHCS) unter Verwendung eines Hochleistungs-Operationsverstärkers (OPAMP) aufgebaut. Die Stromquelle wurde validiert und verifiziert, und ihre hohe Leistungsfähigkeit wurde durch die Durchführung einiger schwieriger Anwendungen demonstriert, von denen die wichtigste die Verbesserung der Haftung der im Tintenstrahldruckverfahren gedruckten Startschicht auf flexiblen Substraten ist. Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit interventioneller MRT mittels MR-Katheter. MR-Katheter haben potenziell einen erheblichen Einfluss auf den Bereich der minimalinvasiven medizinischen Eingriffe. Implantierte längliche Übertragungsleiter und Detektorspulen wirken wie eine Antenne und koppeln sich an das MR-Hochfrequenz (HF)-Sendefeld an und machen so den Katheter während des Einsatzes in einem MRT-Scanner sichtbar. Durch diese Kopplung können sich die Leiter jedoch erhitzen, was zu einer gefährlichen Erwärmung des Gewebes führt und eine breite Anwendung dieser Technologie bisher verhindert hat. Ein alternativer Ansatz besteht darin, einen Resonator an der Katheterspitze induktive mit einer Oberflächenspule außerhalb des Körpers zu koppeln. Allerdings könnte sich auch dieser Mikroresonator an der Katheterspitze während der Anregungsphase erwärmen. Außerdem ändert sich die Sichtbarkeit der Katheterspitze, wenn sich die axiale Ausrichtung des Katheters während der Bewegung ändert, und kann verloren gehen, wenn die Magnetfelder des drahtlosen Resonators und der externen Spule orthogonal sind. In diesem Beitrag wird die Abstimmkapazität des Mikrodetektors des Katheters drahtlos über eine Impulsfolgensteuerung gesteuert, die an einen HF-Abstimmkreis gesendet wird, der in eine Detektorspule integriert ist. Der integrierte Schaltkreis erzeugt Gleichstrom aus dem übertragenen HF Signal zur Steuerung der Kapazität aus der Ferne, wodurch ein intelligenter eingebetteter abstimmbarer Detektor an der Katheterspitze entsteht. Während der HF-Übertragung erfolgt die Entkopplung durch eine Feinabstimmung der Detektorbetriebsfrequenz weg von der Larmor-Frequenz. Zusätzlich wird ein neuartiges Detektordesign eingeführt, das auf zwei senkrecht ausgerichteten Mikro-Saddle-Spulen basiert, die eine konstante Sichtbarkeit des Katheters für den gesamten Bereich der axialen Ausrichtungen ohne toten Winkel gewährleisten. Das System wurde experimentell in einem 1T MRT-Scanner verifiziert. Der dritte Teil der Dissertation befasst sich mit dem Durchsatz von NMR-Spektroskopie. Flussbasierte NMR ist eine vielversprechende Technik zur Verbesserung des NMR-Durchsatzes. Eine häufige Herausforderung ist jedoch das relativ große Totvolumen im Schlauch, der den NMR-Detektor speist. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz für vollautomatische NMR-Spektroskopie mit hohem Durchsatz und verbesserter Massensensitivität vorgestellt. Der entwickelte Ansatz wird durch die Nutzung von Mikrofluidik-Technologien in Kombination mit Dünnfilm-Mikro-NMR-Detektoren verwirklicht. Es wurde ein passender NMR-Sensor mit einem mikrofluidischen System entwickelt, das Folgendes umfasst: i) einen Mikro-Sattel-Detektor für die NMR-Spektroskopie und ii) ein Paar Durchflusssensoren, die den NMR-Detektor flankieren und an eine Mikrocontrollereinheit angeschlossen sind. Ein mikrofluidischer Schlauch wird verwendet, um eine Probenserie durch den Sondenkopf zu transportieren, die einzelnen Probenbereiche sind durch eine nicht mischbare Flüssigkeit getrennt, das System erlaubt im Prinzip eine unbegrenzte Anzahl an Proben. Das entwickelte System verfolgt die Position und Geschwindigkeit der Proben in diesem zweiphasigen Fluss und synchronisiert die NMR-Akquisition. Der entwickelte kundenspezifische Sondenkopf ist Plug-and-Play-fähig mit marktüblichen NMR-Systemen. Das System wurde erfolgreich zur Automatisierung von flussbasierten NMR-Messungen in einem 500 MHz NMR-System eingesetzt. Der entwickelte Mikro-NMR-Detektor ermöglicht hochauflösende Spektroskopie mit einer NMR-Empfindlichkeit von 2,18 nmol s$^{1/2}$ bei Betrieb der Durchflusssensoren. Die Durchflusssensoren wiesen eine hohe Empfindlichkeit bis zu einem absoluten Unterschied von 0,2 in der relativen Permittivität auf, was eine Differenzierung zwischen den meisten gängigen Lösungsmitteln ermöglichte. Es wurde gezeigt, dass eine vollautomatische NMR-Spektroskopie von neun verschiedenen 120 $\mu$L Proben innerhalb von 3,6 min oder effektiv 15,3 s pro Probe erreicht werden konnte

A Survey on Subsurface Signal Propagation

Wireless Underground Communication (WUC) is an emerging field that is being developed continuously. It provides secure mechanism of deploying nodes underground which shields them from any outside temperament or harsh weather conditions. This paper works towards introducing WUC and give a detail overview of WUC. It discusses system architecture of WUC along with the anatomy of the underground sensor motes deployed in WUC systems. It also compares Over-the-Air and Underground and highlights the major differences between the both type of channels. Since, UG communication is an evolving field, this paper also presents the evolution of the field along with the components and example UG wireless communication systems. Finally, the current research challenges of the system are presented for further improvement of the WUCs