Des chercheurs du MIT ont démontré le premier système de réseautage et de communication sous-marin à très faible consommation capable de transmettre des signaux sur une portée d'un kilomètre. La technologie, que les chercheurs ont commencé à développer il y a plusieurs années, consomme environ un million de fois moins d’énergie que les méthodes de communication sous-marines existantes. En étendant la portée de communication des systèmes sans batterie, les chercheurs rendent la technologie plus applicable à des applications telles que l'aquaculture, la prévision des ouragans côtiers et la modélisation du changement climatique.
"Les communications sous-marines avec un million de fois moins de puissance étaient une idée très excitante il y a quelques années à peine, mais elles sont désormais réalisables. Même s'il reste encore des défis techniques intéressants à résoudre, il existe un chemin clair à suivre pour le déploiement", a déclaré Fadel Adib, professeur agrégé au département de génie électrique et d'informatique et directeur du groupe de dynamique des signaux au Media Lab du MIT.
L'appareil est un réseau de capteurs piézoélectriques qui permet des communications sous-marines sans batterie. Source de l'image : Fournie par des chercheurs
La rétrodiffusion sous-marine permet des communications à faible puissance en codant les données dans des ondes sonores qui sont ensuite réfléchies ou diffusées vers le récepteur. Ces innovations permettent de diriger plus précisément les signaux réfléchis vers la source.
Grâce à cette « directivité inverse », moins de signaux sont diffusés dans la mauvaise direction, ce qui permet des communications plus efficaces et à plus longue portée. Lorsqu’il a été testé dans les rivières et les océans, le dispositif à sens inverse communiquait à une portée plus de 15 fois supérieure à celle des dispositifs précédents. Cependant, les expériences étaient limitées par la longueur du quai 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. Ils ont validé le modèle à l’aide de données expérimentales, montrant que leur système à direction inverse peut communiquer sur une portée d’un kilomètre.
Les chercheurs ont partagé ces résultats dans deux articles qui seront présentés aux conférences ACMSIGCOMM et MobiCom de cette année. Adib est l'auteur principal de ces deux articles. Il a co-écrit l'article SIGCOMM avec l'ancienne boursière postdoctorale Aline Eid, aujourd'hui professeure adjointe à l'Université du Michigan, et l'assistant de recherche Jack Rademacher, ainsi qu'avec les assistants de recherche Waleed Akbar, Purui Wang et le boursier postdoctoral Ahmed Allam. Les co-premiers auteurs de l'article MobiCom sont également Akbar et Allam.
Trois membres de l'équipe mènent des expériences au Woods Hole Research Institute. Source de l'image : Fournie par des chercheurs
Communiquer grâce aux ondes sonores
Les dispositifs de communication sous-marins à rétrodiffusion utilisent des réseaux de nœuds constitués de matériaux « piézoélectriques » pour recevoir et réfléchir les ondes sonores. Ces matériaux produisent des signaux électriques lorsqu’ils sont soumis à des forces mécaniques.
Lorsque les ondes sonores frappent les nœuds, elles vibrent et convertissent l'énergie mécanique en charges électriques. Le nœud utilise des charges électriques pour diffuser une partie de l'énergie acoustique vers la source, transmettant des données, et le récepteur décode les données en fonction de la séquence de réflexions. Cependant, comme les signaux rétrodiffusés se propagent dans toutes les directions, seule une petite partie atteint la source sonore, ce qui réduit la puissance du signal et limite la portée de communication.
Pour surmonter ce problème, les chercheurs ont tiré parti d'un dispositif radio vieux de 70 ans appelé réseau Van Atta, dans lequel une paire symétrique d'antennes est connectée de telle manière que le réseau réfléchit l'énergie en direction de la source du signal.
Cependant, connecter des nœuds piézoélectriques pour former un réseau Van Atta réduit son efficacité. Les chercheurs ont évité ce problème en plaçant un transformateur entre des paires de nœuds connectés. Les transformateurs transfèrent l'énergie électrique d'un circuit à un autre, permettant aux nœuds de refléter un maximum d'énergie vers la source.
