La demande croissante de débits ultra-élevés et d’une efficacité spectrale accrue encourage l’exploration de la communication en térahertz (THz) comme une solution prometteuse pour les réseaux sans fil de prochaine génération. Offrant la possibilité d’atteindre des débits allant jusqu’à plusieurs téraoctets par seconde (Tbps), la communication THz ouvre de nouvelles opportunités pour des applications innovantes comme le streaming vidéo en ultra-haute définition, la réalité virtuelle et l’Industrie 4.0. Cependant, le déploiement pratique de la communication THz rencontre des défis importants en raison de la forte perte de trajet, de l’absorption moléculaire et de la portée de transmission limitée dans la bande de fréquences THz. Pour surmonter ces limitations, les surfaces intelligentes reconfigurables (IRS) sont apparues comme une solution permettant de manipuler dynamiquement l’environnement de propagation sans fil, améliorant ainsi la couverture et les performances du système.
Cette thèse examine l’intégration des IRS dans les réseaux de communication THz afin d’atténuer les défis de propagation et d’améliorer l’efficacité du système. Nous proposons des algorithmes et modèles novateurs pour optimiser les performances des réseaux THz assistés par IRS, en mettant l’accent sur la gestion des ressources et l’association des utilisateurs dans des conditions réalistes, y compris des informations imparfaites sur l’état du canal (CSI). En tirant parti de la capacité des IRS à ajuster les propriétés de réflexion et à diriger les signaux, le cadre proposé améliore considérablement les débits et la fiabilité.
Dans ce contexte, le deuxième chapitre de cette thèse présente l’application des IRS dans les réseaux THz avec des CSI imparfaits. Plus précisément, nous présentons un modèle de canal trigonométrique basé sur l’angle pour faciliter l’évaluation des performances des réseaux THz assistés par IRS. De plus, afin de maximiser le débit global, nous formulons le problème d’association émetteur (Tx)-IRS-récepteur (Rx), qui est un problème de programmation non linéaire à variables mixtes (MINLP). Pour aborder ce problème NP-difficile, nous proposons des solutions basées sur l’algorithme de Gale-Shapley afin d’obtenir une association stable entre les émetteurs et les IRS, et entre les récepteurs et les IRS, dans les premier et deuxième sous-problèmes respectivement. L’impact de la puissance de transmission, du nombre d’éléments IRS et de la zone de couverture du réseau sur le débit global est étudié. Par ailleurs, l’algorithme proposé a été évalué en le comparant à des méthodes telles que la recherche exhaustive (ES), l’association la plus proche, la recherche gloutonne et l’allocation aléatoire, afin de valider son efficacité. L’analyse de la complexité et de la convergence démontre que la complexité de calcul de notre algorithme est inférieure à celle de la méthode ES.
Le troisième chapitre de cette thèse présente l’utilisation des IRS pour améliorer la communication THz pour l’Internet des objets industriel (IIoT), un élément clé pour la construction de systèmes industriels interconnectés à grande échelle. Ce chapitre propose un système de communication THz assisté par IRS pour les réseaux IIoT. Un problème d’allocation de puissance et d’association conjointe des dispositifs IIoT et des IRS (JIIA) est formulé comme un problème MINLP visant à maximiser le débit global dans des conditions de CSI imparfait. En raison de la nature NP-difficile du problème, il est décomposé en sous-problèmes qui sont résolus de manière itérative. Une solution basée sur l’algorithme de Gale-Shapley est proposée pour obtenir une association stable entre les IRS en liaison montante et descendante, et les performances sont validées par rapport à la recherche exhaustive, la recherche gloutonne, et les méthodes d’association aléatoire. L’analyse de la complexité montre que l’approche proposée réduit significativement la surcharge de calcul par rapport aux méthodes de recherche exhaustive tout en maintenant une efficacité élevée.
