Communications sans fil assistées par des surfaces intelligentes reconfigurables : un modèle électromagnétique

The emergence of smart radio environment (SRE) as a new paradigm that challenges the status quo in wireless communication has motivated the use of metasurface-based reconfigurable intelligent surface (RIS) to improve the performance limits in wireless communication systems. The main focus of this thesis is the modeling of reconfigurable intelligent surfaces (RIS)-aided communication systems using electromagnetic based methods.Chapter 1 introduces the concept of smart radio environment. We also give the definition of RIS and how RIS can be used in context of SRE. To give some historical perspectives, we also discuss several important milestone papers throughout the development of research activities that lead to the current state of the art.Chapter 2 introduces theoretical concepts that are necessary to understand the results in the subsequent chapters. This chapter is divided into two parts. The first part discusses the metasurfaces modeling where we move from a physics-based microscopic description of a metasurface and introduces a macroscopic representation for it, which is shown to be suitable for application in wireless communications. The second part introduces several analytical approaches that allow us to compute the EM field at any point of a given volume that contains the metasurface.Chapter 3 provides a performance comparison between RISs operating as anomalous reflectors and a decode-and-forward relaying scheme that is representative of competing candidate technologies to realize SREs. The comparison is qualitative and covers multitude metrics. Furthermore, a quantitative comparison in terms of achievable data rates is presented. In particular, the numerical results show that sufficiently large RISs can outperform relay-aided systems in terms of data rate, while reducing the implementation complexity.Chapter 4 proposes an electromagnetic-based analytical characterization of the free-space path-loss of a wireless link in the presence of a RIS that is modeled as a two-dimensional homogenized metasurface made of sub-wavelength scattering elements and that operate either in reflection or transmission mode. The analytical method of physical optics is employed. Closed-form expressions are also obtained in two asymptotic regimes that are representative of far-field and near-field deployments. Based on the proposed approach, the impact of several design parameters and operating regimes is unveiled.Finally, Chapter 5 summarizes the main findings of the thesis and discusses possible future directions that are worth investigating to unlock the full potential of RIS and bring it into practice.L'émergence de l'environnement radio intelligent (SRE) en tant que nouveau paradigme qui remet en question le status quo dans la communication sans fil a motivé l'utilisation des surface intelligentes reconfigurables (RIS) basées sur des métasurfaces pour améliorer la limite de performance des systèmes de communication sans fil. L'objectif principal de cette thèse est la modélisation d'un système de communication assisté par un RIS à l'aide d'approches basées sur l'électromagnétisme.Le Chapitre 1 présente le concept d'environnement radio intelligent. Nous donnons également la définition du RIS et comment le RIS peut être utilisé dans le contexte du SRE. Nous donnons aussi quelques perspectives historiques et discutons le développement des activités de recherche dans ce contexte.Le Chapitre 2 présente les concepts théoriques nécessaires pour comprendre les résultats des chapitres suivants. Ce chapitre est divisé en deux parties. La première partie traite de la modélisation des métasurfaces où nous passons d'une description microscopique basée sur la physique d'une métasurface et introduisons une représentation macroscopique de celle-ci, qui s'avère appropriée pour une application aux communications sans fil. La deuxième partie présente plusieurs approches analytiques qui nous permettent de calculer le champ électromagnétique dans un certain volume..Le Chapitre 3 fournit une comparaison des performances entre les RISs fonctionnant comme des réflecteurs anormaux et un schéma de relais basé sur le décodage et la transmission. La comparaison est qualitative et couvre une multitude de métriques. En outre, une comparaison quantitative en termes de débits de données réalisables est également présentée. En particulier, les résultats numériques montrent que des RISs suffisamment grands peuvent être plus performants que les systèmes assistés par relais en termes de débit de données, tout en réduisant la complexité.Le Chapitre 4 propose une caractérisation analytique du champ électromagnétique en présence d'un RIS qui est modélisé comme une métasurface homogénéisée et qui fonctionne soit en réflexion ou transmission. Des expressions de forme fermée sont également obtenues dans deux régimes asymptotiques qui sont représentatifs de deux déploiements en champ lointain et en champ proche. Sur la base de l'approche proposée, l'impact de plusieurs paramètres est étudié.Enfin, le Chapitre 5 résume la thèse et discute des perspectives futures qui méritent d'être étudiées pour mieux comprendre les avantages et les inconvénients des RISs pour application aux communications sans fil