Voor miljoenen mensen die elk jaar deelnemen aan activiteiten zoals snorkelen en duiken, zijn handgebaren de enige optie voor het communiceren van veiligheids- en richtingsinformatie onder water. Terwijl recreatieve duikers ongeveer 20 signalen kunnen gebruiken, kan de woordenschat van professionele duikers de 200 signalen overschrijden over onderwerpen variërend van zuurstofniveau tot de nabijheid van waterdieren tot het uitvoeren van coöperatieve taken.

Het visuele karakter van deze handsignalen beperkt hun effectiviteit op afstand en bij slecht zicht. Tweerichtings-sms-berichten zijn een potentieel alternatief, maar dat vereist dure aangepaste hardware die niet overal verkrijgbaar is.

Onderzoekers van de Universiteit van Washington laten zien hoe je met alleen software onderwaterberichten op miljarden bestaande smartphones en smartwatches kunt bereiken. Het team ontwikkelde AquaApp, de eerste mobiele app voor akoestische communicatie en netwerken onder water die kan worden gebruikt met bestaande apparaten zoals smartphones en smartwatches.

De onderzoekers presenteerden hun paper waarin AquaApp wordt beschreven op 25 augustus op SIGCOMM 2022.

"Smartphones vertrouwen op radiosignalen zoals wifi en Bluetooth voor draadloze communicatie. Die verspreiden zich niet goed onder water, maar akoestische signalen wel", zegt co-lead auteur Tuochao Chen, een UW-doctoraatsstudent aan de Paul G. Allen School of Computer Science &Engineering. "Met AquaApp demonstreren we onderwaterberichten met behulp van de luidspreker en microfoon die algemeen beschikbaar zijn op smartphones en horloges. Behalve het downloaden van een app naar hun telefoon, hebben mensen alleen een waterdichte telefoonhoes nodig die geschikt is voor de diepte van hun duik."

De AquaApp-interface stelt gebruikers in staat om te kiezen uit een lijst van 240 vooraf ingestelde berichten die overeenkomen met handsignalen die worden gebruikt door professionele duikers, waarbij de 20 meest voorkomende signalen prominent worden weergegeven voor gemakkelijke toegang. Gebruikers kunnen ook berichten filteren op acht categorieën, waaronder richtingaanwijzers, omgevingsfactoren en apparatuurstatus.

Bij het bouwen van de app moest het team verschillende technische uitdagingen overwinnen die ze nog niet eerder op het droge waren tegengekomen.

"Het onderwaterscenario brengt nieuwe problemen aan het licht in vergelijking met toepassingen via de ether", zegt co-hoofdauteur Justin Chan, een doctoraalstudent aan de Allen School. "Fluctuaties in signaalsterkte worden bijvoorbeeld verergerd door reflecties van het oppervlak, de vloer en de kustlijn. Beweging veroorzaakt door mensen, golven en objecten in de buurt kunnen de gegevensoverdracht verstoren. Bovendien hebben microfoons en luidsprekers verschillende kenmerken bij alle smartphonemodellen. We hadden om zich in realtime aan deze en andere factoren aan te passen om ervoor te zorgen dat AquaApp zou werken onder reële omstandigheden."

Andere uitdagingen waren het aanpakken van de neiging van apparaten om snel van positie en nabijheid in de stroming te veranderen, en de verschillende geluidsprofielen die de app kan tegenkomen vanwege de aanwezigheid van schepen, dieren en zelfs laagvliegende vliegtuigen.

Het team heeft een algoritme gemaakt waarmee AquaApp in realtime de bitrate en akoestische frequenties van elke transmissie kan optimaliseren op basis van bepaalde parameters, waaronder afstand, ruis en variaties in frequentierespons op verschillende apparaten.

Zo werkt het:wanneer een gebruiker een bericht naar een ander apparaat wil sturen, stuurt zijn app eerst een korte notitie, een preambule genaamd, naar het andere apparaat. AquaApp op het tweede apparaat voert het algoritme uit om de beste voorwaarden te bepalen om de preambule te ontvangen. Vervolgens vertelt het het eerste apparaat om dezelfde voorwaarden te gebruiken om het eigenlijke bericht te verzenden.

De onderzoekers ontwikkelden een netwerkprotocol om de toegang tot het onderwaternetwerk te delen, vergelijkbaar met hoe wifi-netwerken internetverkeer doorverwijzen, om berichten tussen meerdere apparaten te ondersteunen. AquaApp biedt plaats aan maximaal 60 unieke gebruikers tegelijk op zijn lokale netwerk.

Het team testte de praktische bruikbaarheid van het AquaApp-systeem op zes locaties met verschillende watercondities en activiteitsniveaus, waaronder onder een brug in kalm water, in een populair park aan het water met sterke stroming, naast het visdok van een druk meer en in een baai met sterke golven. De onderzoekers evalueerden de prestaties van de app op afstanden tot 113 meter en diepten tot 12 meter.

"Op basis van onze experimenten is tot 30 meter het ideale bereik voor het verzenden en ontvangen van berichten onder water, en 100 meter voor het verzenden van SoS-bakens," zei Chen. "Deze mogelijkheden zouden voldoende moeten zijn voor de meeste recreatieve en professionele scenario's."

De onderzoekers hebben ook de impact van AquaApp op de batterijduur gemeten door het systeem continu op twee Samsung Galaxy S9-smartphones te laten draaien op maximaal volume en met geactiveerde schermen. De app verminderde het batterijvermogen van de apparaten met slechts 32% in de loop van vier uur, wat binnen de maximaal aanbevolen duiktijd voor recreatief duiken is.

"AquaApp brengt onderwatercommunicatie naar de massa", zegt senior auteur Shyam Gollakota, een UW-professor aan de Allen School. "De huidige staat van onderwaternetwerken is vergelijkbaar met ARPANET, de voorloper van internet, in de jaren zeventig, waar slechts een select aantal mensen toegang hadden tot internet. AquaApp heeft het potentieel om die status-quo te veranderen door onderwatertechnologie te democratiseren en het zo zo eenvoudig als het downloaden van software op uw smartphone."

De gegevens van het team en de open-source Android-code zijn beschikbaar op de AquaApp-website. + Verder verkennen

Aqua-Fi:WiFi onder water ontwikkeld met behulp van LED's en lasers