Исследователи MIT сделали еще один шаг к решению давней проблемы с беспроводной связью: прямая передача данных между подводными и бортовыми устройствами.
Сегодня подводные датчики не могут обмениваться данными с датчиками на суше, так как используют разные беспроводные сигналы, которые работают только в соответствующих средах. Радиосигналы, которые проходят через воздух, очень быстро погибают в воде. Акустические сигналы, посылаемые подводными аппаратами, в основном отражаются поверхностью. Это приводит к неэффективности и другим проблемам для различных применений, таких как разведка океана и связь между подводными лодками.
В научной работе, представленной на конференции SIGCOMM, описана разработанная исследователями MIT Media Lab система, которая решает эту проблему по-новому. Подводный передатчик направляет сигнал сонара на поверхность воды, вызывая крошечные вибрации (периодом в 1 и 0 секунд), а над поверхностью высокочувствительный приемник считывает эти мелкие помехи и декодирует сигнал сонара.
«Попытка пересечь барьер между воздухом и водой с помощью беспроводных сигналов была препятствием. Наша идея — иметь возможность общаться в проблемной среде», — говорит Фадел Адиб, доцент в Media Lab, который возглавляет это исследование.
Адиб говорит, что система, называемая «трансляционной акустической радиосвязью» (TARF), все еще находится на ранних стадиях. Но она представляет собой «веху», — говорит он, — что может открыть новые возможности в водно-воздушных сообщениях. Используя систему, военные подводные лодки, например, больше не должны будут подниматься к поверхности для коммуникаций с самолетами и раскрывать этим свое местоположение. И подводные беспилотные летательные аппараты, которые следят за морской жизнью, не будут нуждаться в постоянном всплытии от глубоких погружений, чтобы отправить данные исследователям.
Еще одно многообещающее применение — это поиск самолетов, пропавших без вести под водой. «Акустические радиомаяки могут быть установлены, например, в черном ящике самолета», — говорит Адиб. «Если он иногда передает сигнал, вы сможете использовать систему для принятия этого сигнала».
Декодирующие колебания
Сегодняшние технологические решения этой проблемы беспроводной связи обладают различными недостатками. Буи, например, были спроектированы для приема волн сонара, обработки данных и отправки радиосигналов бортовым приемникам, но они легко могут быть потеряны в воде. Многие другие устройства разработаны для охвата больших площадей, что делает их непрактичными, например, для связи между подводными лодками.
TARF включает подводный акустический передатчик, который посылает сигналы сонара с использованием стандартного акустического динамика. Сигналы движутся как волны давления разных частот, соответствующие разным битам данных. Например, когда передатчик хочет отправить 0, он может передавать волну, перемещающуюся со скоростью 100 Гц; для 1, он может передавать 200-герцовую волну.
Для достижения высоких скоростей передачи данных система одновременно передает несколько частот, основываясь на схеме модуляции, используемой в беспроводной связи, называемой ортогональным мультиплексированием с частотным разделением. Это позволяет исследователям передавать сотни бит одновременно.
Новый тип высокочастотного радиолокатора обрабатывает сигналы в миллиметровом спектре беспроводной передачи от 30 до 300 Гигагерц. (Это диапазон частот, в котором будет работать будущая высокочастотная беспроводная сеть 5G).
Радиолокатор, который выглядит как пара конусов, передает радиосигнал, который отражается от вибрационной поверхности и отскакивает назад к радару. Из-за того, как сигнал сталкивается с вибрациями на поверхности, сигнал возвращается под слегка модулированным углом. Например, вибрация на поверхности воды, представляющая 0 бит, заставит угол отраженного сигнала вибрировать со скоростью 100 герц.
Прослушивание «шепота»
Серьезной проблемой был захват микрометрических волн. Наименьшая волна океана в спокойные дни (капиллярные волны) составляет около 2 сантиметров, но это в 100 000 раз больше, чем вибрации. Более сильные моря могут создавать волны в 1 миллион раз больше. «Это мешает крошечным акустическим вибрациям на поверхности воды», — говорит Адиб. «Как будто кто-то кричит, и вы пытаетесь услышать, как кто-то еще шепчет в то же время».
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали сложные алгоритмы обработки сигналов. На гребнях естественных волн генерируется звук частотой 1 или 2 герца, т.е. волна или две движутся по области сигнала каждую секунду. Однако сонарные вибрации от 100 до 200 герц в сотни раз быстрее. Из-за разности частот алгоритм фокусируется на быстрых волнах, игнорируя более медленные.
Тестирование вод
Исследователи провели 500 тестовых запусков системы TARF в резервуаре для воды и в двух разных плавательных бассейнах в кампусе MIT.
В баке радиолокатор располагался на расстоянии от 20 см до 40 см над поверхностью, а передатчик сонара помещался от 5 см до 70 сантиметров ниже поверхности. В бассейнах радар располагался на высоте около 30 сантиметров над поверхностью, а передатчик был погружен на 3,5 метра ниже. В этих экспериментах исследователи также задействовали пловцов, создающих волны, которые поднимались примерно до 16 сантиметров.
В обоих настройках TARF смог точно декодировать различные данные, — например, предложение «Hello! From underwater», — на скорости сотни бит в секунду, аналогичной стандартной частоте передачи данных под водой. «Даже когда плавали пловцы и вызывали водные потоки, мы могли быстро и точно декодировать эти сигналы», — говорит Адиб.
Однако при волнах выше 16 см система не может декодировать сигналы. Следующими шагами, помимо прочего, являются усовершенствование системы для работы в более жестких водах.
Компания СЭА — провайдер инновационных технологий в Украине. В программу поставок компании входят беспроводные и электронные компоненты, а также средства автоматизации. Чтобы купить беспроводные компоненты, получить дополнительную техническую информацию и по вопросам приобретения продукции обращайтесь в Компанию СЭА по телефону: +38 (044) 330-00-88; e-mail: info@sea.com.ua.