"Les deux nœuds reçoivent et réfléchissent, c'est donc un système très intéressant", explique Ed. "À mesure que le nombre d'éléments dans le système augmente, vous pouvez créer un réseau permettant des distances de communication plus longues."
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 les bornes négatives de deux nœuds sont connectées, le signal réfléchi est « 1 bit ».
Mais si les chercheurs inversent la polarité et connectent les pôles négatif et positif entre eux, le signal réfléchi est « nul ».
"Il ne suffit pas de simplement connecter des nœuds piézoélectriques entre eux. En alternant la polarité des deux nœuds, nous pouvons retransmettre les données au récepteur distant", explique Rademacher.
Lors de la construction du réseau VanAtta, les chercheurs ont découvert que si les nœuds connectés étaient trop proches, ils se bloqueraient mutuellement. Ils ont conçu une nouvelle conception dans laquelle les nœuds sont entrelacés afin que les signaux puissent atteindre le réseau depuis n'importe quelle direction. Avec cette conception évolutive, plus le réseau comporte de nœuds, plus la portée de communication est grande.
En collaboration avec la Woods Hole Oceanographic Institution, ils ont mené plus de 1 500 tests expérimentaux du réseau sur la rivière Charles à Cambridge, dans le Massachusetts, et dans l'océan Atlantique au large de Falmouth, dans le Massachusetts. L'appareil a une portée de communication de 300 mètres, soit plus de 15 fois plus longue que ce qu'ils ont démontré précédemment.
Cependant, en raison du manque d’espace sur le quai, ils ont dû raccourcir l’expérience.
Maximum de simulation
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 recherches de leur groupe sur l'identification par radiofréquence (RFID), l'équipe de recherche a conçu un modèle pour capturer 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 les réflexions. 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 réfléchi par un nœud piézoélectrique sous-marin d’une taille spécifique, ce qui constituait l’un des plus grands défis lors du développement du modèle.
Ils ont utilisé ces informations pour créer un modèle plug-and-play dans lequel les utilisateurs peuvent saisir des informations telles que la puissance d'entrée et la taille du nœud piézoélectrique et obtenir une sortie indiquant la portée attendue du système.
Ils ont évalué le modèle par rapport à des données expérimentales et ont constaté que le modèle pouvait prédire avec précision la gamme de signaux acoustiques inverses avec une erreur moyenne inférieure à 1 dB. En utilisant ce modèle, ils ont découvert que les réseaux de rétrodiffusion sous-marine ont le potentiel d’atteindre des distances de communication de plusieurs kilomètres.
"Nous créons une nouvelle technologie océanique et la poussons dans le domaine des réseaux cellulaires 6G comme nous le faisons", a déclaré Adib. "C'est une chose très significative pour nous car nous commençons maintenant à voir cette technologie très proche de la réalité."
Les chercheurs prévoient de continuer à étudier le réseau de rétrodiffusion sous-marine VanAtta, peut-être en utilisant des navires, afin de pouvoir évaluer des portées de communication plus longues. Dans le même temps, ils prévoient également de publier des outils et des ensembles de données afin que d’autres chercheurs puissent s’en inspirer. Dans le même temps, ils commencent également à s’orienter vers la commercialisation de la technologie.
"La portée limitée est un problème ouvert pour les réseaux de rétrodiffusion sous-marine, entravant leur utilisation dans des applications réelles." Omid Abari, professeur adjoint d'informatique à l'UCLA, a déclaré : "Cet article permet aux communications sous-marines d'atteindre une transmission longue distance tout en fonctionnant avec un minimum d'énergie, permettant ainsi de futures communications sous-marines." Cet article constitue une avancée importante dans le domaine de la communication. Cet article présente pour la première fois la technologie de réseau VanAttaReflector dans un environnement de rétrodiffusion sous-marine et démontre les avantages de cette technologie pour augmenter 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.