MIT otkriva pionirski razvoj u podvodnoj komunikacijskoj tehnologiji

Sistem bi se mogao koristiti za podvodnu komunikaciju bez baterija na kilometarskim udaljenostima, kako bi pomogao praćenje klimatskih i obalnih promjena.

WITH Istraživači su demonstrirali prvi sistem za podvodno umrežavanje i komunikaciju ultra male snage, koji može prenositi signale na kilometarske udaljenosti.

Ova tehnika, koju su istraživači počeli razvijati prije nekoliko godina, koristi oko milioniti dio snage koju koriste postojeće podvodne komunikacijske metode. Proširujući opseg komunikacije svog sistema bez baterija, istraživači su ovu tehnologiju učinili izvodljivijom za primjene kao što su akvakultura, predviđanje obalnih uragana i modeliranje klimatskih promjena.

“Ono što je prije nekoliko godina počelo kao vrlo uzbudljiva intelektualna ideja – podvodna komunikacija sa milion puta manjom snagom – sada je praktično i realno. Ima još nekoliko zanimljivih tehničkih izazova za rješavanje, ali postoji jasan put od mjesta gdje smo sada do implementacije,” kaže Fadel Adib, vanredni profesor na Odsjeku za elektrotehniku ​​i računarstvo i direktor grupe za kinetiku signala u MIT Media Lab.

Uređaj je niz piezoelektričnih pretvarača koji omogućava podvodnu komunikaciju bez baterija. Zasluge: Ljubaznošću istraživača

Moć podvodnog povratnog raspršivanja

Podvodno povratno raspršivanje omogućava komunikaciju male snage kodiranjem podataka u zvučnim valovima koje reflektira ili raspršuje natrag prema prijemniku. Ove inovacije omogućavaju da se reflektovani signali preciznije usmjere na njihov izvor.

Zbog ove „retrodirektivnosti“, manje se signala raspršuje u pogrešnim smjerovima, što omogućava efikasniju komunikaciju na dužem dometu.

Kada je testiran u rijeci i okeanu, retrodirektni uređaj je pokazao domet komunikacije koji je bio više od 15 puta veći od prethodnih uređaja. Međutim, eksperimenti su bili ograničeni dužinom dokova dostupnih istraživačima.

Kako bi bolje razumjeli granice podvodnog povratnog raspršenja, tim je također razvio analitički model za predviđanje maksimalnog dometa tehnologije. Model, koji su potvrdili pomoću eksperimentalnih podataka, pokazao je da njihov retrodirektivni sistem može komunicirati na udaljenosti od kilometra.

Istraživači su podijelili ove nalaze u dva rada koji će biti predstavljeni na ovogodišnjim konferencijama ACM SIGCOMM i MobiCom. Adibu, starijem autoru na oba rada, pridružuju se u SIGCOMM radu vodeći autori Aline Eid, bivša postdoktorica koja je sada docentica na Univerzitetu Michigan, i Jack Rademacher, istraživač asistent; kao i istraživači asistenti Waleed Akbar i Purui Wang, te postdoc Ahmed Allam. Rad MobiCom-a su također napisali vodeći autori Akbar i Allam.

Tri člana tima izvode eksperimente na institutu Woods Hole. Zasluge: Ljubaznošću istraživača

Komuniciranje sa zvučnim talasima

Podvodni komunikacijski uređaji za povratno raspršivanje koriste niz čvorova napravljenih od “piezoelektričnih” materijala za primanje i reflektiranje zvučnih valova. Ovi materijali proizvode električni signal kada se na njih primjenjuje mehanička sila.

Kada zvučni valovi udare u čvorove, oni vibriraju i pretvaraju mehaničku energiju u električni naboj. Čvorovi koriste taj naboj da rasprše dio akustične energije natrag do izvora, prenoseći podatke koje prijemnik dekodira na osnovu slijeda refleksija.

Ali budući da povratno raspršeni signal putuje u svim smjerovima, samo mali dio stiže do izvora, smanjujući jačinu signala i ograničavajući komunikacijski domet.

Kako bi prevladali ovaj izazov, istraživači su iskoristili 70 godina star radio uređaj nazvan Van Atta niz, u kojem su simetrični parovi antena povezani na takav način da niz reflektira energiju natrag u smjeru iz kojeg je došla.

Međutim, povezivanje piezoelektričnih čvorova kako bi se napravio Van Atta niz smanjuje njihovu efikasnost. Istraživači su izbjegli ovaj problem postavljanjem transformatora između parova povezanih čvorova. Transformator, koji prenosi električnu energiju iz jednog kola u drugi, omogućava čvorovima da reflektuju maksimalnu količinu energije nazad do izvora.

“Oba čvora primaju i oba čvora reflektiraju, tako da je to vrlo zanimljiv sistem. Kako povećavate broj elemenata u tom sistemu, gradite niz koji vam omogućava da postignete mnogo veće domete komunikacije”, objašnjava Eid.

Osim toga, koristili su tehniku ​​zvanu cross-polarity switching za kodiranje binarnih podataka u reflektiranom signalu. Svaki čvor ima pozitivni i negativni terminal (kao akumulator automobila), tako da kada su pozitivni terminali dva čvora povezani, a negativni terminali dva čvora povezani, taj reflektirani signal je „bit jedan“.

