???item.export.label??? ???item.export.type.endnote??? ???item.export.type.bibtex???

Please use this identifier to cite or link to this item: https://tede.inatel.br:8080/tede/handle/tede/247
???metadata.dc.type???: Tese
Title: RIS Development and Implementation in a mm-waves 5G NR System Towards 6G
???metadata.dc.creator???: Silva, Luiz Gustavo 
???metadata.dc.contributor.advisor1???: Júnior, Arismar Cerqueira
???metadata.dc.contributor.referee1???: Júnior, Arismar Cerqueira
???metadata.dc.contributor.referee2???: Xiao, Pei
???metadata.dc.contributor.referee3???: Mittra, Raj
???metadata.dc.contributor.referee4???: Ribeiro, José Antônio
???metadata.dc.description.resumo???: Este trabalho apresenta a concepção e desenvolvimento de uma nova superfície inteligente reconfigurável (RIS) de 1024 elementos utilizando células unitárias de 2 bits. Estas são baseadas em ressonadores de anel dividido (SRR) sintonizados por diodos varactor na banda de ondas milimétricas (mm-waves) e frequência de 24,5 GHz com largura de banda de 400 MHz. A célula unitária impressa RIS é concebida utilizando o software eletromagnético de onda completa ANSYS HFSS, compreendendo quatro camadas baseadas em dois substratos diferentes da Rogers, sendo estes o RO3003 de 0,508 mm de espessura e RO4450 de 0,1 mm de espessura como bonding. Todo o elemento de célula unitária abrange quatro camadas condutoras, nas quais as duas primeiras formam o SRR, enquanto os RF choke são impressos na camada intermediária para isolar o circuito DC e as linhas de polarização roteadas na quarta camada, resultando em uma área total de 0,245x0,245 λ 2 . A frequência de ressonância medida na célula unitária varia de 22,4 a 25,52 GHz, resultando em um deslocamento de fase superior a 270º em 24,5 GHz. O projeto proposto da RIS de 2 bits usa para solução o método de decomposição de domínio de matriz finita (FADDM) e análises de seção transversal de radar (RCS) no ANSYS HFSS. A geração do guiamento de feixe de -60º a 60º no plano de azimute é obtida pelos 1024 elementos dispostos em uma matriz 32x32 com gradiente de fase linear controlado em colunas. O RIS proposto é caracterizado pelo desempenho do diagrama de reflexão sob diferentes condições de ângulo de onda incidente e ângulos de guiamento do feixe. Diagramas de reflexão de 30º a 60º são demonstrados experimentalmente com uma perda de varredura de 4,1 dB. Além disso, tem-se a proposta e fabricação da placa de controle da RIS com baixo consumo de energia usando um microcontrolador, chaves single-pole four-throw (SP4T), conversores digital para analógico (DAC) e expansores de I/O, resultando em um consumo médio de energia de apenas 331 mW. A utilização das mesmas dimensões transversais entre a RIS e sua placa de controle resulta em uma solução compacta com área total de 103x120x14 mm3 . Por fim, é apresentado uma demonstração usando a RIS de ondas milimétricas proposta em um ambiente interno operando com um sinal 5G New Radio (NR) real e seguindo os requisitos de desempenho do 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 18. Tal experimento usa um sinal 5G NR de modulação em fase e amplitude 64-QAM em 24,5 GHz com largura de banda de até 400 MHz, atingindo uma taxa de vazão máxima de 1,2 Gbps. A utilização da RIS resulta em uma melhoria na potência do canal e na relação sinal-ruído (SNR) de 21,5 e 23,8 dB, respectivamente. Esses números representam uma melhora significativa da magnitude do vetor de erro quadrático médio medido (EVMRMS) de 92,23 para 6,12%, o que ressalta o impacto da função de direcionamento de feixe da RIS. O dispositivo proposto pode ser aplicado para extensão de cobertura nas redes atuais 5G vislumbrando aplicações futuras 6G, apresentando as vantagens de dimensional compacto e baixo consumo de potência. Palavras-chave: 5G NR, 6G, B5G, direcionamento de feixe, metamaterial, metasuperfície, ondas milimétricas e RIS
