SubIoT : Réseau de capteurs communicants pour le suivi des écosystèmes sous-marin // SubIoT: A network of communicating sensors for monitoring underwater ecosystems

Le déploiement de capteurs environnementaux s'accélère dans les maisons, les bâtiments, les villes et les zones moins urbanisées. En revanche, les écosystèmes marins sont des milieux encore peu explorés : comprendre l'évolution de ces milieux complexes à l'aide de capteurs fixes ou mobiles serait une grande avancée. Ce manque peut s'expliqué par plusieurs raisons : la première étant que l'eau est un milieu sévère pour l'électronique ; il est difficile d'alimenter des dispositifs électroniques dans l'eau rendant la présence de batterie obligatoire ; enfin, communiquer des données entre plusieurs dispositifs immergés ou entre un dispositif immergé et une station de base à la surface reste un défi. Pour la mise en place de transmission à bas débit, les solutions adoptées classiquement sont basées sur des dispositifs acoustiques du fait de la possibilité de propager des ondes à grande distance. Dans un scénario où la portée de détection peut se limiter à quelques mètres mais où le débit de données doit être de quelques 100kHz tout en limitant la puissance d'émission, utiliser des ondes électromagnétiques aux fréquences radio (HF, VHF), peut s'avérer être une alternative intéressante. Ce projet de thèse a pour objectif d'étudier des solutions possibles pour surmonter ces obstacles et se décline en trois phases :

Dans une première phase de cette thèse, la personne engagée pour le doctorat étudiera les phénomènes de propagation et de rayonnement en milieu sous-marin : cela permettra notamment de dimensionner les sources d'émission radio, et la sensibilité des récepteurs pour une détection à une distance de plusieurs mètres. Pour caractériser le canal de propagation électromagnétique (EM) de ce milieu sous-marin relativement peu documenté dans la littérature scientifique, des logiciels de simulation EM 3D seront utilisés et appliqués suivant plusieurs scénarios typiques rencontrés dans l'exploration d'un milieu sous-marin. Une étude sur l'impact de la fréquence en fonction de la salinité sera notamment menée.

Dans une seconde phase, il s'agira d'étudier initialement la génération de signal radio en tenant compte des contraintes liées au milieu subaquatique (étanchéité, permittivité complexe). Les données de dimensionnement en termes de fréquence de fonctionnement, de forme du signal et de puissance devront être prises en compte. Un point important concernera la conception d'antenne adaptée au milieu liquide. Nous étudierons la possibilité de nous servir de la permittivité relative élevée de l'eau pour miniaturiser l'antenne dont les dimensions physiques sont de l'ordre de plusieurs mètres dans l'air dans la bande de fréquence 10MHz – 100MHz. Cette étude va probablement permettre de générer un grand nombre de résultats scientifiques du fait de la nouveauté de cet axe de recherche. Dans une seconde phase, le front-end RF sera étudié pour une communication possible à plusieurs mètres. Deux pistes seront étudiées, la première fera appel à des transpondeurs radio de dernière génération sous forme de composants intégrés, la seconde se focalisera sur l'utilisation de dispositifs de type radio logicielle (SDR).

Dans la dernière phase de ce projet de thèse, il s'agira de valider les différents éléments étudiés lors des deux premières phases du projet par des mesures pratiques en environnement réel. Nous nous intéresserons dans un premier temps à évaluer la consommation énergétique du dispositif. L'objectif étant d'atteindre une consommation moyenne de quelques µW qui permettrait d'envisager une alimentation par récupération d'énergie. Des solutions existantes pourront être implémentées (hydrolienne, électro-chimique…) pour valider cette hypothèse. Nous définirons ensuite un protocole d'essai pour évaluer les performances du dispositif en environnement réel. L'application principale visée concerne la communication radio sous-marine entre capteurs fixes et mobiles, et une station de base à la surface, ou entre plongeurs.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The deployment of environmental sensors is accelerating in homes, buildings, cities, and less urbanized areas. In contrast, marine ecosystems remain largely unexplored environments: understanding how these complex environments evolve using fixed or mobile sensors would represent a major breakthrough. There are several reasons for this gap: first, water is a harsh environment for electronics; it is difficult to power electronic devices underwater, making batteries essential; and finally, transmitting data between multiple submerged devices or between a submerged device and a surface base station remains a challenge. For implementing low-data-rate transmission, the solutions traditionally adopted are based on acoustic devices due to the ability to propagate waves over long distances. In a scenario where the detection range may be limited to a few meters but where the data rate must be around 100 kHz while limiting transmission power, using electromagnetic waves at radio frequencies (HF, VHF) may prove to be an interesting alternative. The objective of this thesis project is to study possible solutions to overcome these obstacles, and it is divided into three phases:

In the initial phase of this thesis, the doctoral candidate will study propagation and radiation phenomena in an underwater environment: this will enable, in particular, the sizing of radio transmission sources and the sensitivity of receivers for detection at distances of several meters. To characterize the electromagnetic (EM) propagation channel in this underwater environment—which is relatively under-documented in the scientific literature—3D EM simulation software will be used and applied to several typical scenarios encountered in underwater exploration. In particular, a study on the impact of frequency as a function of salinity will be conducted.

In a second phase, the initial focus will be on studying radio signal generation while taking into account the constraints of the underwater environment (waterproofing, complex permittivity). Design parameters such as operating frequency, signal shape, and power must be considered. A key consideration will be the design of an antenna suited to the liquid environment. We will explore the possibility of leveraging water's high relative permittivity to miniaturize the antenna, whose physical dimensions are typically several meters in air within the 10 MHz–100 MHz frequency band. This study is likely to yield a wealth of scientific results due to the novelty of this research area. In a second phase, the RF front-end will be studied for potential communication over several meters. Two approaches will be explored: the first will utilize state-of-the-art radio transponders in the form of integrated components, while the second will focus on the use of software-defined radio (SDR) devices.

In the final phase of this thesis project, we will validate the various elements studied during the first two phases of the project through practical measurements in a real-world environment. We will begin by evaluating the device's energy consumption. The goal is to achieve an average consumption of a few µW, which would make it feasible to power the device using energy harvesting. Existing solutions (tidal turbines, electrochemical systems, etc.) may be implemented to validate this hypothesis. We will then define a test protocol to evaluate the device's performance in a real-world environment. The primary intended application involves underwater radio communication between fixed and mobile sensors and a surface base station, or between divers.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

- M2 EEA ou Diplôme d'ingénieur en électronique / système embarqué - compétences en systèmes radiofréquences - compétences en capteurs et instrumentations
- Master's degree in EEA or a degree in electronics/embedded systems engineering - expertise in radio frequency systems - expertise in sensors and instrumentation