Reconfigurable intelligent surfaces for performance enhancement of wireless communication systems : theories and experimental validations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid evolution of mobile communication systems promises transformative gains in data rates, reliability, energy efficiency, and latency.
Realizing these benefits, however, is hindered by challenges such as severe path loss and blockage at high-frequency bands and the substantial cost and power consumption of large antenna arrays.
Reconfigurable intelligent surfaces (RIS) have emerged as a low-power and cost-effective solution capable of reshaping wireless propagation environments to enhance link performance.
This dissertation investigates the potential of RIS to address key limitations of modern wireless networks through four major contributions: a practical demonstration of RIS-aided wireless communications, low-complexity compressive sensing (CS)-based channel estimation techniques, a novel RIS direct modulation concept, and an RIS-integrated user terminal concept for low Earth orbit (LEO) satellite communications.

The first study demonstrates the capability of RIS to support conventional wireless communications through real-world experiments.
Unlike prior works that predominantly focus on simulation-based analyses, the experimental approach highlights practical implementation insights and validates the feasibility of RIS in assisting conventional wireless communications.
The second study tackles the challenge of channel estimation, including in wideband communications, by exploiting the inherent sparsity of the channel in both the time and frequency domains.
The proposed method significantly reduces channel estimation overhead, thereby enhancing the practicality of RIS-assisted systems for real-world applications.
The third study investigates the use of RIS as a sole modulator for direct data transmission.
This novel approach demonstrates how RIS can function beyond traditional applications, modulating its own information without the need for additional hardware modification or a dedicated information transmitter.
This concept is validated through extensive simulations and experiments.
The fourth study extends RIS applications to LEO satellite links by proposing an RIS-integrated user terminal architecture, a deterministic geometric propagation model, wideband Ku-band RIS hardware, beam-squint mitigation strategies, and AoA estimation using RIS-enabled virtual sensors.

Collectively, this dissertation seeks to contribute to the theoretical and experimental understanding of RIS technology and explore its potential to improve the performance of wireless communication systems in practical scenarios.
The findings offer valuable insights that may support the development of more efficient, scalable, and cost-effective solutions for future generations of wireless communications.

국문 초록 (Abstract)

모바일 통신 시스템은 빠르게 진화하고 있으며, 데이터율, 신뢰성, 에너지 효율, 지연 측면에서 획기적인 향상을 기대하게 한다.
그러나 이러한 이점을 실현하기 위해서는 고주파 대역에서의 심각한 경로 손실과 차폐, 그리고 대규모 안테나 배열로 인한 높은 비용 및 전력 소모와 같은 다양한 도전 과제를 극복해야 한다.
재구성 가능한 지능형 표면(RIS)은 무선 전파 환경을 능동적으로 재구성하여 링크 성능을 향상시킬 수 있는 저전력·저비용 솔루션으로 주목받고 있다.
본 학위논문은 RIS가 현대 무선 네트워크의 핵심 한계를 해결할 수 있는 가능성을 네 가지 주요 연구 기여를 통해 탐구한다: RIS 기반 무선 통신의 실증적 시연, 저복잡도 압축 센싱(CS) 기반 채널 추정 기법, 새로운 RIS 직접 변조(direct modulation) 개념, 그리고 저궤도(LEO) 위성 통신을 위한 RIS 통합 사용자 단말 구조 제안이다.

첫 번째 연구는 실제 실험을 통해 RIS가 기존 무선 통신을 효과적으로 지원할 수 있음을 보여준다.
기존 연구들의 대부분이 시뮬레이션 중심의 분석에 의존한 반면, 본 연구는 실험 기반 접근을 통해 구현상 고려 사항을 조명하고, RIS가 실제 무선 통신을 보조하는 데 있어 실질적인 타당성을 검증한다.
두 번째 연구는 시간 및 주파수 영역에서의 채널 희소성을 활용하여, 특히 광대역 통신에서의 채널 추정 문제를 해결한다.
제안된 방법은 채널 추정 오버헤드를 크게 줄여 RIS 기반 시스템의 실용성을 향상시킨다.
세 번째 연구는 RIS를 단독 변조기로 사용하여 직접적인 데이터 전송을 수행하는 새로운 방식을 탐구한다.
이는 RIS가 추가적인 하드웨어 변경이나 별도의 정보 송신기 없이도 자체적으로 정보를 변조할 수 있음을 보여주는 혁신적 개념으로, 광범위한 시붬레이션과 실험을 통해 타당성이 입증되었다.
네 번째 연구는 LEO 위성 통신으로 RIS의 응용을 확장하여, RIS 통합 사용자 단말 구조, 결정적 기하학 기반 전파 모델, 광대역 Ku-대역 RIS 하드웨어, 빔 스퀸트 보상 기법, 그리고 RIS 기반 가상 센서를 활용한 도래각(AoA) 추정 기법을 제안한다.

종합적으로, 본 논문은 RIS 기술에 대한 이론적·실험적 이해를 심화하고, 실제 환경에서 무선 통신 성능을 향상시키기 위한 RIS의 잠재력을 탐색하는 데 목적이 있다.
본 연구 결과는 향후 무선 통신 시스템을 보다 효율적이고 확장 가능하며 비용 효율적으로 구현하기 위한 기술 개발에 유용한 통찰을 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background and Overview 1
• 1.2 Related Works, Motivation, and Remaining Challenges 4
• 1.3 Specific Contributions of the Dissertation 11
• 2 Reconfigurable Intelligent Surface-aided Wireless Communications: From Theory and Concept to Experiments 15
• 2.1 Chapter Overview 15
• 2.2 System Model 17
• 2.3 Compressive Sensing-Based Channel Estimation Algorithm 21
• 2.4 RIS Hardware Design 26
• 2.5 Simulation Results 31
• 2.6 Experimental Result 34
• 3 Reconfigurable Intelligent Surface-aided Wireless Communications: Theory and Experimental Validations 48
• 3.1 Chapter Overview 48
• 3.2 System Model 50
• 3.3 Angular Domain Channel Sparsity Analysis 59
• 3.4 Compressive Sensing-Based Angular Domain Channel Estimation Algorithm 62
• 3.5 Extension to Scatterer Channel Environment and Wideband Communication Scenario 71
• 3.6 Numerical Results 74
• 4 Reconfigurable Intelligent Surface Direct Data Modulation with Adaptive Beam Steering Backscatter Communication 104
• 4.1 Chapter Overview 104
• 4.2 System Model 108
• 4.3 RIS Adaptive Beam Steering Backscatter Communication Algorithm 115
• 4.4 Numerical Results 128
• 5 Reconfigurable Intelligent Surfaces-integrated User Terminal for Low Earth Orbit (LEO) Satellite Communications 157
• 5.1 Chapter Overview 157
• 5.2 System Model 160
• 5.3 RIS Beamforming for LEO Satellite Downlink Communications 171
• 5.4 Numerical Results 182
• 5.5 Wideband RIS Prototype 200
• 5.6 Future Works 202
• 6 Conclusion and Future Works 204
• 6.1 Conclusion 204
• 6.2 Promising Topics for Future Works 207
• References 209
• Korean Abstract 230