Aspects électromagnétiques d'ESPAR et des diffuseurs contrôlables numériquement avec un regard sur la conception d'algorithmes de faible complexité

Electromagnetic aspects of ESPAR and digitally controllable scatterers with a look at low-complexity algorithm design

• Auteur / Autrice : Juan Bucheli Garcia
• Direction : Alain Sibille, Mohamed Kamoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, informations et communications
• Date : Soutenance le 06/02/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Télécom Paris (Palaiseau ; 1977-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement et communication de l'information (Paris ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Martine Liénard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Di Renzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Constantinos B. Papadias, Guillaume Villemaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-réseaux

Mots clés libres

Antennes intelligentes

Espar

Diffuseurs contrôlables numériquement

Faible complexité

Algorithme

Smart antennas

Espar

Digitally controllable scatterers

Low complexity

Algorithm

Résumé

Cette thèse se concentre sur l'idée d'exploiter le domaine spatial (contrairement à l'exploitation de la ressource temps-fréquence) des environnements sans fil à partir de deux fronts: a) Antennes ESPAR (pour Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) comme alternative peu coûteuse au multi- conventionnel architectures d'antennes (peu coûteuses par rapport au nombre de frontaux radiofréquences que ces architectures conventionnelles sont souvent supposées fournies), et b) l'étude de réseaux d'antennes chargés de manière réactive pour fournir une diffusion contrôlable comme moyen d'ajouter des degrés de liberté à l'environnement de propagation lui-même. Ce dernier est atteint ici via des diffuseurs contrôlables numériquement (DCS). En particulier, la thèse se concentre sur l'objectif de mieux conditionner les problèmes d'optimisation comme moyen de proposer des algorithmes de faible complexité. Par conséquent, un aspect clé est l'équilibre requis entre la précision et la complexité des modèles électromagnétiques adoptés. Ainsi, il convient de souligner l'importance accordée à l'interface entre l'électromagnétisme et la caractérisation du signal. Plus précisément, ESPAR et DCS nécessitent la compréhension des phénomènes électromagnétiques (EM) qui ne sont pas entièrement pris en compte dans les descriptions conventionnelles au niveau des liaisons. Plus important encore, ce dernier est la preuve de la nécessité de rejoindre les approches de deux communautés de recherche apparentées pour faire face à la rareté des ressources qui ne devrait qu'augmenter dans les décennies à venir. En fait, le document est principalement positionné du point de vue d'une personne ayant une formation en télécommunications (contrairement à l'électromagnétisme pur) et qui cherche à éclairer les mécanismes EM sous-jacents. Il se compose approximativement de trois parties, à savoir: les principes fondamentaux, l'antenne ESPAR et les diffuseurs contrôlables numériquement. En fait, le but d'avoir une partie du document consacrée uniquement aux fondamentaux est de décrire les phénomènes EM tout en mettant en évidence tous les détails pertinents pour les deux autres. La partie "fondamentaux" commence par les équations de Maxwell (et leur solution pratique pour les problèmes de rayonnement en champ lointain) jusqu'à la caractérisation bien connue du signal y = hx + n. En tant que description apparemment la moins appropriée pour travailler avec, mais la caractérisation la plus complète des phénomènes EM, les équations de Maxwell sont la base qui relie notre description mathématique à la même réalité. Ainsi, l'objectif de cette partie est d'exposer la connexion entre champs et signaux, ainsi que d'ouvrir la porte à la remise en cause du modèle conventionnel de signal émetteur-récepteur. Pour continuer, la deuxième partie est consacrée à l'antenne ESPAR. En particulier, ESPAR nous oblige à s'écarter de l'espace de signal abstrait dans lequel les caractérisations traditionnelles au niveau de la liaison multi-antennes sont représentées. En tant que contribution de ce travail, il sera montré comment une approximation locale du modèle de système offre une vue alternative. Notamment, grâce à une telle approximation du modèle de système, une solution efficace sur le plan informatique au problème non trivial de l'adaptation basée sur les canaux des caractéristiques de rayonnement d'ESPAR est trouvée. Enfin et surtout, la troisième partie traite des diffuseurs à commande numérique comme moyen d'améliorer l'efficacité énergétique. Un concept aussi passionnant a attiré une attention considérable ces dernières années et, en un sens, ouvre la porte à une manière radicalement différente de concevoir les problèmes de communication. Même si ces appareils en sont à leurs balbutiements, il n'est pas difficile pour moi d'imaginer comment les décennies à venir pourraient être marquées par la massification de cette technologie.

The thesis focuses on the idea of exploiting the spatial domain (as opposed to the exploitation of the time-frequency resource) of wireless environments from two fronts: a) ESPAR antennas (standing for Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) as a potential inexpensive alternative to conventional multi-antenna architectures (inexpensive in relation to the number of radio frequency front-ends these conventional architectures are often assumed to be provided with), and b) the study of reactively loaded arrays to deliver controllable scattering as a mean of adding degrees of freedom to the propagation environment itself. The latter is achieved here via digitally controllable scatterers (DCS).Particularly, the thesis focuses on the goal of better conditioning optimization problems as means of proposing low-complexity algorithms. Therefore, one key aspect is the required balance between the accuracy and complexity of the adopted electromagnetic models.Thus, it is appropriate to highlight the importance given to the interface between electromagnetism and the signal characterization. More specifically, both ESPAR and DCS require the understanding of electromagnetic (EM) phenomena that is not fully accounted for through conventional link-level descriptions. More importantly, the latter is proof of the need to join the approaches of two related research communities to cope with the scarcity of resources that is only expected to grow in the decades to come. In fact, the document is mostly positioned from the view of someone with a background in telecommunications (unlike pure electromagnetism) with looks at enlightening the underlying EM mechanisms. It is roughly composed of three parts, namely: fundamentals, the ESPAR antenna and digitally controllable scatterers. In fact, the aim of having one part of the document dedicated purely to fundamentals is to describe the EM phenomena while highlighting all relevant details to the remaining two.The part "fundamentals" begins with Maxwell's equations (and their convenient solution for far-field radiation problems) all the way to the well-known (y=hx+n) signal characterization. As the seemingly least appropriate description to work with, but most complete characterization of the EM phenomena, Maxwell's equations are the basis that link our mathematical description to the very same reality. Thus, the objective of this part is to expose the connection between fields and signals, as well as to open the door to questioning the conventional transmitter-receiver signal model. The latter becomes one of the most exciting outcomes of this project in line with the research-related aim of challenging our vision to expand our understanding of a problem.To continue, the second part is dedicated to the ESPAR antenna as a preamble of what is meant by "questioning the conventional transmitter-receiver signal model". Particularly, ESPAR obliges us to depart from the abstract signal space in which traditional multi-antenna link-level characterizations are depicted. As a contribution of this work, it will be shown how a local approximation of the system model offers an alternative view. Notably, through such an approximation of the system model, a computationally-efficient solution to the non-trivial problem of channel-based adaptation of the radiation characteristics of ESPAR is found.Last, but not least, the third part deals with digitally controllable scatterers as a mean of improving energy efficiency. Such an exciting concept has gained significant attention in the recent years and, in a sense, opens the door to a radically different way to conceive communication problems. Even though these devices are in their infancy, it is not difficult for me to imagine how the decades to come could be marked by the massification of this technology.