Institut Fresnel

Laboratoire de recherche : Institut Fresnel

Contact  : Ali Khalighi Ali.Khalighi@fresnel.fr

Contexte  :

La demande croissante pour l’exploration et l’exploitation des ressources sous-marines fait appel au développement des équipements et de la robotique adéquate avec la capacité de transmission de données de grande taille et de manière très réactive. La transmission sans-fil et à haut-débit de données devient ainsi une des caractéristiques clés de tels dispositifs. Parmi les technologies de transmission existantes, les communications optiques sous-marines (UWOC : underwater wireless optical communications) s’avèrent particulièrement prometteuses dans ce contexte. En particulier, dans de nombreuses applications, cette technologie émergente est une alternative intéressante aux transmissions acoustiques sur lesquelles sont basées la quasi-totalité des communications sous-marines à ce jour. En plus d’offrir un débit très élevé, les transmissions optiques ont les avantages d’une faible latence, d’une faible consommation énergétique et d’un impact bien moins important sur la vie marine. Elles s’avèrent très prometteuses pour établir des liens à très haut débit entre les capteurs sous-marin, des robots sous-marins (AUV : Autonomous Underwater Vehicle), etc.

Notre laboratoire de recherche a une expérience riche de plus de 10 ans sur cette technologie avec de nombreuses contributions de fort impact au niveau international [1-10].
Le but de cette thèse est de développer des techniques de transmission avancées pour permettre d’établir des liens de communication robustes dans un environnement dynamique et variable, ce qui est le cas de la plupart des missions sous-marines. Les solutions proposées seront validées expérimentalement à l’aide d’une maquette de transmission UWOC récemment mise en place au laboratoire.

Description du sujet :

Comme indiqué ci-dessus, l’objectif de cette thèse est d’accroître la robustesse des liaisons UWOC dans les scénarios de déploiement éprouvants. Nous nous appuierons sur les outils de modélisation de canal aquatique disponibles à l’Institut Fresnel pour nous concentrer sur les techniques de transmission et de traitement. Une attention particulière sera dédiée à l’utilisation des photo-détecteurs ultra-sensibles pour permettre une transmission sur de longues distances. Le travail de recherche se fera en deux étapes principales, décrites ci-après.

Dans un premier temps, nous étudierons l’impact de différents phénomènes liés à l’environnement aquatique, sur la qualité de transmission de données dans une liaison UWOC typique. Une attention particulière sera dédiée aux liaisons entre les AUVs où les erreurs de pointage des faisceaux optiques et de localisation des AUVs figurent parmi les défis majeurs. Dans un deuxième temps, le travail de la thèse se concentrera sur la proposition des solutions appropriées pour augmenter la robustesse de telles liaisons. Ces solutions comprennent les techniques « classiques » de traitement du signal, ainsi que les techniques de « machine learning » afin d’adapter les paramètres du système de transmission aux propriétés variables de la liaison dans un scénario dynamique. Autrement dit, un tel réseau intelligent saura ajuster ses paramètres de l’émission/réception, pour s’adapter aux conditions réelles de déploiement de la liaison et ainsi permettre une connexion robuste.
La pertinence et la fiabilité de ces solutions pour une implémentation pratique seront évaluées à l’aide d’une maquette de transmission UWOC réalisée à l’Institut Fresnel. Des tests de grandeur nature sont aussi envisagés avec le soutien de nos collaborateurs industriels.

Cette thèse sera réalisée en collaboration étroite avec plusieurs industries et centres de recherche de la région, et bénéficiera également d’une forte collaboration internationale.

Références bibliographiques :
[1] M.A. Khalighi et al., “Underwater Wireless Optical Communication ; Recent Advances and Remaining Challenges,” Invited paper, International Conference on Transparent Optical Networks , July 2014, Graz, Austria.
[2] M.A. Khalighi et al., Underwater Visible Light Communications, Channel Modeling and System Design, Visible Light Communications, Theory and Applications, CRC Press, 2017
[3] C. Gabriel et al., “Monte-carlo-based channel characterization for underwater optical communication systems,” Journal of Optical Communications & Networking, vol. 5, no. 1, Jan. 2013.
[4] M.A. Khalighi et al., "Underwater Wireless Optical Communications Using Silicon Photomultipliers," IEEE Photonics Journal, Vol. 9, No. 4, Aug. 2017.
[5] T. Hamza et al, "Investigation of Solar Noise Impact on the Performance of Underwater Wireless Optical Communication Links," Optics Express, Vol. 24, No. 22, 31 Oct. 2016.
[6] K. Peppas et al., "Semiconductor Optical Amplifiers for Underwater Optical Wireless Communications," IET Optoelectronics, Vol.11, No.1, Feb. 2017.
[7] F. Mattoussi et al., "Improving the Performance of Underwater Wireless Optical Communication Links by Channel Coding," Applied Optics, Vol.5, No.9, pp. 2115-2120, Mar. 2018.
[8] M.A. Khalighi et al., “Silicon-Photomultiplier-Based Underwater Wireless Optical Communication Using Pulse-Amplitude Modulation,” IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2019.
[9] A.S. Ghazy et al., “Angular MIMO for Underwater Wireless Optical Communications : Channel Modelling and Capacity,” IEEE Canadian Workshop on Information Theory, 2019, Hamilton, Canada
[10] T. Essalih et al., “Optical OFDM for SiPM-Based Underwater Optical Wireless Communication Links,” Invited paper, MDPI Sensors, Special Issue on Visible Light Communication, Networking, and Sensing, 2020