Le quatrième chapitre de cette thèse explore la coexistence des services de large bande mobile améliorée (eMBB) et de communication ultra-fiable et à faible latence (URLLC) au sein des réseaux THz assistés par IRS. Le support simultané des services eMBB et URLLC dans le même réseau introduit des défis complexes de gestion des ressources (RM). Pour relever ces défis, nous formulons un problème d’allocation conjointe de puissance et d’utilisateurs (JPUA) visant à maximiser le débit de données atteignable pour les utilisateurs eMBB. Plus précisément, nous développons un modèle de jeu d’association un-à-plusieurs pour allouer de manière optimale les IRS aux utilisateurs eMBB, garantissant ainsi une utilisation efficace des ressources. Les résultats de simulation démontrent que le schéma proposé surpasse les méthodes de référence en termes de débits de données globaux pour les utilisateurs eMBB.
Le cinquième chapitre de cette thèse examine la coexistence des services eMBB et URLLC dans un réseau multi-cellules THz assisté par IRS, ce qui introduit des défis supplémentaires en matière de RM. Dans ce chapitre, nous proposons un cadre d’allocation conjointe de puissance, d’utilisateurs, et de services (JPUSA), formulé comme un problème d’optimisation multiobjectifs visant à maximiser le débit de données des utilisateurs eMBB tout en garantissant la fiabilité des utilisateurs URLLC. Le problème NP-difficile MINLP est abordé en le transformant en un problème d’optimisation à objectif unique à l’aide de la méthode des sommes pondérées. Le problème est ensuite décomposé en sous-problèmes RM pour eMBB et URLLC. Un jeu d’association un-à-plusieurs est utilisé pour allouer les IRS aux utilisateurs eMBB, tandis qu’une technique de perforation attribue les ressources eMBB aux utilisateurs URLLC. Les simulations montrent que le schéma proposé surpasse significativement les méthodes de référence, notamment en termes de débit global pour les utilisateurs eMBB et de fiabilité pour les utilisateurs URLLC. Le débit global obtenu par l’algorithme proposé pour les utilisateurs eMBB se rapproche de celui de la méthode ES, tout en maintenant une complexité de calcul inférieure à celle de ES, ce qui le rend très efficace pour les déploiements en réseau multi-cellules.
Dans le sixième chapitre, nous approfondissons la coexistence des services de haut débit mobile amélioré (FeMBB) et des communications ultra-fiables à faible latence extrême (eURLLC) au sein d’un réseau hybride millimétrique (mmWave) et THz assisté par des surfaces intelligentes reconfigurables (IRS). Pour résoudre le problème de blocage de la ligne de visée (LOS) qui est courant dans ces bandes de fréquences élevées, nous proposons un schéma de déploiement hybride intégrant à la fois des IRS terrestres et aériens. Un concept novateur de sous-IRS est introduit, dans lequel de grandes surfaces IRS sont divisées en unités plus petites pour servir simultanément plusieurs utilisateurs. La coexistence des services FeMBB et eURLLC dans le même réseau complique davantage l’allocation des ressources (RA). Pour y remédier, un problème d’optimisation multi-objectifs est formulé pour optimiser conjointement les allocations de puissance, d’utilisateurs et de services, dans le but de maximiser le débit des données FeMBB tout en garantissant la fiabilité des eURLLC. En raison de la nature NP-difficile du problème, il est converti en un problème d’optimisation à objectif unique à l’aide de la méthode des sommes pondérées, puis décomposé en deux sous-problèmes pour l’allocation des ressources FeMBB et eURLLC, respectivement. Un jeu d’appariement à plusieurs correspondances est utilisé pour allouer les IRS aux utilisateurs FeMBB, optimisant ainsi l’utilisation des ressources. Les résultats de simulation indiquent que le schéma proposé dépasse non seulement les méthodes de référence traditionnelles, mais qu’il atteint également un débit global des FeMBB proche de celui des méthodes de recherche exhaustive, tout en réduisant considérablement la complexité computationnelle.
| Date | 30 mai 2025 |
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| langue originale | Anglais américain |
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| Établissement diplômant | - École de technologie supérieure
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| Superviseur | Georges Kaddoum (Directeur(-trice)) |
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