Les chercheurs du MIT ont pris des mesures pour résoudre un problème de longue date en matière de communication sans fil: la transmission directe de données entre des appareils sous-marins et aériens.

Dans un nouveau système développé par des chercheurs du MIT, les signaux sonar sous-marins provoquent des vibrations pouvant être décodées par un récepteur aéroporté.

Aujourd’hui, les capteurs sous-marins ne peuvent pas partager les données avec ceux à terre, car ils utilisent des signaux sans fil différents qui ne fonctionnent que sur leurs supports respectifs. Les signaux radio qui traversent l’air meurent très rapidement dans l’eau. Les signaux acoustiques, ou sonar, envoyés par des appareils sous-marins se réfléchissent principalement sur la surface sans jamais la traverser. Cela entraîne des inefficacités et d’autres problèmes pour diverses applications, telles que l’exploration des océans et les communications entre sous-marins et avions.

Dans un document présenté cette semaine lors de la conférence SIGCOMM, les chercheurs du MIT Media Lab ont conçu un système qui aborde ce problème de manière novatrice. Un transmetteur sous-marin envoie un signal sonar à la surface de l’eau, provoquant de minuscules vibrations correspondant aux 1 et 0 transmis. Au-dessus de la surface, un récepteur très sensible lit ces minuscules perturbations et décode le signal du sonar.

« Tenter de traverser la frontière air-eau avec des signaux sans fil a été un obstacle. Notre idée est de transformer l’obstacle lui-même en un moyen de communication », explique Fadel Adib, professeur adjoint au Media Lab, qui dirige cette recherche. Il a co-écrit le papier avec son étudiant diplômé Francesco Tonolini.

Le système, appelé « communication acoustique-RF translationnelle » (TARF : Translational Acoustic-RF Communication), en est encore à ses débuts, précise Fadel dit Adib. Mais cela représente une étape importante, dit-il, qui pourrait ouvrir de nouvelles capacités dans les communications eau-air. En utilisant le système, les sous-marins militaires, par exemple, n’auraient pas besoin de faire surface pour communiquer avec les avions, compromettant ainsi leur emplacement. Et les drones sous-marins qui surveillent la vie marine n’auront pas besoin de refaire constamment surface à partir de plongées profondes pour envoyer des données aux chercheurs.

Une autre application prometteuse est d’aider les recherches d’avions qui disparaissent sous l’eau. « Les balises émettrices acoustiques peuvent être mises en œuvre, par exemple, dans une boîte noire d’avion », explique Fadel Adib. « Si elles transmettent un signal de temps en temps, vous pouvez utiliser le système pour capter ce signal. »

Vibrations de décodage

Les solutions technologiques actuelles à ce problème de communication sans fil présentent divers inconvénients. Les bouées, par exemple, ont été conçues pour capter les ondes sonar, traiter les données et transmettre des signaux radio aux récepteurs aéroportés. Mais celles-ci peuvent disparaître et se perdre. Beaucoup sont également tenues de couvrir de vastes zones, ce qui les rend impraticables, par exemple, pour les communications entre sous-marins et la surface.

TARF comprend un émetteur acoustique sous-marin qui envoie des signaux sonar à l’aide d’un haut-parleur acoustique standard. Les signaux circulent sous forme d’ondes de pression de différentes fréquences correspondant à différents bits de données. Par exemple, lorsque l’émetteur veut envoyer un 0, il peut transmettre une onde se déplaçant à 100 hertz; pour un 1, il peut transmettre une onde de 200 hertz. Lorsque le signal frappe la surface, il provoque de minuscules ondulations dans l’eau, de quelques micromètres seulement, correspondant à ces fréquences.

Pour atteindre des débits de données élevés, le système transmet plusieurs fréquences en même temps, en s’appuyant sur un schéma de modulation utilisé dans la communication sans fil, appelé multiplexage orthogonal par répartition en fréquence. Cela permet aux chercheurs de transmettre des centaines de bits à la fois.

Placé dans l’air au-dessus de l’émetteur se trouve un nouveau type de radar à très haute fréquence qui traite les signaux dans le spectre des ondes millimétriques de la transmission sans fil, entre 30 et 300 gigahertz. (C’est la bande où le prochain réseau sans fil 5G haute fréquence fonctionnera.)

