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Thèse Année : 2022

Optimization Techniques for Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Wireless Networks

Techniques d'optimisation des communications sans fil assistées par des surfaces intelligentes reconfigurables

Abdelhamed Mohamed
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1225367
  • IdRef : 266341926

Résumé

Recently, the emergence of reconfigurable intelligent surface (RIS) has attracted heated attention from both industry and academia. An RIS is a planar surface that consists of a large number of low-cost passive reflecting elements. By carefully adjusting the phase shifts of the reflecting elements, an RIS can reshape the wireless environment for better communication. In general, this thesis provides contributions on: (i) the performance of RISs based on accurate and realistic electromagnetic reradiation models. Moreover, it provides some of optimization frameworks for enhancing the communication system performance on the following two use case: (i) To jointly improves the information rate and the amount of harvested power in a RIS-aided MISO downlink multiuser wireless network. (ii) enhancing spectral efficiency for large number of users located on cell edge or on the other side of the RIS by utilizing the intelligent omni-surfaces (IOSs).Chapter 1 introduces the challenges of fulfilling the requirements of of 6G networks, the concept of smart radio environments and RIS as it is one of the enabling technologies. In future communications, RIS is a key technique that will have potential applications which will achieve seamless connectivity and less energy consumption at the same time. Chapter 2 also introduces the state-of-art optimization techniques developed for RIS-aided systems. Firstly, it introduces the system models of RIS-aided MIMO systems and then investigates the reflection principle of RISs. In addition, it introduces the Optimization techniques challenges of RIS-assisted systems. Also, the proposed optimization techniques for designing the continuous and discrete phase shifts are presented in detail. Chapter 3 studies the impact of realistic reradiation models for RISs as a function of the sub-wavelength inter-distance between nearby elements of the RIS, the quantization levels of the reflection coefficients, the interplay between the amplitude and phase of the reflection coefficients, and the presence of electromagnetic interference. In conclusion, our study shows that, due to design constraints, such as the need to use quantized reflection coefficients or the inherent interplay between the phase and the amplitude of the reflection coefficients, a RIS may reradiate power towards unwanted directions that depend on the intended and interfering electromagnetic waves. Chapter 4 considers the problem of simultaneously optimizing the information rate and the harvested power in a reconfigurable intelligent surface (RIS)-aided MISO downlink multiuser wireless network with simultaneous wireless information, and power transfer (SWIPT) is addressed. A practical algorithm is developed through an interplay of alternating optimization, sequential optimization, and pricing-based methods. Chapter 5 proposes an optimization algorithm that has a rapid convergence rate in a few iterations for maximizing the sum rate in IOS-aided MIMO broadcast channels, which can be exploited to serve the cell-edge user and enhance network coverage. This work's distinguishable feature lies in considering that the reflection and transmission coefficients of an IOS are tightly coupled. Finally, Chapter 6 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.
Récemment, l'émergence des surfaces intelligentes reconfigurables (RIS) a suscité une vive attention de l'industrie et du monde universitaire. Un RIS est une surface plane constituée d'un grand nombre d'éléments réfléchissants passifs à faible coût. En ajustant soigneusement les déphasages des éléments réfléchissants, un RIS peut remodeler l'environnement sans fil pour une meilleure communication. En général, cette thèse fournit des contributions sur : (i) les performances des RIS basées sur des modèles de rayonnement électromagnétique précis et réalistes. De plus, elle fournit des cadres d'optimisation pour améliorer la performance des systèmes de communication dans les deux cas d'utilisation suivants : (i) Améliorer conjointement le taux d'information et la quantité de puissance récoltée dans un réseau sans fil multi-utilisateurs MISO descendant assisté par les RIS. (ii) améliorer l'efficacité spectrale pour un grand nombre d'utilisateurs situés en bordure de cellule ou de l'autre côté du RIS en utilisant des omni-surfaces intelligentes (IOS). Le chapitre 1 présente les défis à relever pour répondre aux exigences des réseaux 6G, le concept d'environnements radio intelligents et les RIS, qui constituent l'une des technologies habilitantes. Dans les communications futures, les RIS sont une technique clé qui aura des applications potentielles permettant d'obtenir une connectivité sans faille tout en consommant moins d'énergie. Le chapitre 2 présente les systèmes de communication assistés par RIS. Le principe de réflexion, le problème d'estimation de canal et le problème de conception du système sont présentés en détail. Les recherches de pointe sur les problèmes d'estimation de canal et de conception de système sont passées en revue. Le chapitre 3 étudie l'impact de modèles de reradiation réalistes pour les RIS en fonction de l'inter-distance sub-longueur d'onde entre les éléments proches du RIS, les niveaux de quantification des coefficients de réflexion, l'interaction entre l'amplitude et la phase des coefficients de réflexion, et la présence d'interférences électromagnétiques. En conclusion, notre étude montre que, en raison de contraintes de conception, telles que la nécessité d'utiliser des coefficients de réflexion quantifiés ou l'interaction inhérente entre la phase et l'amplitude des coefficients de réflexion, un RIS peut reradir la puissance vers des directions non désirées qui dépendent des ondes électromagnétiques prévues et interférentes. Le chapitre 4 aborde le problème de l'optimisation simultanée du taux d'information et de la puissance récoltée dans un réseau sans fil multi-utilisateurs MISO en liaison descendante avec surface intelligente reconfigurable (RIS) et transfert simultané d'information et de puissance sans fil (SWIPT). Un algorithme pratique est développé par une interaction entre l'optimisation alternée, l'optimisation séquentielle et les méthodes basées sur les prix. Le chapitre 5 propose un algorithme d'optimisation qui a un taux de convergence rapide en quelques itérations pour maximiser le taux de somme dans les canaux de diffusion MIMO assistés par IOS, qui peut être exploité pour servir l'utilisateur de bord de cellule et améliorer la couverture du réseau. La particularité de ce travail est de considérer que les coefficients de réflexion et de transmission d'un IOS sont étroitement couplés. Enfin, le chapitre 6 résume les principales conclusions de la thèse et discute des orientations futures possibles qui méritent d'être étudiées pour libérer tout le potentiel des RIS et les mettre en pratique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03980506 , version 1 (09-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03980506 , version 1

Citer

Abdelhamed Mohamed. Optimization Techniques for Reconfigurable Intelligent Surfaces Assisted Wireless Networks. Networking and Internet Architecture [cs.NI]. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST137⟩. ⟨tel-03980506⟩
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