Исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали первую сверхмаломощную подводную сеть и систему связи, которая может передавать сигналы на километровый диапазон. Технология, которую исследователи начали разрабатывать несколько лет назад, использует примерно в миллион раз меньше энергии, чем существующие методы подводной связи. Расширяя дальность связи безбатарейных систем, исследователи делают эту технологию более пригодной для таких приложений, как аквакультура, прогнозирование прибрежных ураганов и моделирование изменения климата.

«Всего несколько лет назад подводная связь с в миллион раз меньшей мощностью была очень интересной идеей, но теперь она осуществима. Хотя еще есть некоторые интересные технические проблемы, которые необходимо решить, есть четкий путь от того места, где мы сейчас находимся, к развертыванию», — сказал Фадель Адиб, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук и директор группы динамики сигналов в Медиалаборатории Массачусетского технологического института.

Устройство представляет собой матрицу пьезоэлектрических датчиков, которая обеспечивает подводную связь без батареек. Источник изображения: предоставлено исследователями.

Подводное обратное рассеяние обеспечивает связь с низким энергопотреблением за счет кодирования данных в звуковых волнах, которые затем отражаются или рассеиваются обратно к приемнику. Эти нововведения позволяют более точно направлять отраженные сигналы к источнику.

Из-за этой «обратной направленности» меньше сигнала рассеивается в неправильном направлении, что обеспечивает более эффективную связь на большие расстояния. При испытаниях в реках и океанах устройство обратного направления обеспечивало связь на расстоянии более чем в 15 раз больше, чем предыдущие устройства. Однако эксперименты были ограничены длиной дока, доступного исследователям.

Чтобы лучше понять пределы подводного обратного рассеяния, команда также разработала аналитическую модель для прогнозирования максимальной дальности действия этой технологии. Они проверили модель, используя экспериментальные данные, показав, что их реверсивная система может общаться на расстоянии километра.

Исследователи поделились своими выводами в двух статьях, которые будут представлены на конференциях ACMSIGCOMM и MobiCom в этом году. Адиб — старший автор этих двух статей. Он стал соавтором статьи SIGCOMM вместе с бывшим научным сотрудником-докторантом Алин Эйд, ныне доцентом Мичиганского университета, и научным сотрудником Джеком Радемахером, а также научными сотрудниками Валидом Акбаром, Пуруи Вангом и научным сотрудником Ахмедом Алламом. Соавторами статьи о MobiCom также являются Акбар и Аллам.

Три члена команды проводят эксперименты в Исследовательском институте Вудс-Хоул. Источник изображения: предоставлено исследователями.

Общайтесь с помощью звуковых волн

В подводных устройствах связи с обратным рассеянием используются массивы узлов, изготовленных из «пьезоэлектрических» материалов, для приема и отражения звуковых волн. Эти материалы производят электрические сигналы под действием механических сил.

Когда звуковые волны достигают узлов, они вибрируют и преобразуют механическую энергию в электрические заряды. Узел использует электрические заряды для рассеивания части акустической энергии обратно к источнику, передавая данные, а приемник декодирует данные на основе последовательности отражений. Однако, поскольку сигналы обратного рассеяния распространяются во всех направлениях, лишь небольшая часть достигает источника звука, что снижает мощность сигнала и ограничивает дальность связи.

Чтобы решить эту проблему, исследователи воспользовались радиоустройством 70-летней давности под названием массив Ван Атта, в котором симметричная пара антенн соединена таким образом, что массив отражает энергию обратно в направлении источника сигнала.

Однако соединение пьезоэлектрических узлов для формирования массива Ван Атта снижает его эффективность. Исследователи избежали этой проблемы, поместив трансформатор между парами подключенных узлов. Трансформаторы передают электрическую энергию из одной цепи в другую, позволяя узлам отражать максимальную энергию обратно в источник.

«Оба узла принимают и оба узла отражают, так что это очень интересная система», — объясняет Эд. «Поскольку количество элементов в системе увеличивается, вы можете построить массив, обеспечивающий более длинные расстояния связи».