Le radar, qui ressemble à une paire de cônes, transmet un signal radio qui se reflète sur la surface vibrante et retourne au radar. En raison de la manière dont le signal entre en collision avec les vibrations de la surface, le signal retourne avec un angle légèrement modulé correspondant exactement au bit de données envoyé par le signal du sonar. Une vibration sur la surface de l’eau représentant un bit 0, par exemple, fera vibrer l’angle du signal réfléchi à 100 hertz.

« La réflexion radar variera un peu chaque fois que vous rencontrerez une forme de déplacement comme à la surface de l’eau », explique Fadel Adib. « En prenant ces minuscules changements d’angle, nous pouvons capter ces variations qui correspondent au signal du sonar. »

Ecouter « le chuchotement »

L’un des principaux défis consistait à aider le radar à détecter la surface de l’eau. Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé une technologie qui détecte les réflexions dans un environnement et les organise en fonction de la distance et de la puissance. L’eau ayant la réflexion la plus puissante dans l’environnement du nouveau système, le radar connaît la distance à la surface. Une fois que cela est établi, il effectue un zoom avant sur les vibrations à cette distance, ignorant toutes les autres perturbations à proximité.

Le prochain défi majeur consistait à capturer des ondes micrométriques entourées d’ondes naturelles beaucoup plus grandes. Les vagues les plus petites des jours calmes, appelées ondes capillaires, ne mesurent que 2 centimètres environ, mais sont 100 000 fois plus larges que les vibrations. Les mers plus grossières peuvent créer des vagues 1 million de fois plus grandes. « Cela interfère avec les minuscules vibrations acoustiques à la surface de l’eau », explique Fadek Adib. « C’est comme si quelqu’un hurlait et que tu essayais d’entendre quelqu’un chuchoter en même temps. »

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé des algorithmes sophistiqués de traitement du signal. Les ondes naturelles se produisent à environ 1 ou 2 hertz – ou, une ou deux vagues se déplaçant sur la zone du signal toutes les secondes. Les vibrations sonar de 100 à 200 hertz sont cependant cent fois plus rapides. En raison de cette différence de fréquence, l’algorithme se met à zéro sur les ondes rapides tout en ignorant les ondes les plus lentes.

Tester les eaux

Les chercheurs ont testé le TARF 500 fois dans un réservoir d’eau et dans deux piscines différentes sur le campus du MIT.

Dans le réservoir, le radar était placé entre 20 centimètres et 40 centimètres au-dessus de la surface et l’émetteur sonar était placé de 5 centimètres à 70 centimètres sous la surface. Dans les piscines, le radar était positionné à environ 30 centimètres au-dessus de la surface, tandis que l’émetteur était immergé à environ 3,5 mètres plus bas. Dans ces expériences, les chercheurs ont également eu des nageurs créant des vagues qui ont atteint environ 16 centimètres.

Dans les deux cas, TARF était capable de décoder avec précision diverses données, telles que la phrase « Bonjour! sous l’eau « – à des centaines de bits par seconde, similaire aux débits de données standard pour les communications sous-marines. « Même s’il y avait des nageurs qui nageaient à proximité et provoquaient des perturbations et des courants d’eau, nous avons pu décoder ces signaux rapidement et avec précision », explique Fadel Adib.

Sur des ondes supérieures à 16 centimètres, le système ne peut pas décoder les signaux. Les prochaines étapes consistent, entre autres, à affiner le système pour qu’il fonctionne dans des eaux plus rugueuses. « Il peut faire face à des journées calmes et faire face à certaines perturbations de l’eau. Mais [pour que ce soit pratique], nous avons besoin de cela pour travailler tous les jours et tous les temps », explique Fadel Adib.

Les chercheurs espèrent également que leur système pourrait éventuellement permettre à un drone ou à un avion en vol de traverser une surface d’eau de capter et de décoder constamment les signaux sonar tout en effectuant un zoom avant.

https://news.mit.edu/2018/wireless-communication-through-water-air-0822