VT2021 Underwater wireless communication fiche



=Underwater wireless communication=

Introduction
Au cours des dernières décennies, la découverte majeure que nous connaissons tous, à savoir les restes du TITANIC, a été faite à l'aide de submersibles câblés. Bien que ce système reste très important, si un lien de communication à haut débit doit exister entre l'extrémité éloignée et la surface, il est naturel de se demander ce que l'on pourrait accomplir sans l'utilisation de lourds câbles.

Les signaux utilisés pour transporter des données numériques par voie sous-marine sont les ondes acoustiques, car elles peuvent se propager sur de longues distances, et les signaux radio, comme les ondes électromagnétiques, ne sont pas utilisés car ils se propagent sur de courtes distances. Ainsi nous allons découvrir la communication sans fil sous-marine et ces différents aspects.

Définition
La communication sans fil sous-marine est une communication sans fil dans laquelle des signaux acoustiques (ondes) transportent des informations numériques via un canal sous-marin.

Les signaux utilisés pour transporter des informations numériques dans un canal sous-marin sont des canaux acoustiques.

Nécessité de la communication sous-marine sans fil
Le câblage sous-marin n'est pas réalisable dans toutes les situations, comme le montre le tableau ci-dessous :

-Expériences temporaires

-Rupture des fils

-Coût important du déploiement

-Expérimentation sur de longues distances.

Pour faire face aux situations ci-dessus, nous avons besoin d'une communication sans fil sous-marine.

Technologie de communication sans fil sous-marine
Les ondes radio ne se propagent pas bien sous l'eau en raison de la forte absorption d'énergie de l'eau.

Par conséquent, les communications sous-marines sont basées sur des liaisons acoustiques caractérisées par des délais de propagation importants. Les canaux acoustiques ont cependant une faible bande passante. L'une des technologie utilisée est celle des signaux lumineux, que nous allons également détaillée.

Communication acoustique sous-marine
Le milieu marin est un excellent guide des ondes sonores, celles-ci pou­vant s’y propager sur des centaines de kilomètres, en effet les ondes acoustiques se propagent parfaitement sous l'eau mais ne passent pas au-dessus de la surface, tandis que les ondes électromagnétiques ont une très faible portée dans l'eau, c'est pourquoi l'acoustique est privilégié dans la communication sous-marine.

Les premières applications concrètes de l’acoustique au milieu sous-marin remontent au début du XXe siècle. Aujourd’hui les ondes acoustiques en milieu marin offrent pratiquement les mêmes possibilités que le radar et les ondes radio dans l’atmosphère et dans l’espace. De façon active, les ondes acoustiques sont utilisées dans l’océan pour détecter et localiser des obstacles et des cibles (sonar appliqué à la détection des mines, des bancs de poissons, ...), pour caractériser le milieu ambiant (topographie du fond, courants, organismes vivants...) et communiquer des signaux (données enregistrées par des capteurs, transmission de messages entre sous-marins et navires de surface ou systèmes commandés à distance, etc). Il existe aussi des systèmes passifs, qui exploitent les ondes émises par la cible elle-même. Toutes ces applications sont confrontées aux particularités de l’océan, milieu de propagation complexe et changeant, ce qui constitue un défi permanent.

Les sonars sont les principaux outils utilisé, SOund Navigation And Ranging, désignant un système de détection fondé sur la réflexion des ondes sonores en milieu marin.



Plus simplement, un système sonar émet généralement des impulsions ultrasonores grâce à un appareil situé sur ou dans la coque et reçoit les ondes réfléchies par les obstacles à l'aide d'un capteur sensible. Le principe du sonar est le même que celui de l'écholocation utilisée par la chauve-souris pour se diriger ou par le dauphin et la baleine pour localiser un banc de poissons. Ces derniers peuvent d'ailleurs être perturbés par les sonars émis par les bateaux notamment les navires miliaires utilisant des basses fréquences.

la mesure de l'azimut (encore appelé relèvement) et de la distance d'un contact peut se faire en émettant dans l'eau une impulsion sonore puis écoutant l'écho de cette impulsion réfléchie par le contact. Le temps entre l'émission de l'impulsion et le retour de l'écho donne la distance du contact, puisque la vitesse du son dans l'eau est connue. La direction d'où vient l'écho donne l'azimut du contact. Le sonar actif n'est jamais utilisé par les sous-marins car il trahit leur présence et leur position.
 * 1) Sonar actif:

