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Stage M2 Communications et réseaux acoustiques sous marins

22 Octobre 2021


Catégorie : Stagiaire


Lieu du stage :ISEN Yncréa Ouest, L@bISEN / IMTAtlantique, UMR CNRS Lab-STICC (Brest)

Encadrants : Antony Pottier (ISEN), François-Xavier Socheleau (IMT Atlantique)

Durée : 4 à 6 mois (printemps 2022)

Contexte

La connaissance et l’exploitation de l’environnement marin constitue un enjeu majeur du 21e siècle, tant au point de vue économique que pour les questions d’écologie maritime, d’aménagements, de préservation du littoral, et de sécurité du territoire. Étant données leurs bonnes propriétés de propagation sous l’eau, les ondes acoustiques sont le support privilégié pour l’inférence et la transmission d’information dans l’environnement sous-marin. L’utilisation de ces ondes a de nombreuses applications concrètes : navigation et positionnement, sonar, tomographie, télécommunications. Les observatoires de fond de mer, les drones et robots sous-marins télé-opérés (AUVs et ROVs) ou les submersibles habitables sont d’autres exemples où la communication d’informations à des distances plus ou moins longues est nécessaire. La capacité à établir des liens de communication acoustique sous-marine (ASM) fiables et efficaces apparaît alors essentielle.

L’environnement marin est intrinsèquement bruyant. En plus des contributions naturelles au bruit ambiant, les développements actuels et futurs des activités humaines sous-marines présagent une augmentation du nombre de sources acoustiques en activité simultanée dans les mers et les océans. Cela implique inévitablement une augmentation du bruit d’origine anthropique, dont les sources diverses incluent sonars, modems et sondeurs, ainsi que les bruits de bateaux, de forages, etc. L’activité temporelle et fréquentielle des systèmes de communications n’est que peu réglementée, laissant ainsi les différentes sources hétérogènes d’ondes acoustiques évoluer dans un canal d’interférence au détriment de la performance et de la robustesse des communications. Seul le protocole de communications JANUS, standardisé par l’OTAN en Mars 2017, fourni un ensemble de règles de communications à bas débit pour assurer l’inter-opérabilité des systèmes ASM. En l’absence d’infrastructure telle qu’on peut en trouver en communications cellulaire, le partage de la ressource du canal de communications ASM reste un problème difficile, et ce d’autant plus qu’il doit être résolu dans un environnement dont les paramètres changent selon différentes échelles spatiales et temporelles,

Descriptif du sujet

Afin de rendre les systèmes de communications ASM plus robustes, l’objectif du stage est de proposer des solutions permettant à ces systèmes d’auto-configurer leurs paramètres de transmission de façon intelligente, autonome et décentralisée à partir d’interactions répétées avec leur environnement acoustique (canal et utilisateurs de ce canal). Les outils de la théorie des jeux et de l’apprentissage automatique peuvent fournir des solutions théoriques et algorithmiques à ce problème de partage des ressources [Bacci et al, 2016]. Certaines ont déjà été proposées pour les communications ASM dans un cadre purement non-coopératif et décentralisé [Pottier et al, 2017] et sont basées sur le concept de théorie des jeux connu sous le nom d’équilibre de Nash. On cherche à étendre ces investigations à un cadre coopératif en intégrant les possibilités offertes par le protocole d’interopérabilité JANUS standardisé récemment, autrement dit d’exploiter l’existence de ce protocole pour permettre aux systèmes de communications de négocier leur accès au canal de communications avec les autres parties prenantes du réseau, et ce, de manière adaptative, autonome et décentralisée. De manière générale, cette étude sera l’occasion d’appréhender les notions de coopération en théorie des jeux et en apprentissage multi-agents, et d’étudier les interactions possibles entre théorie des jeux, théorie de l’information et apprentissage automatique.

Qualités attendues du candidat

  • Actuellement en formation en master 2 ou en dernière année de cycle ingénieur dans l’un ou plusieurs des domaines suivants : mathématiques, informatique, traitement du signal et de l’information, télécommunications, électronique, intelligence artificielle.
  • Programmation en Matlab de préférence, éventuellement Python ou Julia.
  • Rigueur, autonomie, analyse, capacités rédactionnelles.

Plan de travail

Dans un premier temps il sera nécessaire d’appréhender les spécificités du canal ASM, les contraintes inhérentes aux communications ASM, et en particulier concernant les techniques d’accès multiples dans les réseaux ASM. Puis on se concentrera sur l’étude d’un ou plusieurs scénarios d’accès multiples en communications ASM et des modèles de théorie des jeux correspondants. Un cas d’étude typique pourrait être le suivant : plusieurs émetteurs communiquent en OFDM sur la même bande de fréquence en même temps avec leur récepteur respectif. Les paramètres de leurs stratégies sont les niveaux de puissance sur des sous bandes de la bande de transmission. Chaque émetteur met alors en place une stratégie dewaterfilling afin de maximiser la capacité de son canal.

Il sera également nécessaire d’étudier la littérature sur des problèmes similaires en communications sans fil en général, dans la mesure où certaines des solutions déjà proposées pourront être adaptées aux contraintes de l’ASM. Notamment, on pourra s’intéresser aux solutions d’équilibres de négociation de Nash (Nash Bargaining Solution) appliquées aux télécommunications, ainsi que les méthodes de pricing des fonctions d’utilités.

L’étude de la littérature devra déboucher sur un rapport bibliographique ainsi que sur l’implémentation documentée d’une ou plusieurs solutions sous Matlab (de préférence). On pourra également tester ces solutions sur des canaux ASM sondés en mer. Selon l’avancement et la motivation du candidat, la soumissions d’une publication à une conférence dans le domaine est envisageable.

Références

G. Bacci, S. Lasaulce, W. Saad, and L. Sanguinetti. Game Theory for Networks : A tutorial on game-theoretictools for emerging signal processing applications. IEEE Signal Processing Magazine, 33(1) :94–119, January 2016

A. Pottier, F.-X. Socheleau, and C. Laot. RobustNoncooperative Spectrum Sharing Games in UnderwaterAcousticInterference Channels. IEEE J. of Oceanic Eng., 42(4) :1019 – 1034, October 2017

A. Song, M. Stojanovic, M. Chitre, UnderwaterAcoutic Communications : Wherewe stand and whatisnext ?, Editorial, IEEE Journal of Oceanic Engineering, , vol 44, no 1, January 2019, pp 1-6.

Contacts

CV et lettre de motivation à envoyer à :antony.pottier@isen-ouest.yncrea.fretfx.socheleau@imt-atlantique.fr

Tout élément complémentaire jugé pertinent (notes, lettres recommandations, etc.) peut être ajouté dans le dossier de candidature.