Position de doctorat : “Limites fondamentales des communications avec des surfaces intelligentes reconfigurables” – France

Ce travail de thèse sera réalisé dans le cadre du projet « Réseaux durables, sécurisés, souverains et intelligents (RIS3) », au laboratoire IETR du campus INSA de Rennes.

La demande toujours croissante de bande passante pour satisfaire des applications toujours plus sophistiquées ne cesse de croître dans le secteur des télécommunications, entraînant une consommation exponentielle de données et une hausse des factures d’énergie. Ericsson estime la consommation moyenne mondiale par smartphone à 21 Go/mois en 2023 (avec des disparités géographiques considérables), qui pourrait atteindre 56 Go/mois d’ici 2029 [1]. Le Shift Project, s’appuyant sur une étude Cisco, estime en 2018 une croissance de +26%/an du trafic réseau, notamment due à de plus en plus d’appareils connectés et à la consommation de vidéo haute définition [2]. Pour accompagner cette augmentation de la consommation de données et d’énergie, une transition technologique régulière est nécessaire, et a lieu tous les 10 ans en moyenne. Chaque transition s’accompagne d’innovations technologiques, telles que des changements de forme d’onde pour la transmission radio.

L’intégration de surfaces intelligentes reconfigurables dans les futurs réseaux de communication sans fil a suscité un grand intérêt académique et industriel ces dernières années [3]. Ces dispositifs, intégrant de petits circuits radiatifs élémentaires, peuvent être pilotés pour modifier la phase de l’onde incidente afin de la focaliser vers l’utilisateur final. Cette technologie permet de maîtriser l’environnement de propagation dans le sens où les multi-trajets ne sont plus subis mais exploités. De nombreux travaux dans la littérature démontrent les avantages potentiels de cette technologie en termes de débit réalisable, de couverture d’utilisateurs et d’efficacité énergétique [4,5]. D’autre part, le contrôle des fronts d’ondes impactant la surface intelligente nécessite des informations de la part de l’utilisateur final, afin de modifier avec agilité les propriétés de la surface rayonnante. La quantité de données à retransmettre à l’émetteur et à la surface reconfigurable dépendra de la durée et de la bande passante de cohérence du canal, ainsi que du nombre d’utilisateurs à desservir. Peu d’études ont abordé la surcharge d’informations impliquée dans le contrôle de ces surfaces, sauf dans [6,7]. Les auteurs ne considèrent qu’un seul lien Tx-surface-Rx, et dans [6], la quantité d’informations nécessaire au fonctionnement de la surface intelligente n’est pas étudiée. Les auteurs de [7] adoptent une approche de théorie de l’information pour proposer un codage conjoint de « contrôle des données » afin de maximiser le débit de bout en bout. Les auteurs montrent que le codage conjoint maximise le débit réalisable du système, par rapport au cas où le contrôle est effectué séparément. Cependant, le lien retour nécessaire à l’encodage des informations n’est pas pris en compte. De plus, la connaissance imparfaite de l’état du canal et la prise en compte de plusieurs utilisateurs ne sont pas prises en compte.

Cette thèse vise à étudier les limites fondamentales de la communication avec une surface reconfigurable et à quantifier la quantité d’informations nécessaires au fonctionnement optimal de ces dispositifs. Plus précisément, nous proposons d’aborder les questions de recherche suivantes :

Q1 : Quelle est la région de capacité d’une communication avec des surfaces intelligentes reconfigurables ? L’analyse sera réalisée en régime asymptotique, et son extension à des blocs de longueur finie sera réalisée en fonction des progrès des candidats.

Q2 : Existe-t-il un compromis entre le débit de données à accorder aux signaux de contrôle et celui destiné au codage des informations utilisateur ?

Q3 : Si le temps le permet, écrire et résoudre l’extension aux cas multi-utilisateurs, c’est-à-dire canal d’accès multiple et canal de diffusion.

Ce travail a le potentiel de comprendre pleinement comment faire fonctionner ces dispositifs de manière optimale dans les futurs réseaux sans fil et ainsi repousser encore plus loin les limites fondamentales des communications dans des environnements contrôlés.

Les références

[1] Ericsson, « Ericsson Mobility Report : Resilient 5G uptake – le trafic mondial de données mobiles devrait tripler en six ans », https://mb.cision.com/Main/15448/3884810/2463363.pdf .

[2] The Shift Project, « Impact environnemental du numérique : tendance à 5 ans et gouvernance de la 5G »,  https://theshiftproject.org/wp-content/uploads/2021/03/Note-danalyse_Numerique-et-5G_30- mars-2021.pdf

[3] M. Di Renzo  et al. , “Environnements radio intelligents renforcés par des surfaces intelligentes reconfigurables : comment cela fonctionne, état de la recherche et chemin à parcourir”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications , vol. 38, non. 11, pp. 2450-2525, novembre 2020.

[4] N. Shlezinger, et al. , « Antennes métasurface dynamiques pour les systèmes MIMO massifs de liaison montante », IEEE Transactions on Communications , vol. 67, non. 10, pp. 6829-6843, octobre 2019.

[5] Z. Yang  et al. , « Communications sans fil économes en énergie avec des surfaces intelligentes reconfigurables distribuées », IEEE Transactions on Wireless Communications , vol. 21, non. 1, pp. 665-679, janvier 2022.

[6] A. Zappone et coll. , “Conception aérienne de surfaces intelligentes reconfigurables dans des environnements radio intelligents”, IEEE Transactions on Wireless Communications , vol. 20, non. 1, p. 126-141.

[7] R. Karasik et coll. “Au-delà de max-SNR : codage conjoint pour des surfaces intelligentes reconfigurables”,  In Proc. IEEE Int. Symp. Inf. Théorie , 2020.

comment s’inscrire

Pas besoin d’envoyer une lettre de motivation séparée mais un email au Pr Philippe Mary ( Philippe.mary@insa-rennes.fr ) et au Dr Luc Le Magoarou ( Luc.le-magoarou@insa-rennes.fr ), expliquant votre intérêt au sujet et pourquoi vous pensez avoir les connaissances nécessaires pour l’aborder. Merci de joindre les documents suivants :

– Un CV avec une liste complète des projets/stages/cours en lien avec le sujet.

– Dossiers académiques du Bachelor au MSc.

– Le contact d’un ou deux référents (directeur de stage ou de projet, enseignant, etc.)

Les candidatures seront évaluées au fur et à mesure de leur réception jusqu’à ce qu’un candidat soit sélectionné. Seuls les candidats sélectionnés seront contactés.