C'est le mode normal de fonctionnement des sonars d'un sous-marin. Un sonar passif ne fait qu'écouter et n'émet rien dans l'eau. L'emploi d'un sonar passif rend plus difficile la détermination de la solution mais en revanche il est parfaitement discret. Le sonar passif est ainsi limité par le niveau d'émission de la source à détecter et par le bruit ambiant, qui parasite l'antenne. On utilise le scanning, technique du lobe tournant, ainsi que la technique des voies préformées, qui permet d'appliquer des procédés de filtrage. Ces procédés jouent sur le degré de connaissance du spectre de bruit à détecter et sur celui du bruit ambiant.
 * 1) Sonar passif:

Communication optique sous-marine


La communication par lumière visible (VLC) est une technologie qui peut résoudre les problèmes lié aux ondes électromagnétiques qui sont fortement atténué et qui ont une faible portée mais également lié à la communication acoustique sous-marine standard, en raison de ses mauvaises performances, telles que des taux d'erreurs binaires élevés, des retards de propagation importants et variables et une faible bande passante. Dans les systèmes VLC le spectre de la lumière visible (400-700 nm) utilisé pour l'éclairage est modulé pour transmettre les données.

Les systèmes de communication optique sans fil sous-marine (UOWC) sont similaires aux systèmes VLC. les sources de lumière potentielles sont des LD au lieu de LED. Les deux systèmes sont extrêmement intéressants - les DEL pour leur caractéristique une largeur de bande de modulation plus élevée par rapport aux LED - tandis que les secondes, en raison de leur meilleur rendement énergétique, de leur coût plus faible et de leur durée de vie plus longue, semblent mieux convenir aux applications à débit binaire moyen.

Malheureusement, les performances de l'UOWC sont actuellement limitées à une courte portée. Par conséquent, Par conséquent, même si les systèmes de communication optique sous-marins commencent à être commercialisés des recherches approfondies sont menées sur des méthodologies et des systèmes pour le transfert de signaux optiques à large bande à des distances plus élevées.

À l'avenir, de nombreuses applications sous-marines utiliseront la communication optique. Cependant, les technologies UOWC ne pourront jamais remplacer totalement la communication acoustique. C'est pourquoi des études et des recherches sur les communications hybrides acoustiques/optiques sont menées. Ces études sont très prometteuses et doivent être approfondies.

Les domaines d'application de la communication sans fil sous-marine
Elle retrouve ainsi son application dans plusieurs domaines différents car offrant plus de flexibilité à ces derniers. Entre autre:

-Peut être utilisé pour fournir des alertes précoces de tsunamis générés par des séismes sous-marins. -Surveillance de la pollution

-Surveillance des courants océaniques

-Surveillance et contrôle des équipements

-Véhicules sous-marins autonomes (AUV)

-Possibilité pour les sous-marinier de communiquer avec l'extérieur en gardant la confidentialité de leur position lors des missions.

=Inconvénients=

Les avantages étant multiple et retrouvable à travers les différents domaines d'application, la communication sans fil sous-marine a également quelques inconvénients ou du moins quelques limitations.

-La bande passante disponible est sévèrement limitée.

-Les caractéristiques du canal, notamment les délais de propagation longs et variables.

-Problèmes de trajets multiples et d'évanouissement.

-Taux d'erreur binaire élevé.

=Bilan=

Malgré les nombreux progrès réalisés dans ce domaine de la communication sous-marine sans fil, il reste encore un immense champ d'investigation, car la majeure partie des fonds marins n'a pas encore été explorée.

Malgré les nombreux progrès réalisés dans ce domaine de la communication sous-marine sans fil, il reste encore un immense champ d'investigation, car la majeure partie des fonds marins n'a pas encore été explorée et les différentes technologies nécessite chacune des recherches avancées dans leur domaine afin d'être les plus optimales possible.

=Démonstration=

Une démonstration de Underwater wireless communication est accessible à ce lien : demo

=Sources=
 * 1) UNDERWATER WIRELESS COMMUNICATION
 * 2) Aqua-Fi : des chercheurs ont mis au point un WiFi sous-marin
 * 3) Underwater Wireless Communication Seminar
 * 4) Les Sonars
 * 5) Underwater Communications Recent Advances

=Veille Technologique 2021=
 * Année : VT2022
 * Sujet : Underwater Wireless Communication
 * Slides : VT2021_Underwater wireless communication_presentation.pdf
 * Auteurs :
 * Rokiatou dite Rose SIDIBE - rokiatou-dite-rose.sidibe@etu.univ-grenobles-alpes.fr
 * Mathis MUTEL - mathis.mutel@etu.univ-grenobles-alpes.fr