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Título: Agrupamento de usuários e otimização da reflexão baseados em informações estatísticas de canal para sistemas de comunicação multiusuários auxiliados por superfícies inteligentes reconfiguráveis
Título(s) alternativo(s): User clustering and reflection optimization based on statistical channel information for multi-user communication systems aided by reconfigurable intelligent surfaces
Autor(es): Sega, Pedro Lucas Teixeira
Orientador(es): Marinello Filho, José Carlos
Palavras-chave: Sistemas de controle digital
Sistemas de comunicação sem fio
Sistemas de energia elétrica
Digital control systems
Wireless communication systems
Electric power systems - Control
Data do documento: 21-Mai-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: SEGA, Pedro Lucas Teixeira. Agrupamento de usuários e otimização da reflexão baseados em informações estatísticas de canal para sistemas de comunicação multiusuários auxiliados por superfícies inteligentes reconfiguráveis. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025.
Resumo: Superfícies Inteligentes Reconfiguráveis (RISS) são vistas como uma tecnologia chave para aprimorar os sistemas de comunicação das gerações futuras. O ganho de desempenho proporcionado pela RIS é bem conhecido na literatura; contudo, a maioria dos autores assume conhecimento pleno do canal sem fio, o que implica em uma grande sobrecarga de treinamento da rede. Além disso, o cenário usual de aplicação prevê que os coeficientes de reflexão sejam estimados na estação base e enviados ao controlador da RIS por meio de um link de controle sem fio com taxa de dados limitada, o que pode não ser suficiente para a transmissão de todos os coeficientes de reflexão dentro de um intervalo de coerência do canal. A não idealidade do link de controle introduz restrições no tempo de atualização da RIS, corroboradas por protótipos cujos tempos de reconfiguração apresentam valores não negligenciáveis e que precisam ser considerados para assegurar o sincronismo do sistema. Um cenário promissor diante das limitações impostas aponta para técnicas de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA), adotando uma mesma configuração dos coeficientes de reflexão para um determinado conjunto de usuários multiplexados temporalmente, em conjunto com os coeficientes de reflexão baseados em informações estatísticas de estado de canal, que permanecem válidas por um maior intervalo de tempo e frequência. Nesse contexto, é proposto um método heurístico de agrupamento de usuários e de projeto de mudança de fase baseado unicamente nas necessidades dos usuários, utilizando informações estatísticas de estado de canal. Para um cenário em que cada usuário é atendido de forma exclusiva por slot TDMA, sem interferência multiusuário, os resultados de desempenho indicam a viabilidade do algoritmo proposto. Ao estender a metodologia proposta para cenários com múltiplos usuários atendidos simultaneamente em um mesmo slot TDMA, as métricas de desempenho evidenciaram uma limitação na operação da RIS em ambientes multiusuário. A abordagem adotada não foi capaz de compensar adequadamente os efeitos da interferência entre usuários nem as restrições impostas pelo compartilhamento de recursos. Os resultados indicam que a utilização eficiente da RIS requer esquemas de alocação do recurso temporal, de forma a evitar o atendimento simultâneo de múltiplos usuários.
Abstract: Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS) are regarded as a key technology for enhancing the communication systems of future generations. The performance gains provided by RIS are well established in the literature; however, most authors assume full knowledge of the wireless channel, which implies a significant network training overhead. Furthermore, the typical deployment scenario assumes that the reflection coefficients are estimated at the base station and transmitted to the RIS controller via a wireless control link with limited data rate, which may not be sufficient to convey all coefficients within the channel coherence interval. The non-ideal nature of the control link imposes constraints on the RIS update rate, as confirmed by prototy- pes whose reconfiguration times are non-negligible and must be considered to ensure system synchronization. A promising scenario under these imposed limitations involves time-division multiple access (TDMA) techniques, whereby a fixed configuration of the reflection coefficients is applied to a given set of temporally multiplexed users, along with coefficients based on statistical channel state information, which remain valid over longer time and frequency intervals. In this context, a heuristic method for user clustering and phase shift design is proposed, relying solely on users' requirements and using statistical channel state information. For a scenario in which each user is served exclusively in a TDMA slot, with no multiuser interference, the performance results indicate the feasibility of the proposed algorithm. When the methodology is extended to scenarios with multiple users served simultaneously within the same TDMA slot, the performance metrics reveal a limitation in RIS operation in multiuser environments. The adopted approach was not able to adequately compensate for the interference effects between users nor for the constraints imposed by resource sharing. The results suggest that efficient use of RIS requires time resource allocation schemes to avoid the simultaneous service of multiple users.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/37271
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