Undersøgelse finder måde at pakke flere data i en enkelt akustisk stråle til undervandskommunikation

En ny strategi til at sende akustiske bølger gennem vand kan potentielt åbne verden for højhastigheds-kommunikationsaktiviteter under vandet, herunder dykning, fjernovervågning af havet, og udforskning af dybhavet.

Ved at drage fordel af den dynamiske rotation, der genereres som akustiske bølger, det orbitale vinkelmoment, forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) var i stand til at pakke flere kanaler ind på en enkelt frekvens, effektivt øge mængden af ​​information, der kan overføres.

De demonstrerede dette ved at kode i binær form de bogstaver, der udgør ordet "Berkeley, "og transmitterer informationen langs et akustisk signal, der normalt ville bære færre data. De beskriver deres resultater i en undersøgelse, der blev offentliggjort i denne uge i Procedurer fra National Academy of Sciences .

"Det kan sammenlignes med at gå fra en enfelts sidegade til en motorvej med flere felter, "sagde undersøgelsen tilsvarende forfatter Xiang Zhang, senior fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division og professor ved UC Berkeley. "Dette arbejde har et stort potentiale inden for højhastighedsakustisk kommunikation."

Mens menneskelig aktivitet under havets overflade stiger, evnen til at kommunikere under vandet ikke har holdt trit, i høj grad begrænset af fysik. Mikrobølger absorberes hurtigt i vand, så transmissioner kan ikke komme langt. Optisk kommunikation er ikke bedre, da lys bliver spredt af undervandsmikropartikler, når de rejser over lange afstande.

Lavfrekvent akustik er den mulighed, der er tilbage til langdistance-undervandskommunikation. Der er masser af ansøgninger om ekkolod, herunder navigation, kortlægning af havbunden, fiskeri, offshore olie opmåling, og detektion af fartøjer.

Imidlertid, afvejningen med akustisk kommunikation, især med afstande på 200 meter eller mere, er, at den tilgængelige båndbredde er begrænset til et frekvensområde inden for 20 kilohertz. Frekvens der lav begrænser datatransmissionshastigheden til ti kilobit pr. Sekund, en hastighed, der går tilbage til dagene med opkaldsforbindelser til internettet og modem på 56 kilobit pr. sekund, sagde forskerne.

"Den måde, vi kommunikerer på under vandet, er stadig ret primitiv, "sagde Zhang." Der er en enorm appetit på en bedre løsning på dette. "

Forskerne vedtog ideen om multiplexing, eller kombinere forskellige kanaler sammen over et delt signal, eller multiplexering, er en teknik, der er meget udbredt inden for telekommunikation og computernetværk. Men multiplexering af orbital vinkelmoment er en fremgangsmåde, der ikke var blevet anvendt på akustik før denne undersøgelse, sagde forskerne.

Når lyden formerer sig, den akustiske bølgefront danner et spiralformet mønster, eller hvirvelstråle. Denne bølges orbitale vinkelmoment giver en rumlig grad af frihed og uafhængige kanaler, som forskerne kan kode data på.

"Rotationen sker ved forskellige hastigheder for kanaler med forskellig orbital vinkelmoment, selvom frekvensen af ​​selve bølgen forbliver den samme, gør disse kanaler uafhængige af hinanden, "sagde studieforfatteren Chengzhi Shi, en kandidatstuderende i Zhangs laboratorium. "Derfor kunne vi kode forskellige bit af data i den samme akustiske stråle eller puls. Vi brugte derefter algoritmer til at afkode informationen fra de forskellige kanaler, fordi de er uafhængige af hinanden."

Det eksperimentelle setup, placeret på Berkeley Lab, bestod af et digitalt styrekredsløb med en række 64 transducere, sammen skaber spiralformede bølgefronter for at danne forskellige kanaler. Signalerne blev sendt ud samtidigt via uafhængige kanaler i det orbitale vinkelmoment. De brugte en frekvens på 16 kilohertz, som ligger inden for det område, der i øjeblikket bruges i ekkolod. Et modtagerarray med 32 sensorer målte de akustiske bølger, og algoritmer blev brugt til at afkode de forskellige mønstre.

"Vi modulerede amplituden og fasen for hver transducer til at danne forskellige mønstre og til at generere forskellige kanaler på det orbitale vinkelmoment, "sagde Shi." Til vores eksperiment brugte vi otte kanaler, så i stedet for kun at sende 1 bit data, vi kan sende 8 bits samtidigt. I teorien, imidlertid, antallet af kanaler leveret af orbital vinkelmoment kan være meget større. "

Forskerne bemærkede, at mens eksperimentet blev udført i luft, fysikken i de akustiske bølger er meget ens for vand og luft i dette frekvensområde.

Udvidelse af kapaciteten i undervandskommunikation kan åbne nye veje til efterforskning, sagde forskerne. Denne ekstra kapacitet kan i sidste ende gøre forskellen mellem at sende en tekstbesked og sende en high-definition spillefilm under havets overflade. Fjernprober i havene kunne sende data uden at skulle overflade.

"Vi ved meget mere om rummet og vores univers, end vi ved om vores oceaner, "sagde Shi." Grunden til at vi ved så lidt er, at vi ikke har sonder til let at studere dybhavet. Dette arbejde kan dramatisk fremskynde vores forskning og udforskning af havene. "