Surfaces Reconfigurables Intelligentes
Vers la conception de Réseaux de Télécommunications Intelligents et Programmables
Marco DI RENZO, directeur de recherche au CNRS Laboratoire des Signaux et Systèmes CentraleSupélec, Université Paris-Saclay marco.direnzo@centralesupelec.fr |
Nous vivons dans un monde d’ondes, le plus souvent, électromagnétiques. Au cours des dernières décennies, nous avons appris à utiliser de nombreux types d’ondes pour transférer des données entre deux ou plusieurs utilisateurs, sans besoin d’utiliser des conducteurs électriques comme moyen de transfert.
Et si on pouvait finalement contrôler et optimiser la propagation des ondes électromagnétiques à sa guise ?
Les réseaux de cinquième génération (5G) et les réseaux du futur (6G) sont un enjeu essentiel pour l’industrie, la société et la souveraineté numérique française et européenne. En effet, dans la dynamique de France Relance, la 5G et les futures technologies de télécommunications (la 6G) ont été identifiées comme un marché cible à fort potentiel de croissance sur lequel la France dispose de réelles capacités.
- Un monde d’ondes électromagnétiques. L’histoire des communications sans fil a commencé avec la compréhension des phénomènes électriques et magnétiques fondamentaux, ainsi qu’avec des expériences et inventions réalisées au cours de la seconde moitié du XVIIIe siècle et des premières décennies du XIXe siècle. Les communications sans fil sont définies et sont caractérisées par le transfert d’information entre deux ou plusieurs points, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un conducteur électrique comme support pour effectuer le transfert. Les technologies sans fil existantes utilisent très souvent des ondes électromagnétiques. Grâce à l’adoption généralisée de cinq normes de communications sans fil et aux activités récemment lancées sur la 6G, nous vivons effectivement dans un monde d’ondes électromagnétiques.
- Conception des réseaux de télécommunications 5G. Les systèmes de télécommunications sans fil standardisés utilisent une variété de technologies de transmission, de protocoles de communication et de stratégies de déploiement en réseaux, parmi lesquelles les systèmes en bande millimétriques, les systèmes massifs multi-entrées et multi-sorties (MIMO) et les réseaux hétérogènes ultra-denses. Les solutions couramment utilisées sont basées sur le déploiement, la conception et l’optimisation d’émetteurs, de récepteurs et d’éléments d’infrastructure réseau dotés de capacités d’amplification de puissance et de traitement des signaux numériques, ainsi que sur la disponibilité d’un réseau de liaison et d’un réseau électrique. Les émetteurs, les récepteurs, et les protocoles de transmission sont conçus en supposant de ne pas être en mesure de contrôler ni la façon dont les ondes électromagnétiques se propagent dans des environnements sans fil complexes ni la façon dont les ondes électromagnétiques interagissent avec des objets présents dans l’environnement considéré. Lorsqu’une onde électromagnétique frappe, par exemple, une paroi métallique ou une vitre, les ondes réfléchies et réfractées ne sont pas directement contrôlées par le réseau, mais elles sont déterminées par les propriétés des ondes électromagnétiques elles-mêmes et surtout par les propriétés des éléments constitutifs des objets qui interagissent avec les ondes électromagnétiques.
- Vers des environnements radio intelligents. Imaginons que des objets existants dans un environnement sans fil (comme une ville ou un bâtiment) soient recouverts ou même constitués de métamatériaux, c’est-à-dire de matériaux artificiels qui, lorsqu’ils sont éclairés par des ondes électromagnétiques, sont capables de modifier leurs propriétés physiques, notamment la phase, l’amplitude, la direction de réflexion, la direction de réfraction, la polarisation des ondes incidentes. Ces matériaux peuvent par conséquent contrôler et façonner de manière appropriée les ondes incidentes comme souhaité, et peuvent finalement permettre d’optimiser, de façon conjointe, la propagation des ondes électromagnétiques émises par des émetteurs, la manière dont elles interagissent avec des objets existants dans l’environnement considéré, et la manière dont elles sont décodées par des récepteurs, comme l’illustre la Fig. 1. Un réseau sans fil tel que celui montré dans la Fig. 1 est appelé environnement sans fil programmable ou environnement radio intelligent (SRE).
