Trådløs kommunikation bryder gennem vand-luftbarrieren

MIT-forskere har taget et skridt i retning af at løse en langvarig udfordring med trådløs kommunikation:direkte datatransmission mellem undervands- og luftbårne enheder.

I dag, undervandssensorer kan ikke dele data med dem på land, da begge bruger forskellige trådløse signaler, der kun virker i deres respektive medier. Radiosignaler, der bevæger sig gennem luft, dør meget hurtigt i vand. akustiske signaler, eller sonar, sendt af undervandsanordninger reflekteres for det meste fra overfladen uden nogensinde at bryde igennem. Dette forårsager ineffektivitet og andre problemer for en række applikationer, såsom havudforskning og ubåd-til-fly-kommunikation.

I et papir, der præsenteres på denne uges SIGCOMM-konference, MIT Media Lab-forskere har designet et system, der tackler dette problem på en ny måde. En undervandssender dirigerer et sonarsignal til vandoverfladen, forårsager små vibrationer, der svarer til de transmitterede 1'ere og 0'ere. Over overfladen, en meget følsom modtager læser disse minimale forstyrrelser og afkoder ekkolodssignalet.

"At forsøge at krydse luft-vand-grænsen med trådløse signaler har været en hindring. Vores idé er at transformere selve forhindringen til et medium, hvorigennem man kan kommunikere, " siger Fadel Adib, en adjunkt i Media Lab, hvem leder denne forskning. Han var medforfatter til papiret sammen med sin kandidatstuderende Francesco Tonolini.

Systemet, kaldet "translationel akustisk-RF-kommunikation" (TARF), er stadig i sin tidlige fase, siger Adib. Men det repræsenterer en "milepæl, " han siger, som kunne åbne nye muligheder inden for vand-luft-kommunikation. Ved at bruge systemet, militære ubåde, for eksempel, ville ikke behøve at komme til overfladen for at kommunikere med fly, kompromittere deres placering. Og undervandsdroner, der overvåger livet i havet, behøver ikke konstant at dukke op igen fra dybe dyk for at sende data til forskere.

Et andet lovende program er at hjælpe med at søge efter fly, der forsvinder under vandet. "Akustiske sendebeacons kan implementeres i, sige, et flys sorte boks, " siger Adib. "Hvis den sender et signal en gang imellem, du ville være i stand til at bruge systemet til at opfange det signal."

Afkodning af vibrationer

Dagens teknologiske løsninger på dette problem med trådløs kommunikation lider af forskellige ulemper. bøjer, for eksempel, er designet til at opfange ekkolodsbølger, behandle data, og skyde radiosignaler til luftbårne modtagere. Men disse kan glide væk og blive væk. Mange skal også dække store områder, gør dem uigennemførlige for, sige, ubåd-til-overflade kommunikation.

TARF inkluderer en akustisk undervandssender, der sender ekkolodssignaler ved hjælp af en standard akustisk højttaler. Signalerne bevæger sig som trykbølger med forskellige frekvenser svarende til forskellige databits. For eksempel, når senderen vil sende et 0, den kan transmittere en bølge, der rejser med 100 hertz; for en 1, den kan transmittere en 200-hertz-bølge. Når signalet rammer overfladen, det forårsager små krusninger i vandet, kun få mikrometer i højden, svarende til disse frekvenser.

For at opnå høje datahastigheder, systemet transmitterer flere frekvenser på samme tid, bygger på et modulationsskema brugt i trådløs kommunikation, kaldet ortogonal frekvensdelingsmultipleksing. Dette lader forskerne transmittere hundredvis af bits på én gang.

Placeret i luften over senderen er en ny type ekstremt højfrekvent radar, der behandler signaler i millimeterbølgespektret for trådløs transmission, mellem 30 og 300 gigahertz. (Det er båndet, hvor det kommende højfrekvente 5G trådløse netværk vil fungere.)

Radaren, som ligner et par kegler, udsender et radiosignal, der reflekteres fra den vibrerende overflade og vender tilbage til radaren. På grund af den måde, signalet kolliderer med overfladevibrationerne, signalet vender tilbage med en let moduleret vinkel, der svarer nøjagtigt til den databit, der sendes af sonarsignalet. En vibration på vandoverfladen, der repræsenterer en 0 bit, for eksempel, vil få det reflekterede signals vinkel til at vibrere ved 100 hertz.

"Radarreflektionen kommer til at variere en smule, når du har nogen form for forskydning som på vandoverfladen, " siger Adib. "Ved at opfange disse små vinkelændringer, vi kan opfange disse variationer, der svarer til sonarsignalet."

Lytter til "hvisken"

En vigtig udfordring var at hjælpe radaren med at opdage vandoverfladen. For at gøre det, forskerne brugte en teknologi, der registrerer refleksioner i et miljø og organiserer dem efter afstand og magt. Da vand har den mest kraftfulde refleksion i det nye systems miljø, radaren kender afstanden til overfladen. Når det er etableret, den zoomer ind på vibrationerne på den afstand, ignorerer alle andre nærliggende forstyrrelser.

Den næste store udfordring var at fange mikrometerbølger omgivet af meget større, naturlige bølger. Det mindste hav kruser på rolige dage, kaldet kapillærbølger, er kun omkring 2 centimeter høje, men det er 100 000 gange større end vibrationerne. Hårdere hav kan skabe bølger 1 million gange større. "Dette forstyrrer de små akustiske vibrationer ved vandoverfladen, " siger Adib. "Det er som om nogen skriger, og du prøver at høre nogen hviske på samme tid."

For at løse dette, forskerne udviklede sofistikerede signalbehandlingsalgoritmer. Naturlige bølger forekommer ved omkring 1 eller 2 hertz - eller, en bølge eller to bevæger sig over signalområdet hvert sekund. Ekkolodsvibrationerne på 100 til 200 hertz, imidlertid, er hundrede gange hurtigere. På grund af denne frekvensforskel, Algoritmen nulstiller på de hurtigt bevægende bølger, mens de ignorerer de langsommere.

Test af vandet

Forskerne tog TARF gennem 500 testkørsler i en vandtank og i to forskellige svømmebassiner på MITs campus.

I tanken, radaren blev placeret i intervaller fra 20 centimeter til 40 centimeter over overfladen, og sonarsenderen blev placeret fra 5 centimeter til 70 centimeter under overfladen. I bassinerne, radaren var placeret omkring 30 centimeter over overfladen, mens senderen var nedsænket omkring 3,5 meter under. I disse forsøg, forskerne havde også svømmere til at skabe bølger, der steg til omkring 16 centimeter.

I begge indstillinger, TARF var i stand til nøjagtigt at afkode forskellige data - såsom sætningen, "Hej! fra undervandet" - med hundredvis af bits i sekundet, svarende til standard datahastigheder for undervandskommunikation. "Selv mens der var svømmere, der svømmede rundt og forårsagede forstyrrelser og vandstrømme, vi var i stand til at afkode disse signaler hurtigt og præcist, " siger Adib.

I bølger højere end 16 centimeter, imidlertid, systemet er ikke i stand til at afkode signaler. De næste skridt er, blandt andet, raffinering af systemet til at fungere i mere barsk vand. "Det kan håndtere rolige dage og håndtere visse vandforstyrrelser. Men [for at gøre det praktisk] har vi brug for, at det fungerer på alle dage og i al slags vejr, " siger Adib.

Forskerne håber også, at deres system i sidste ende kunne gøre det muligt for en luftbåren drone eller et fly, der flyver hen over en vandoverflade, konstant at opfange og afkode sonarsignalerne, mens det zoomer forbi.