MIT-onderzoekers hebben een stap gezet in de richting van het oplossen van een langdurige uitdaging met draadloze communicatie:directe gegevensoverdracht tussen apparaten onder water en in de lucht.

Vandaag, onderwatersensoren kunnen geen gegevens delen met die op het land, omdat beide verschillende draadloze signalen gebruiken die alleen in hun respectieve media werken. Radiosignalen die door de lucht reizen, sterven zeer snel af in water. akoestische signalen, of sonar, verzonden door onderwaterapparaten reflecteren meestal op het oppervlak zonder ooit door te breken. Dit veroorzaakt inefficiënties en andere problemen voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals oceaanexploratie en communicatie tussen onderzeeërs en vliegtuigen.

In een paper die deze week op de SIGCOMM-conferentie wordt gepresenteerd, Onderzoekers van het MIT Media Lab hebben een systeem ontworpen dat dit probleem op een nieuwe manier aanpakt. Een onderwaterzender stuurt een sonarsignaal naar het wateroppervlak, veroorzaakt kleine trillingen die overeenkomen met de enen en nullen die worden uitgezonden. Boven het oppervlak, een zeer gevoelige ontvanger leest deze minieme storingen en decodeert het sonarsignaal.

"Proberen de lucht-watergrens te overschrijden met draadloze signalen is een obstakel geweest. Ons idee is om het obstakel zelf te transformeren in een medium om te communiceren, " zegt Fadel Adib, een assistent-professor in het Media Lab, wie leidt dit onderzoek. Hij was co-auteur van het artikel met zijn afgestudeerde student Francesco Toolini.

Het systeem, genaamd "translationele akoestische-RF-communicatie" (TARF), staat nog in de kinderschoenen, zegt Adib. Maar het vertegenwoordigt een "mijlpaal, " hij zegt, dat nieuwe mogelijkheden zou kunnen openen in de water-luchtcommunicatie. Met behulp van het systeem, militaire onderzeeërs, bijvoorbeeld, niet naar de oppervlakte hoeven te komen om met vliegtuigen te communiceren, hun locatie in gevaar brengen. En onderwaterdrones die het onderwaterleven in de gaten houden, hoeven niet constant uit diepe duiken te komen om gegevens naar onderzoekers te sturen.

Een andere veelbelovende toepassing is hulp bij het zoeken naar vliegtuigen die onder water verdwijnen. "Akoestische zendbakens kunnen worden geïmplementeerd in, zeggen, de zwarte doos van een vliegtuig, ' zegt Adib. 'Als het af en toe een signaal uitzendt, je zou het systeem kunnen gebruiken om dat signaal op te vangen."

Trillingen decoderen

De huidige technologische oplossingen voor dit probleem met draadloze communicatie hebben verschillende nadelen. boeien, bijvoorbeeld, zijn ontworpen om sonargolven op te vangen, de gegevens verwerken, en stuur radiosignalen naar ontvangers in de lucht. Maar deze kunnen wegdrijven en verdwalen. Velen zijn ook nodig om grote gebieden te bestrijken, waardoor ze onuitvoerbaar zijn voor, zeggen, onderzeeër-naar-oppervlakte communicatie.

TARF bevat een akoestische onderwaterzender die sonarsignalen verzendt met behulp van een standaard akoestische luidspreker. De signalen reizen als drukgolven met verschillende frequenties die overeenkomen met verschillende databits. Bijvoorbeeld, wanneer de zender een 0 wil zenden, het kan een golf uitzenden met een snelheid van 100 hertz; voor een 1, het kan een golf van 200 hertz uitzenden. Wanneer het signaal het oppervlak bereikt, het veroorzaakt kleine rimpelingen in het water, slechts enkele micrometers hoog, overeenkomen met die frequenties.

Om hoge datasnelheden te bereiken, het systeem zendt meerdere frequenties tegelijk uit, voortbouwend op een modulatieschema dat wordt gebruikt in draadloze communicatie, orthogonale multiplexing met frequentieverdeling genoemd. Hierdoor kunnen de onderzoekers honderden bits tegelijk verzenden.