- Brique technologique : Surfaces reconfigurables intelligentes. La technologie clé permettant de réaliser les SRE, c’est-à-dire de programmer des environnements sans fil à sa guise, est la surface reconfigurable intelligente (RIS). Une RIS est un métamatériau bidimensionnel (une métasurface) qui peut être considéré comme une feuille très fine de métamatériau adaptatif et peu coûteux, qui, comme un papier peint, recouvre des parties de murs, de bâtiments, de plafonds et peut modifier les ondes radio qui l’éclairent, d’une manière qui peut être programmée et contrôlée à l’aide d’un système de control approprié. Une propriété importante d’une RIS est sa capacité d’être reconfigurable après son déploiement dans un réseau sans fil. Une illustration conceptuelle d’une RIS est présentée à la Fig. 2. Contrairement à ce qui peut être observé dans la 5G, les RIS n’émettent pas de nouvelles ondes électromagnétiques (comme des stations de base), mais elles sont employées à des fins de communication, à l’image de miroirs. Les RIS sont des dispositifs électroniques presque passifs qui sont capables de focaliser l’énergie de rayonnement et diminuer fortement la consommation et l’exposition aux ondes électromagnétiques. Les ondes radio rebondissent sur les RIS et peuvent être redirigées intelligemment vers des terminaux 6G. Les RIS sont en cours de spécification au sein de l’Institut Européen des Normes de Télécommunications (ETSI). Une vidéo réalisée par l’ETSI est disponible ici.
- Cas d’usage et applications. L’exploitation de ces propriétés inédites des RIS ouvre la voie à des différents cas d’usage. Il peut s’agir d’offrir des services pour booster la couverture et le débit sur une zone précise, ou encore pour assurer des communications plus sécurisées où les ondes ne seraient dirigées que vers des usagers intéressés, sans risque d’interception. Les RIS peuvent notamment réduire le niveau d’exposition aux ondes électromagnétiques : pour atteindre un même débit, les stations de base pourront émettre à un niveau de puissance moins élevé. Par conséquent, outre leur capacité de manipulation des ondes électromagnétiques, les RIS se distinguent par leur durabilité, car elles sont des surfaces presque passives ne nécessitant à priori pas, ou très peu, d’approvisionnement énergétique. Les activités de recherche sur les RIS et les SRE s’inscrivent donc dans une vision nationale et européenne de la 6G qui priorise, ou qui tient bien en compte lors de la conception des nouveaux réseaux de télécommunications, la réduction des impacts environnementaux et l’augmentation du niveau de sûreté. Les RIS facilitent donc la conception de systèmes numériques écoresponsables.
- PEPR-NF. Dans le cadre du projet PEPR-NF (https://pepr-futurenetworks.fr/), plusieurs activités de recherche et développement sont en cours sur les RIS et les SRE, notamment dans le cadre des projets ciblés PERSEUS, YACARI, SYSTERA et FOUND.
Références [1] M. Di Renzo et al., « Smart Radio Environments Empowered by Reconfigurable Intelligent Surfaces: How It Works, State of Research, and The Road Ahead, » in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 38, no. 11, pp. 2450-2525, Nov. 2020, doi: 10.1109/JSAC.2020.3007211. [2] M. Di Renzo et al., « Intelligent Surfaces Empowered Wireless Network: Recent Advances and the Road to 6G, » in Proceedings of the IEEE, 2024, doi: 10.1109/JPROC.2024.3397910. [3] M. Di Renzo et al., « Reconfigurable Intelligent Surfaces: Performance Assessment Through a System-Level Simulator, » in IEEE Wireless Communications, vol. 30, no. 4, pp. 98-106, August 2023, doi: 10.1109/MWC.015.2100668. [4] M. Di Renzo et al., « A Path to Smart Radio Environments: An Industrial Viewpoint on Reconfigurable Intelligent Surfaces, » in IEEE Wireless Communications, vol. 29, no. 1, pp. 202-208, February 2022, doi: 10.1109/MWC.111.2100258. [5] C. -K. Wen, L. -S. Tsai, A. Shojaeifard, P. -K. Liao, K. -K. Wong and C. -B. Chae, « Shaping a Smarter Electromagnetic Landscape: IAB, NCR, and RIS in 5G Standard and Future 6G, » in IEEE Communications Standards Magazine, vol. 8, no. 1, pp. 72-78, March 2024, doi: 10.1109/MCOMSTD.0008.2300036. [6] Y. Yuan, M. Di Renzo at al., “Reconfigurable Intelligent Surface (RIS) System Level Simulations for Industry Standards”, 2024. Available: https://arxiv.org/abs/2409.13405. |