Ali ako istraživači promijene polaritet i umjesto toga se negativni i pozitivni terminali spoje jedan na drugi, tada je refleksija „nula“.

„Samo povezivanje piezoelektričnih čvorova nije dovoljno. Naizmjeničnim polaritetima između dva čvora, možemo prenositi podatke natrag do udaljenog prijemnika,” objašnjava Rademacher.

Prilikom izgradnje Van Atta niza, istraživači su otkrili da bi, ako su povezani čvorovi preblizu, blokirali signale jedni drugih. Osmislili su novi dizajn sa raspoređenim čvorovima koji omogućavaju signalima da dođu do niza iz bilo kojeg smjera. Sa ovim skalabilnim dizajnom, što više čvorova ima niz, veći je njegov komunikacijski domet.

Oni su testirali niz u više od 1.500 eksperimentalnih ispitivanja u rijeci Charles u Cambridgeu, Massachusetts, i u Atlantskom okeanu, uz obalu Falmouth, Massachusetts, u suradnji s Oceanografskom institucijom Woods Hole. Uređaj je postigao komunikacijske domete od 300 metara, više od 15 puta duže nego što su prethodno demonstrirali.

Međutim, morali su skratiti eksperimente jer im je ponestalo prostora na doku.

Modeliranje maksimuma

To je inspirisalo istraživače da izgrade analitički model za određivanje teoretskih i praktičnih komunikacijskih granica ove nove podvodne tehnologije povratnog raspršivanja.

Nadovezujući se na rad svoje grupe na RFID-ovima, tim je pažljivo izradio model koji je uhvatio uticaj sistemskih parametara, poput veličine piezoelektričnih čvorova i ulazne snage signala, na podvodni radni opseg uređaja.

“To nije tradicionalna komunikacijska tehnologija, tako da morate razumjeti kako možete kvantifikovati odraz. Koje su uloge različitih komponenti u tom procesu?” kaže Akbar.

Na primjer, istraživači su trebali izvući funkciju koja bilježi količinu signala reflektovanog iz podvodnog piezoelektričnog čvora određene veličine, što je bio jedan od najvećih izazova razvoja modela, dodaje on.

Iskoristili su ove uvide da kreiraju plug-and-play model u koji korisnik može uneti informacije kao što su ulazna snaga i dimenzije piezoelektričnog čvora i dobiti izlaz koji pokazuje očekivani opseg sistema.

Procijenili su model na osnovu podataka iz svojih eksperimentalnih ispitivanja i otkrili da može precizno predvidjeti raspon retrousmjerenih akustičnih signala s prosječnom greškom manjom od jednog decibela.

Koristeći ovaj model, pokazali su da podvodni niz povratnog raspršenja potencijalno može postići kilometarske komunikacijske domete.

“Stvaramo novu oceansku tehnologiju i pokrećemo je u domenu stvari koje radimo za 6G mobilne mreže. Za nas je to veoma korisno jer počinjemo da vidimo ovo sada veoma blizu stvarnosti”, kaže Adib.

Istraživači planiraju nastaviti proučavati podvodne Van Atta nizove povratnog raspršivanja, možda koristeći čamce kako bi mogli procijeniti veće komunikacijske domete. Usput, namjeravaju objaviti alate i skupove podataka kako bi drugi istraživači mogli nadograđivati ​​svoj rad. Istovremeno, oni počinju da se kreću ka komercijalizaciji ove tehnologije.

“Ograničeni domet bio je otvoren problem u podvodnim mrežama povratnog raspršivanja, što ih je spriječilo da se koriste u stvarnim aplikacijama. Ovaj rad čini značajan korak naprijed u budućnosti podvodne komunikacije, omogućavajući im da rade na minimalnoj energiji uz postizanje velikog dometa“, kaže Omid Abari, docent računarstva na Univerzitetu Kalifornije u Los Angelesu, koji nije bio uključen. sa ovim radom. “Rad je prvi koji donosi Van Atta Reflector tehniku ​​niza u podvodne postavke povratnog raspršenja i demonstrira njene prednosti u poboljšanju komunikacijskog dometa za redove veličine. Ovo može dovesti podvodnu komunikaciju bez baterija za korak bliže stvarnosti, omogućavajući aplikacije kao što su podvodno praćenje klimatskih promjena i obalni nadzor.”

Reference:

„Omogućavanje podvodnog povratnog rasejanja dugog dometa putem Van Atta Acoustic Networks“ autora Aline Eid, Jacka Rademachera, Waleeda Akbara, Purui Wanga, Ahmeda Allama i Fadela Adiba, SIGCOMM.
PDF

“Podvodni kanal povratnog raspršivanja: teorija, budžet veze i eksperimentalna validacija” od Waleeda Akbara, Ahmeda Allama i Fadela Adiba, MobiCom.
PDF

Ovo istraživanje je dijelom financirano od strane Ureda za pomorska istraživanja, Sloan Research Fellowship, Nacionalne naučne fondacije, MIT Media Lab-a i Dohertyjeve katedre za korištenje oceana.