In de lucht boven de zender bevindt zich een nieuw type extreem hoogfrequente radar die signalen verwerkt in het millimetergolfspectrum van draadloze transmissie, tussen 30 en 300 gigahertz. (Dat is de band waar het aanstaande hoogfrequente 5G draadloze netwerk zal werken.)

de radar, die eruitziet als een paar kegels, zendt een radiosignaal uit dat weerkaatst op het trillende oppervlak en terugkaatst naar de radar. Door de manier waarop het signaal botst met de oppervlaktetrillingen, het signaal keert terug met een licht gemoduleerde hoek die precies overeenkomt met de databit die door het sonarsignaal wordt verzonden. Een trilling op het wateroppervlak die een 0 bit vertegenwoordigt, bijvoorbeeld, zal de hoek van het gereflecteerde signaal met 100 hertz doen trillen.

"De radarreflectie zal een beetje variëren wanneer je enige vorm van verplaatsing hebt, zoals op het wateroppervlak, " zegt Adib. "Door deze kleine hoekveranderingen op te pikken, we kunnen deze variaties oppikken die overeenkomen met het sonarsignaal."

Luisteren naar "het gefluister"

Een belangrijke uitdaging was om de radar te helpen het wateroppervlak te detecteren. Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten een technologie die reflecties in een omgeving detecteert en ordent op afstand en kracht. Omdat water de krachtigste weerspiegeling is in de omgeving van het nieuwe systeem, de radar kent de afstand tot het oppervlak. Als dat eenmaal is vastgesteld, het zoomt in op de trillingen op die afstand, het negeren van alle andere storingen in de buurt.

De volgende grote uitdaging was het vastleggen van micrometergolven omringd door veel grotere, natuurlijke golven. De kleinste oceaanrimpelingen op rustige dagen, capillaire golven genoemd, zijn slechts ongeveer 2 centimeter lang, maar dat is 100, 000 keer groter dan de trillingen. Ruwe zeeën kunnen golven creëren die 1 miljoen keer groter zijn. "Dit verstoort de kleine akoestische trillingen aan het wateroppervlak, "zegt Adib. "Het is alsof iemand schreeuwt en je probeert tegelijkertijd iemand te horen fluisteren."

Om dit op te lossen, de onderzoekers ontwikkelden geavanceerde signaalverwerkingsalgoritmen. Natuurlijke golven treden op bij ongeveer 1 of 2 hertz - of, een golf of twee die elke seconde over het signaalgebied bewegen. De sonartrillingen van 100 tot 200 hertz, echter, zijn honderd keer sneller. Door dit frequentieverschil het algoritme richt zich op de snel bewegende golven en negeert de langzamere.

De wateren testen

De onderzoekers namen TARF door 500 testruns in een watertank en in twee verschillende zwembaden op de campus van MIT.

In de tank, de radar werd geplaatst op afstanden van 20 centimeter tot 40 centimeter boven het oppervlak, en de sonarzender werd van 5 centimeter tot 70 centimeter onder het oppervlak geplaatst. In de zwembaden, de radar bevond zich ongeveer 30 centimeter boven het oppervlak, terwijl de zender ongeveer 3,5 meter lager was ondergedompeld. Bij deze experimenten de onderzoekers lieten ook zwemmers golven maken die opliepen tot ongeveer 16 centimeter.

In beide instellingen, TARF was in staat om verschillende gegevens nauwkeurig te decoderen, zoals de zin, "Hallo! van onder water" - met honderden bits per seconde, vergelijkbaar met standaard datasnelheden voor onderwatercommunicatie. "Zelfs terwijl er zwemmers rondzwemmen en verstoringen en waterstromingen veroorzaakten, we waren in staat om deze signalen snel en nauwkeurig te decoderen, ' zegt Adib.

In golven hoger dan 16 centimeter, echter, het systeem kan geen signalen decoderen. De volgende stappen zijn, onder andere, verfijning van het systeem om in ruwere wateren te werken. "Het kan omgaan met rustige dagen en omgaan met bepaalde waterverstoringen. Maar [om het praktisch te maken] hebben we dit nodig om op alle dagen en alle weersomstandigheden te werken, ' zegt Adib.

De onderzoekers hopen ook dat hun systeem uiteindelijk een drone of vliegtuig in de lucht die over een wateroppervlak vliegt, in staat kan stellen om constant de sonarsignalen op te pikken en te decoderen terwijl het voorbij zoomt.