le MIT dévoile un développement pionnier dans le domaine de la technologie de communication sous-marine

Le système pourrait être utilisé pour une communication sous-marine sans batterie sur des distances kilométriques, afin de faciliter la surveillance du changement climatique et côtier.

MIT les chercheurs ont démontré le premier système de réseautage et de communication sous-marin à très faible consommation, capable de transmettre des signaux sur des distances kilométriques.

Cette technique, que les chercheurs ont commencé à développer il y a plusieurs années, utilise environ un millionième de la puissance utilisée par les méthodes de communication sous-marines existantes. En élargissant la portée de communication de leur système sans batterie, les chercheurs ont rendu la technologie plus réalisable pour des applications telles que l’aquaculture, la prévision des ouragans côtiers et la modélisation du changement climatique.

« Ce qui était au départ une idée intellectuelle très passionnante il y a quelques années – une communication sous-marine avec une puissance un million de fois inférieure – est désormais pratique et réaliste. Il reste encore quelques défis techniques intéressants à relever, mais il y a un chemin clair à parcourir jusqu’au déploiement », déclare Fadel Adib, professeur agrégé au Département de génie électrique et d’informatique et directeur du groupe Signal Kinetics du Laboratoire des médias du MIT.

La puissance de la rétrodiffusion sous-marine

La rétrodiffusion sous-marine permet une communication à faible consommation en codant les données dans des ondes sonores qu’elle réfléchit ou diffuse vers un récepteur. Ces innovations permettent de diriger plus précisément les signaux réfléchis vers leur source.

Grâce à cette « rétrodirectivité », moins de signaux se dispersent dans les mauvaises directions, ce qui permet une communication plus efficace et à plus longue portée.

Lorsqu’il a été testé dans une rivière et un océan, le dispositif rétrodirectif a présenté une portée de communication plus de 15 fois supérieure à celle des dispositifs précédents. Cependant, les expériences étaient limitées par la longueur des quais dont disposaient les chercheurs.

Pour mieux comprendre les limites de la rétrodiffusion sous-marine, l’équipe a également développé un modèle analytique permettant de prédire la portée maximale de la technologie. Le modèle, qu’ils ont validé à l’aide de données expérimentales, a montré que leur système rétrodirectif pouvait communiquer sur des distances kilométriques.

Les chercheurs ont partagé ces résultats dans deux articles qui seront présentés aux conférences ACM SIGCOMM et MobiCom de cette année. Adib, auteur principal des deux articles, est rejoint sur l’article SIGCOMM par les co-auteurs principaux Aline Eid, ancienne postdoctorante qui est maintenant professeure adjointe à l’Université du Michigan, et Jack Rademacher, assistant de recherche ; ainsi que les assistants de recherche Waleed Akbar et Purui Wang, et le postdoctorant Ahmed Allam. L’article de MobiCom est également rédigé par les co-auteurs principaux Akbar et Allam.

Communiquer avec les ondes sonores

Les dispositifs de communication sous-marins à rétrodiffusion utilisent un ensemble de nœuds fabriqués à partir de matériaux « piézoélectriques » pour recevoir et réfléchir les ondes sonores. Ces matériaux produisent un signal électrique lorsqu’une force mécanique leur est appliquée.

Lorsque les ondes sonores frappent les nœuds, ils vibrent et convertissent l’énergie mécanique en charge électrique. Les nœuds utilisent cette charge pour diffuser une partie de l’énergie acoustique vers la source, transmettant des données qu’un récepteur décode en fonction de la séquence de réflexions.

Mais comme le signal rétrodiffusé se propage dans toutes les directions, seule une petite fraction atteint la source, ce qui réduit la puissance du signal et limite la portée de communication.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé un appareil radio vieux de 70 ans appelé réseau Van Atta, dans lequel des paires symétriques d’antennes sont connectées de telle manière que le réseau réfléchit l’énergie dans la direction d’où elle vient.

Cependant, connecter des nœuds piézoélectriques pour créer un réseau Van Atta réduit leur efficacité. Les chercheurs ont évité ce problème en plaçant un transformateur entre des paires de nœuds connectés. Le transformateur, qui transfère l’énergie électrique d’un circuit à un autre, permet aux nœuds de refléter la quantité maximale d’énergie vers la source.

« Les deux nœuds reçoivent et les deux nœuds réfléchissent, c’est donc un système très intéressant. À mesure que vous augmentez le nombre d’éléments dans ce système, vous construisez un réseau qui vous permet d’atteindre des portées de communication beaucoup plus longues », explique Eid.

De plus, ils ont utilisé une technique appelée commutation de polarité croisée pour coder les données binaires dans le signal réfléchi. Chaque nœud a une borne positive et une borne négative (comme une batterie de voiture), donc lorsque les bornes positives de deux nœuds sont connectées et que les bornes négatives de deux nœuds sont connectées, ce signal réfléchi est un « bit un ».