Кроме того, они использовали метод, называемый переключением кросс-полярности, для кодирования двоичных данных в отраженном сигнале. Каждый узел имеет положительную и отрицательную клеммы (например, автомобильный аккумулятор), поэтому, когда соединены положительные клеммы двух узлов и соединены отрицательные клеммы двух узлов, отраженный сигнал составляет «1 бит».

Но если исследователи поменяют полярность и соедините отрицательный и положительный полюса друг с другом, отраженный сигнал станет «нулевым».

«Недостаточно просто соединить пьезоэлектрические узлы. Меняя полярность двух узлов, мы можем передавать данные обратно на удаленный приемник», — объясняет Радемахер.

При построении массива VanAtta исследователи обнаружили, что если соединенные узлы будут находиться слишком близко, они будут блокировать сигналы друг друга. Они разработали новую конструкцию, в которой узлы чередуются, так что сигналы могут достигать массива с любого направления. Благодаря такой масштабируемой конструкции, чем больше узлов в массиве, тем больше дальность связи.

Сотрудничая с Океанографическим институтом Вудс-Хоул, они провели более 1500 экспериментальных испытаний установки на реке Чарльз в Кембридже, штат Массачусетс, и в Атлантическом океане у побережья Фалмута, штат Массачусетс. Устройство имеет дальность связи 300 метров, что более чем в 15 раз больше, чем демонстрировали ранее.

Однако из-за нехватки места в доке эксперимент пришлось сократить.

Максимум моделирования

Это вдохновило исследователей на создание аналитической модели для определения теоретических и практических ограничений связи этой новой технологии подводного обратного рассеяния. Основываясь на исследованиях своей группы в области радиочастотной идентификации (RFID), исследовательская группа разработала модель, позволяющую отразить влияние параметров системы, таких как размер пьезоэлектрических узлов и входная мощность сигнала, на подводный рабочий диапазон устройства.

«Это не традиционная коммуникационная технология, поэтому вам нужно понять, как количественно оценивать отражения. Какова роль различных компонентов в этом процессе?» - сказал Акбар. Например, исследователям нужно было вывести функцию, которая фиксировала бы количество сигнала, отраженного от подводного пьезоэлектрического узла определенного размера, что было одной из самых больших проблем при разработке модели.

Они использовали эти идеи для создания модели plug-and-play, в которой пользователи могут вводить такую ​​информацию, как входная мощность и размер пьезоэлектрического узла, и получать выходные данные, показывающие ожидаемый диапазон работы системы.

Они оценили модель по экспериментальным данным и обнаружили, что модель может точно предсказать диапазон обратных акустических сигналов со средней ошибкой менее 1 дБ. Используя эту модель, они обнаружили, что подводные массивы обратного рассеяния способны обеспечить дальность связи в несколько километров.

«Мы создаем новую океанскую технологию и внедряем ее в сферу сотовых сетей 6G, чем мы и занимаемся», — сказал Адиб. «Для нас это очень важно, потому что теперь мы начинаем видеть эту технологию очень близкой к реальности».

Исследователи планируют продолжить изучение подводной установки обратного рассеяния ВанАтта, возможно, с использованием кораблей, чтобы они могли оценить большую дальность связи. В то же время они также планируют выпустить инструменты и наборы данных, чтобы другие исследователи могли использовать их. В то же время они также начинают двигаться к коммерциализации технологии.

«Ограниченная дальность действия была открытой проблемой для подводных сетей обратного рассеяния, что затрудняло их использование в реальных приложениях». Омид Абари, доцент кафедры информатики в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, сказал: «Эта статья позволяет осуществлять подводную связь на большие расстояния, работая при этом с минимальными затратами энергии, что открывает возможности для подводной связи в будущем». Данная статья представляет собой важный шаг вперед в области коммуникации. В этой статье впервые представлена ​​технология массива VanAttaReflector в подводной среде обратного рассеяния и продемонстрированы преимущества этой технологии в увеличении дальности связи на несколько порядков. Это может сделать подводную связь без батарей на шаг ближе к реальности, позволяя использовать такие приложения, как подводный мониторинг изменения климата и мониторинг побережья».