Abstract: This work presents the conception and development of a novel 1024-element reconfigurable intelligent surface (RIS), using split-ring resonator (SRR) based 2-bit unit cells and tuned by varactor diodes in the millimeter waves (mm-waves) frequency band at 24.5 GHz with 400 MHz bandwidth. The RIS printed unit cell has been conceived using the full-wave electromagnetic solver ANSYS HFSS, comprising four layers based on two different substrates from Rogers, namely: 0.508-mm thick RO3003 and 0.1-mm thick bonding RO4450. The entire unit cell element encompasses four conducting layers, in which the first two ones form the SRR, whereas RF chokes are printed at the middle layer to isolate the DC circuit and the bias lines are routed at the fourth layer, resulting in a 0.245x0.245 λ 2 total area. The 2-bit unit cell measured resonance frequency ranges from 22.4 to 25.52 GHz, resulting in a phase shifting greater than 270º at 24.5 GHz. The proposed 2-bit RIS design uses the finite array domain decomposition method (FADDM) and radar cross-section (RCS) approachesin ANSYS HFSS. Beam steering generation from -60º to 60º in the azimuth plane is achieved by the 1024 elements arranged in a 32x32 matrix with a linear gradient phase controlled columnwise. The proposed RIS is characterized by reflection pattern performance under different incident wave angle conditions and beam steering angles. Reflection patterns from 30º to 60º are experimentally demonstrated with a scan loss of 4.1 dB. Additionally, a low-power consumption RIS control board is proposed and fabricated using a standard microcontroller, single-pole four-throw (SP4T) switches, digital-to-analog converters (DAC) and I/O expanders, resulting in an average power consumption of only 331 mW. Using the same transversal dimensions for the RIS and control board gives rise to a compact solution with 103x120x14 mm3 total area. Finally, a demonstrator is presented using the proposed mm-waves RIS in an indoor environment using a real 5G New Radio (NR) signal and following the 3 rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 18 performance requirements. Such experiment uses a 64-quadrature amplitude modulation (QAM) 5G-NR signal at 24.5 GHz with a bandwidth of up to 400 MHz, achieving a maximum throughput of 1.2 Gbps. The RIS deployment results in a channel power and signal-to-noise ratio (SNR) improvement of 21.5 and 23.8 dB, respectively.
Keywords: 5G NR; 6G; B5G; beam steering; millimeter waves; metamaterial; metasurface and RIS
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia - Telecomunicações
Language: eng
???metadata.dc.publisher.country???: Brasil
Publisher: Instituto Nacional de Telecomunicações
???metadata.dc.publisher.initials???: INATEL
???metadata.dc.publisher.department???: Instituto Nacional de Telecomunicações
???metadata.dc.publisher.program???: Mestrado em Engenharia de Telecomunicações
Citation: Silva, Luiz Gustavo. RIS Development and Implementation in a mm-waves 5G NR System Towards 6G. 2023. [206]. Tese( Mestrado em Engenharia de Telecomunicações) - Instituto Nacional de Telecomunicações, [Santa Rita Do Sapucaí] .
???metadata.dc.rights???: Acesso Aberto
URI: https://tede.inatel.br:8080/tede/handle/tede/247
Issue Date: 12-Dec-2023
Appears in Collections:Doutorado em Telecomunicações
Doutorado em Telecomunicações

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Luis Gustavo da Silva.pdfRIS Development and Implementation in a mm-waves 5G NR System Towards 6G10.9 MBAdobe PDFThumbnail

Download/Open Preview
Autorização Luis Gustavo.pdfRIS Development and Implementation in a mm-waves 5G NR System Towards 6G1.26 MBAdobe PDFThumbnail

Download/Open Preview


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.