Les chercheurs du MIT ont fait un pas vers la résolution d'un défi de longue date avec la communication sans fil :la transmission directe de données entre les appareils sous-marins et aéroportés.

Aujourd'hui, les capteurs sous-marins ne peuvent pas partager de données avec ceux à terre, car les deux utilisent des signaux sans fil différents qui ne fonctionnent que dans leurs supports respectifs. Les signaux radio qui voyagent dans l'air meurent très rapidement dans l'eau. Signaux acoustiques, ou sonar, envoyés par des appareils sous-marins se reflètent principalement sur la surface sans jamais percer. Cela provoque des inefficacités et d'autres problèmes pour une variété d'applications, comme l'exploration océanique et la communication sous-marin-avion.

Dans un article présenté à la conférence SIGCOMM de cette semaine, Les chercheurs du MIT Media Lab ont conçu un système qui s'attaque à ce problème d'une manière nouvelle. Un émetteur sous-marin dirige un signal sonar vers la surface de l'eau, provoquant de minuscules vibrations qui correspondent aux 1 et aux 0 transmis. Au dessus de la surface, un récepteur très sensible lit ces infimes perturbations et décode le signal sonar.

"Essayer de franchir 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, " dit Fadel Adib, professeur assistant au Media Lab, qui dirige cette recherche. Il a co-écrit l'article avec son étudiant diplômé Francesco Toolini.

Le système, appelée « communication acoustique-RF translationnelle » (TARF), est encore à ses débuts, dit Adib. Mais cela représente une « étape importante, " il dit, qui pourrait ouvrir de nouvelles capacités dans les communications eau-air. En utilisant le système, sous-marins militaires, par exemple, n'aurait pas besoin de faire surface pour communiquer avec les avions, compromettre leur emplacement. Et les drones sous-marins qui surveillent la vie marine n'auraient pas besoin de refaire constamment surface après des plongées profondes pour envoyer des données aux chercheurs.

Une autre application prometteuse est l'aide à la recherche d'avions disparus sous l'eau. « Les balises acoustiques émettrices peuvent être mises en œuvre dans, dire, la boîte noire d'un avion, " Adib dit. " S'il transmet un signal de temps en temps, vous seriez en mesure d'utiliser le système pour capter ce signal."

Décodage des vibrations

Les solutions technologiques actuelles à ce problème de communication sans fil souffrent de divers inconvénients. Bouées, par exemple, ont été conçus pour capter les ondes sonar, traiter les données, et envoyer des signaux radio aux récepteurs aéroportés. Mais ceux-ci peuvent dériver et se perdre. Beaucoup sont également nécessaires pour couvrir de grandes surfaces, les rendant impraticables pour, dire, communications sous-marin-surface.

Le TARF comprend un émetteur acoustique sous-marin qui envoie des signaux de sonar à l'aide d'un haut-parleur acoustique standard. Les signaux se déplacent 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 propageant à 100 hertz; pour un 1, il peut transmettre une onde de 200 hertz. Lorsque le signal atteint la surface, il provoque de minuscules ondulations dans l'eau, seulement quelques micromètres de hauteur, correspondant à ces fréquences.

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

Placé dans les airs 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 sur laquelle le prochain réseau sans fil 5G haute fréquence fonctionnera.)

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

"La réflexion radar va varier un peu chaque fois que vous avez une forme de déplacement comme à la surface de l'eau, " dit Adib. " En captant ces petits changements d'angle, nous pouvons capter ces variations qui correspondent au signal du sonar."

Écouter "le murmure"

L'un des principaux défis consistait à aider le radar à détecter la surface de l'eau. Faire cela, les chercheurs ont utilisé une technologie qui détecte les reflets dans un environnement et les organise par distance et puissance. Comme l'eau a le reflet le plus puissant dans l'environnement du nouveau système, le radar connaît la distance à la surface. Une fois cela établi, il zoome sur les vibrations à cette distance, en ignorant toutes les autres perturbations à proximité.

Le prochain défi majeur était de capturer des ondes micrométriques entourées de beaucoup plus grandes, vagues naturelles. Les plus petites ondulations de l'océan les jours calmes, appelées ondes capillaires, ne mesurent que 2 centimètres environ, mais c'est 100, 000 fois plus grand que les vibrations. Une mer plus agitée peut créer des vagues 1 million de fois plus grosses. "Cela interfère avec les minuscules vibrations acoustiques à la surface de l'eau, " dit Adib. " C'est comme si quelqu'un criait et que vous essayiez d'entendre quelqu'un chuchoter en même temps. "

Pour résoudre cela, les chercheurs ont développé des algorithmes sophistiqués de traitement du signal. Les ondes naturelles se produisent à environ 1 ou 2 hertz—ou, une onde ou deux se déplaçant sur la zone de signal chaque seconde. Les vibrations sonar de 100 à 200 hertz, cependant, sont cent fois plus rapides. En raison de ce différentiel de fréquence, l'algorithme se concentre sur les vagues rapides tout en ignorant les plus lentes.

Tester les eaux

Les chercheurs ont effectué 500 tests de TARF dans un réservoir d'eau et dans deux piscines différentes sur le campus du MIT.

Dans le réservoir, le radar a été placé à des distances de 20 centimètres à 40 centimètres au-dessus de la surface, et l'émetteur sonar a été placé de 5 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 en dessous. Dans ces expériences, les chercheurs ont également demandé à des nageurs de créer des vagues atteignant environ 16 centimètres.

Dans les deux paramètres, TARF a pu décoder avec précision diverses données, telles que la phrase, "Bonjour ! depuis l'eau"—à des centaines de bits par seconde, similaire aux débits de données standard pour les communications sous-marines. "Même pendant qu'il y avait des nageurs qui nageaient et causaient des perturbations et des courants d'eau, nous avons pu décoder ces signaux rapidement et avec précision, " dit Adib.

Dans les vagues supérieures à 16 centimètres, cependant, le système n'est pas capable de décoder les signaux. Les prochaines étapes sont, entre autres, affiner le système pour travailler dans des eaux plus agitées. "Il peut gérer les jours calmes et faire face à certaines perturbations de l'eau. Mais [pour le rendre pratique] nous avons besoin que cela fonctionne tous les jours et par tous les temps, " dit Adib.

Les chercheurs espèrent également que leur système pourrait éventuellement permettre à un drone ou à un avion volant à la surface de l'eau de capter et de décoder en permanence les signaux du sonar au fur et à mesure qu'il passe.