Mais si les chercheurs inversent la polarité et que les bornes négatives et positives sont connectées les unes aux autres, alors la réflexion est un « bit zéro ».

« Il ne suffit pas de simplement connecter les nœuds piézoélectriques entre eux. En alternant les polarités entre les deux nœuds, nous sommes en mesure de retransmettre les données au récepteur distant », explique Rademacher.

Lors de la construction du réseau Van Atta, les chercheurs ont découvert que si les nœuds connectés étaient trop proches, ils se bloqueraient mutuellement. Ils ont conçu une nouvelle conception avec des nœuds décalés qui permettent aux signaux d’atteindre le réseau depuis n’importe quelle direction. Avec cette conception évolutive, plus une baie comporte de nœuds, plus sa portée de communication est grande.

Ils ont testé le réseau dans plus de 1 500 essais expérimentaux dans la rivière Charles à Cambridge, dans le Massachusetts, et dans l’océan Atlantique, au large de Falmouth, dans le Massachusetts, en collaboration avec la Woods Hole Oceanographic Institution. L’appareil a atteint une portée de communication de 300 mètres, soit plus de 15 fois plus longue que ce qui avait été démontré précédemment.

Cependant, ils ont dû écourter les expériences car ils manquaient d’espace sur le quai.

Modélisation du maximum

Cela a inspiré les chercheurs à construire un modèle analytique pour déterminer les limites de communication théoriques et pratiques de cette nouvelle technologie de rétrodiffusion sous-marine.

S’appuyant sur les travaux de leur groupe sur les RFID, l’équipe a soigneusement élaboré un modèle qui capture l’impact des paramètres du système, tels que la taille des nœuds piézoélectriques et la puissance d’entrée du signal, sur la plage de fonctionnement sous-marine de l’appareil.

« Il ne s’agit pas d’une technologie de communication traditionnelle, vous devez donc comprendre comment quantifier la réflexion. Quels sont les rôles des différents composants dans ce processus ? dit Akbar.

Par exemple, les chercheurs devaient dériver une fonction capable de capturer la quantité de signal réfléchie par un nœud piézoélectrique sous-marin d’une taille spécifique, ce qui constituait l’un des plus grands défis du développement du modèle, ajoute-t-il.

Ils ont utilisé ces informations pour créer un modèle plug-and-play dans lequel un utilisateur pouvait saisir des informations telles que la puissance d’entrée et les dimensions du nœud piézoélectrique et recevoir une sortie indiquant la portée attendue du système.

Ils ont évalué le modèle sur la base des données de leurs essais expérimentaux et ont découvert qu’il pouvait prédire avec précision la gamme de signaux acoustiques rétrodirigés avec une erreur moyenne inférieure à un décibel.

À l’aide de ce modèle, ils ont montré qu’un réseau de rétrodiffusion sous-marine pouvait potentiellement atteindre des portées de communication d’un kilomètre.

« Nous créons une nouvelle technologie océanique et la propulsons dans le domaine de ce que nous faisons pour les réseaux cellulaires 6G. Pour nous, c’est très gratifiant car nous commençons désormais à voir cela très proche de la réalité », déclare Adib.

Les chercheurs prévoient de continuer à étudier les réseaux de rétrodiffusion sous-marine de Van Atta, peut-être en utilisant des bateaux afin de pouvoir évaluer des portées de communication plus longues. En cours de route, ils ont l’intention de publier des outils et des ensembles de données afin que d’autres chercheurs puissent s’appuyer sur leurs travaux. Parallèlement, ils commencent à s’orienter vers la commercialisation de cette technologie.

« La portée limitée constitue un problème récurrent dans les réseaux de rétrodiffusion sous-marine, empêchant leur utilisation dans des applications réelles. Cet article constitue un pas en avant significatif dans l’avenir des communications sous-marines, en leur permettant de fonctionner avec un minimum d’énergie tout en atteignant une longue portée », déclare Omid Abari, professeur adjoint d’informatique à l’Université de Californie à Los Angeles, qui n’a pas participé. avec ce travail. « Cet article est le premier à introduire la technique du réseau de réflecteurs Van Atta dans les contextes de rétrodiffusion sous-marine et à démontrer ses avantages pour améliorer la portée de communication de plusieurs ordres de grandeur. Cela peut rapprocher la communication sous-marine sans batterie de la réalité, permettant des applications telles que la surveillance sous-marine du changement climatique et la surveillance côtière.

«Activer la rétrodiffusion sous-marine à longue portée via les réseaux acoustiques Van Atta» par Aline Eid, Jack Rademacher, Waleed Akbar, Purui Wang, Ahmed Allam et Fadel Adib, SIGCOM.
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« Le canal de rétrodiffusion sous-marine : théorie, bilan de liaison et validation expérimentale » par Waleed Akbar, Ahmed Allam et Fadel Adib, MobiCom.
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Cette recherche a été financée en partie par l’Office of Naval Research, la Sloan Research Fellowship, la National Science Foundation, le MIT Media Lab et la Doherty Chair in Ocean Utilization.