Novel over-the air methods and practical approaches for reconfigurable intelligent surfaces system designs and analyses

Abstract

The rapid evolution of wireless communication networks towards 6G and beyond requires innovative solutions to enhance spectral efficiency, improve system reliability, and manage the growing complexity of modern communication systems. This thesis explores the integration of reconfigurable intelligent surfaces (RIS) with communication systems to address fundamental challenges in wireless networks, such as challenges in the channel, overall system efficiency, system scalability, practicality and more. By leveraging RIS technology, the wireless propagation environment can be dynamically reconfigured to optimize signal transmission, mitigate interference, and enhance network performance. This thesis presents novel over-the-air (OTA) approaches to RIS-aided communication systems, considering both passive and active RIS architectures as well as their practical implications in real-world deployments. Chapter 2 investigates an virtual OTA equalization technique enabled by RIS, demonstrating how RIS phase alignment can effectively eliminate inter-symbol interference (ISI) and convert frequency-selective fading channels into frequency-flat channels. Chapter 3 includes a study proposing RIS-aided uplink non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes, optimizing resource allocation and improving outage probability performance for two users. Chapter 4 introduces a hybrid RIS architecture for OTA index modulation (IM), integrating passive and active RIS elements to achieve superior spectral efficiency and reduced detection complexity. Chapter 5 focuses on network-independent RIS architectures, proposing a user-controlled RIS system that enhances practicality, signal quality and energy efficiency in a simple and practical manner without relying on centralized network control. Chapter 6 discusses RIS identification techniques in mobile networks, addressing critical challenges related to RIS security, authentication, and interference mitigation, introducing a new and important concept for RIS deployment to the literature. Chapter 7 presents a power-differentiated dual-code index modulation (RIS-PD-DCIM) scheme that improves spectral efficiency and performance through optimal RIS partitioning strategies. The contributions of this thesis provide a comprehensive framework for RIS-aided communication systems, addressing key limitations in existing wireless technologies and paving the way for the seamless integration of RIS into 6G networks. The proposed methodologies and system models demonstrate the potential of RIS to revolutionize wireless communications by offering enhanced system designs, improved spectral and energy efficiency, and robust performance in dynamic environments. These findings contribute to the ongoing efforts in the research community to develop practical, scalable, and intelligent wireless networks for the future.Kablosuz iletişim ağlarının 6G ve ötesine doğru hızla evrilmesi, spektral verimliliğin artırılması, sistem güvenilirliğinin iyileştirilmesi ve modern iletişim sistemlerinin giderek artan karmaşıklığının yönetilmesi için yenilikçi çözümler gerektirmektedir. Bu tez, kablosuz ağlarda karşılaşılan temel zorlukları ele almak amacıyla yeniden yapılandırılabilir akıllı yüzeylerin (RIS) iletişim sistemleriyle entegrasyonunu incelemektedir. Kanal karakteristikleri, genel sistem verimliliği, sistem ölçeklenebilirliği, pratik uygulanabilirlik gibi kritik konular ele alınarak, RIS teknolojisinin kullanımıyla kablosuz yayılım ortamının dinamik olarak yeniden yapılandırılması, sinyal iletiminin optimize edilmesi, girişimlerin azaltılması ve ağ performansının iyileştirilmesi hedeflenmektedir. Bu tez, RIS destekli iletişim sistemlerine yönelik yenilikçi hava üzerinden (OTA) yaklaşımlar sunmakta olup, hem pasif hem de aktif RIS mimarilerini ve bunların gerçek dünya uygulamalarındaki pratik sonuçlarını ele almaktadır. 2. bölüm, RIS destekli hava üzerinden dengeleme (OTA equalization) metodunu inceleyerek, RIS faz hizalamasının semboller arası girişimi (ISI) nasıl etkili bir şekilde ortadan kaldırabileceğini ve frekans seçici sönümleme kanallarını frekans düzlemine çevirebileceğini göstermektedir. 3. bölüm, RIS destekli yukarı yönlü ortogonal olmayan çoklu erişim (NOMA) şemaları önererek kaynak tahsisinin optimize edilmesini ve iki kullanıcı için kesinti olasılığı performansının iyileştirilmesini ele almaktadır. 4. bölüm, hava üzerinden indis modülasyonu için hibrit RIS mimarilerini tanıtarak, pasif ve aktif RIS elemanlarının entegre edilmesiyle üstün spektral verimlilik ve azaltılmış algılama karmaşıklığı elde edilmesini sağlamaktadır. 5. bölüm, ağdan bağımsız RIS mimarilerine odaklanarak, merkezi ağ kontrolüne bağlı kalmadan sinyal kalitesi ve enerji verimliliğini artıran kullanıcı kontrollü pratik bir RIS sistemi önermektedir. 6. bölüm, mobil ağlarda RIS tanımlama (identification) tekniklerini inceleyerek, RIS güvenliği, kimlik doğrulama ve girişim azaltma ile ilgili kritik zorlukları ele almakta ve literatüre RIS dağıtımı açısından yeni ve önemli bir kavram kazandırmaktadır. 7. bölüm, güç farklılaştırmalı çift kodlu indis modülasyonu (RIS-PD-DCIM) şeması sunarak, optimal RIS bölme stratejileri ile spektral verimliliği ve sistem performansını iyileştirmeyi amaçlamaktadır. Bu tezin katkıları, RIS destekli iletişim sistemleri için kapsamlı bir çerçeve sunarak mevcut kablosuz teknolojilerdeki temel sınırlamaları ele almakta ve RIS'in 6G ağlarına sorunsuz entegrasyonu için bir yol haritası çizmektedir. Önerilen yöntemler ve sistem modelleri, RIS'in kablosuz iletişimde devrim yaratma potansiyelini ortaya koyarak, gelişmiş sistem tasarımları, iyileştirilmiş spektral ve enerji verimliliği ile dinamik ortamlarda güçlü performans sunmaktadır. Bu bulgular, araştırma topluluğunun gelecekte pratik, ölçeklenebilir ve akıllı kablosuz ağlar geliştirme çabalarına önemli katkılar sağlamaktadır.