Marie Rousseau
Les chercheurs du MIT ont démontré le leading système de réseautage et de conversation sous-marin à très faible consommation, capable de transmettre des signaux sur des distances kilométriques.
Cette approach, que les chercheurs ont commencé à développer il y a plusieurs années, utilise approximativement un millionième de la puissance utilisée par les méthodes de interaction sous-marines existantes. En élargissant la portée de communication de leur système sans batterie, les chercheurs ont rendu la technologie in addition réalisable pour des programs telles que l’aquaculture, la prévision des ouragans côtiers et la modélisation du changement climatique.
“Ce qui a commencé comme une idée intellectuelle très passionnante il y a quelques années – une interaction sous-marine avec une puissance un million de fois inférieure – est désormais pratique et réaliste. Il reste encore quelques défis procedures intéressants à relever, mais il existe un chemin clair à partir duquel nous sommes maintenant au déploiement”, déclare Fadel Adib, professeur agrégé au Département de génie électrique et d’informatique et directeur du groupe Sign Kinetics au MIT Media Lab.
La rétrodiffusion sous-maritime permet une conversation à faible consommation en codant les données dans des ondes sonores qu’elle réfléchit ou diffuse vers un récepteur. Ces improvements permettent de diriger in addition précisément les signaux réfléchis vers leur supply.
Grâce à cette « rétrodirectivité », moins de signaux se dispersent dans les mauvaises instructions, ce qui permet une communication in addition efficace et à moreover longue portée.
Lorsqu’il a été testé dans une rivière et un océan, le dispositif rétrodirectif a présenté une portée de interaction as well as 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-maritime, 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 posts qui seront présentés aux conférences ACM SIGCOMM et MobiCom de cette année. Adib, auteur principal des deux article content, 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 pressure 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 cost pour diffuser une partie de l’énergie acoustique vers la supply, transmettant des données qu’un récepteur décode en fonction de la séquence de réflexions.
Mais comme le sign rétrodiffusé se propage dans toutes les directions, seule une petite portion atteint la source, ce qui réduit la puissance du sign et limite la portée de conversation.
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 path d’où elle vient.
Mais 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 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 interaction beaucoup moreover longues”, explique Eid.
De plus, ils ont utilisé une approach appelée commutation de polarité croisée pour coder les données binaires dans le signal réfléchi. Chaque nœud a une borne good 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 « little 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 « little bit zéro ».
“Il ne suffit pas de connecter simplement les nœuds piézoélectriques. En alternant les polarités entre les deux nœuds, nous pouvons retransmettre les données au récepteur distant”, explique Rademacher.
Lors de la development 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 path. Avec cette conception évolutive, plus une baie comporte de nœuds, additionally sa portée de interaction est grande.
Ils ont testé le réseau dans as well as de 1 500 essais expérimentaux dans la rivière Charles à Cambridge, dans le Massachusetts, et dans l’océan Atlantique, au huge de Falmouth, dans le Massachusetts, en collaboration avec la Woods Gap Oceanographic Establishment. L’appareil a atteint une portée de interaction de 300 mètres, soit in addition de 15 fois additionally longue que ce qui avait été démontré précédemment.
Cependant, ils ont dû écourter les expériences automobile ils manquaient d’espace sur le quai.
Modéliser le most
Cela a inspiré les chercheurs à construire un modèle analytique pour déterminer les limites de interaction théoriques et pratiques de cette nouvelle technologie de rétrodiffusion sous-maritime.
S’appuyant sur les travaux de leur groupe sur les RFID, l’équipe a soigneusement élaboré un modèle qui seize l’impact des paramètres du système, tels que la taille des nœuds piézoélectriques et la puissance d’entrée du sign, sur la plage de fonctionnement sous-maritime de l’appareil.
“Il ne s’agit pas d’une technologie de conversation traditionnelle, vous devez donc comprendre remark 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 in addition grands défis du développement du modèle, ajoute-t-il.
Ils ont utilisé ces informations pour créer un modèle plug-and-engage in 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 vehicle nous commençons maintenant à voir cela très proche de la réalité”, a déclaré 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 furthermore 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.
Cette recherche a été financée en partie par l’Office of Naval Investigation, la Sloan Investigate Fellowship, la National Science Foundation, le MIT Media Lab et la Doherty Chair in Ocean Utilization.
