Surfaces Intelligentes Reconfigurables dédiées aux communications en ondes millimétriques

Reconfigurable intelligent Surfaces for mmWave Communications

• Auteur / Autrice : Ayoub Toubal
• Direction : Julien de Rosny, Youssef Nasser
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/05/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin : ondes et images
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)

Mots clés

Mots clés libres

Surfaces Intelligentes Reconfigurables

Formation de faisceaux

Ondes millimétriques

Télécommunications

Théorie de l'information

Reconfigurable intelligent Surfaces

Beamforming

Mmwaves

Telecommunications

Information theory

Résumé

Depuis maintenant 10 ans, les besoins en communications numériques sans fil croissent de manière significative car elles sont impliquées dans un nombre toujours plus important d'applications qui nécessitent la transmission d'une quantité massive de données telles que la vidéo, la réalité augmentée, la réalité virtuelle, le cloud computing, le cloud gaming, etc. Pour y faire face, les institutions de normalisation ont déjà commencé à explorer de nouvelles bandes pour la transmission radio. En particulier, la bande des ondes millimétriques (24,25-27,5 GHz dans la bande K) qui a déjà été intégrée au projet 3GPP dans le cadre de la 5G est très prometteuse. Cependant cette bande est sujette à une très forte atténuation en comparaison avec la bande 2-5GHz. Les surfaces intelligentes reconfigurables (connues en anglais sous le nom RIS) sont particulièrement pertinentes dans cette gamme de fréquence aussi bien technologiquement qu'économiquement pour résoudre ce problème. Durant cette thèse, nous proposons d'aborder 2 problématiques cruciales pour profiter pleinement du potentiel des RIS avec les ondes millimétriques. D'une part, il est à l'heure actuelle irréaliste de couvrir de grandes surfaces avec des RIS. Une solution est d'utiliser des RIS avec des cellules élémentaires amplifiées. Cependant cette solution qui est très similaire à un réseau phasé (phased array) est difficile à mettre en œuvre pour les ondes millimétriques. Nous proposons d'étudier au cours de cette thèse une tout autre stratégie qui consiste à utiliser un réseau coopératif de RIS pour induire le maximum de couverture entre objets communicants millimétriques. D'autre part pour fonctionner une RIS doit sonder son environnent et plus particulièrement le(s) dispositif(s) pour le(s)quel(s) il travaille. Il y a donc 2 taches à réaliser : localiser des dispositifs/obstacles et évaluer la qualité du lien. Beaucoup de travaux théoriques ont été réalisé mais ici nous proposons d'étudier en pratique ces solutions et si nécessaire d'en proposer d'autres.

For 10 years now, the need for digital wireless communications has grown significantly as it is involved in an increasing number of applications that require the transmission of massive amounts of data such as video streaming, augmented reality, virtual reality, cloud computing, cloud gaming, etc. In order to deal with this, standardization institutions have already begun to explore new bands for radio transmission. In particular, the mmWave band (24.25-27.5 GHz in the K-band) which has already been integrated into the 3GPP project under 5G is very promising. However, this band is subject to very high attenuation compared to the 2-5GHz band. Reconfigurable smart surfaces (known as RIS) are particularly relevant in this frequency range both technologically and economically to solve this problem. During this thesis, we propose to solve two issues to take full advantage of the potential of RIS in mmWaves. On the one hand, it is currently unrealistic to cover large areas with RIS. One solution is to use RIS with amplified elementary cells. However, this solution, which is very similar to a phased array, is difficult to implement for mmwaves. We propose to study during this thesis a completely different strategy which consists in using a cooperative network of RIS to have the maximum coverage between mmwaves communicating objects. On the other hand, to operate, a RIS must analyze its surrounding environment and more particularly the device(s) that should be connected. So there are 2 tasks to perform: locate devices/obstacles and evaluate the quality of the link. A lot of theoretical work has been done but here we propose to study in practice these solutions and propose new ones if needed.