Исследователи Массачусетского технологического института сделали шаг к решению давней проблемы беспроводной связи: прямой передачи данных между подводными и устройствами на борту самолета.Сегодня подводные датчики не могут обмениваться данными с наземными датчиками, поскольку оба используют разные беспроводные сигналы, которые работают только в соответствующих средах. Радиосигналы, которые распространяются по воздуху, очень быстро затухают в воде. Акустические сигналы, или гидролокаторы, посылаемые подводными устройствами, в основном отражаются от поверхности. Это приводит к неэффективности и проблемам в различных областях, таких как исследование океана и связь между подводными лодками и самолетами.
В документе, представленном на конференции SIGCOMM на этой неделе, исследователи MIT Media Lab разработали систему, которая по-новому решает эту проблему. Подводный передатчик направляет сигнал гидролокатора на поверхность воды, вызывая крошечные вибрации, которые соответствуют 1 и 0 передаваемых данных. Над поверхностью высокочувствительный приемник считывает эти мелкие помехи и декодирует сигнал гидролокатора.
До недавнего времени не было способа передачи сигналов связи между воздухом и водой. Если подводная лодка проходит под самолетом в небе, у них не было никакого способа общаться друг с другом, без всплытия подводной лодки, выдавая ее местоположение противнику. Фадель Адиб и Франческо Тонолини из MIT Media Lab разработали способ соединения этих, казалось бы, несовместимых сред с помощью так называемой трансляционной акустической радиочастотной связи, или TARF. Используя звуковые волны из-под воды и радар из воздуха, сообщения могут передаваться путем создания слабой ряби на поверхности воды.
«Попытка пересечь воздушно-водную границу с помощью беспроводных сигналов была препятствием. Наша идея состоит в том, чтобы превратить само препятствие в среду, с помощью которой можно общаться », — говорит Фадель Адиб, доцент в Медиа-лаборатории, которая ведет это исследование. Он является соавтором статьи со своим аспирантом Франческо Тонолини.
По словам Адиба, система, называемая «трансляционная акустическая радиочастотная связь» (TARF), все еще находится на ранней стадии. По его словам, это представляет собой «веху», которая может открыть новые возможности в водно-воздушных коммуникациях. При использовании этой системы, например, военным подводным лодкам не нужно было бы подниматься на поверхность, чтобы общаться с самолетами, ставя под угрозу их местоположение. А подводные беспилотники, которые следят за морскими обитателями, не должны постоянно выходить из глубинных погружений, чтобы отправлять данные исследователям.
Еще одно многообещающее приложение — помощь в поиске самолетов, пропавших без вести под водой. «Акустические передающие маяки могут быть внедрены, скажем, в черный ящик самолета», — говорит Адиб. «Если он передает сигнал время от времени, вы сможете использовать систему для получения этого сигнала»
Декодирование вибрацииСовременные технологические решения этой проблемы беспроводной связи имеют ряд недостатков. Например, буи были спроектированы для улавливания звуковых сигналов, обработки данных и передачи радиосигналов на бортовые приемники. Но они могут уплыть и потеряться. Многим также необходимо покрывать большие площади, что делает их неосуществимыми, например, для связи между подводной лодкой и надводной поверхностью.
TARF включает в себя подводный акустический передатчик, который посылает сигналы сонара, используя стандартный акустический динамик. Сигналы распространяются в виде волн давления разных частот, соответствующих разным битам данных. Например, когда передатчик хочет отправить 0, он может передавать волну 100 Гц; для 1 он может передавать 200-герцовую волну. Когда сигнал попадает на поверхность, он вызывает крошечную рябь в воде, высотой всего несколько микрометров, соответствующую этим частотам.
Для достижения высоких скоростей передачи данных система передает несколько частот одновременно, основываясь на схеме модуляции, используемой в беспроводной связи, называемой ортогональным мультиплексированием с частотным разделением (ODFM). Это позволяет исследователям передавать сотни битов одновременно.
В воздухе над передатчиком расположен новый тип сверхвысокочастотного радара, который обрабатывает сигналы в диапазоне миллиметровых радиоволн, от 30 до 300 гигагерц. (Это полоса, в которой будет работать предстоящая высокочастотная беспроводная сеть 5G.)
Радар, который выглядит как пара конусов, передает радиосигнал, который отражается от вибрирующей поверхности и возвращается к радару. Из-за того, что сигнал сталкивается с поверхностными колебаниями, сигнал возвращается со слегка модулированным углом, который точно соответствует биту данных, посылаемому сигналом сонара. Например, вибрация на поверхности воды, представляющая собой 0 бит, приведет к тому, что угол отраженного сигнала будет колебаться при 100 герц.
«Отражение радара будет немного меняться, когда у вас есть какое-либо смещение, например, на поверхности воды», — говорит Адиб. «Подбирая эти крошечные изменения угла, мы можем подобрать эти изменения, которые соответствуют сигналу сонара».
Прослушивание «шепота»Ключевой задачей было помочь радару обнаружить поверхность воды. Для этого исследователи использовали технологию, которая обнаруживает отражения в окружающей среде и организует их по расстоянию и мощности. Поскольку вода обладает самым сильным отражением в среде новой системы, радар знает расстояние до поверхности. Как только это установлено, оно увеличивает вибрации на этом расстоянии, игнорируя все другие близлежащие помехи.
Следующая важная задача заключалась в захвате микрометровых волн, окруженных гораздо большими естественными волнами. Самые мелкие волны океана в спокойные дни, называемые капиллярными волнами, имеют высоту всего около 2 сантиметров, но это в 100 000 раз больше, чем вибрации. Сильное волнение моря может создавать волны в 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 шепчет одновременно».
Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали сложные алгоритмы обработки сигналов. Естественные волны возникают с частотой около 1 или 2 Гц, или одна или две волны, которые перемещаются в области сигнала каждую секунду. Вибрации гидролокатора от 100 до 200 Гц, однако, в сто раз быстрее. Из-за этой разности частот алгоритм фокусируется на быстро движущихся волнах, игнорируя более медленные.
ТестированиеИсследователи провели TARF через 500 тестовых прогонов в резервуаре для воды и в двух разных бассейнах в кампусе Массачусетского технологического института.
В резервуаре радар был расположен на расстоянии от 20 до 40 сантиметров над поверхностью, а гидролокатор — от 5 до 70 сантиметров над поверхностью. В бассейнах радар был расположен примерно на 30 сантиметров над поверхностью, а передатчик был погружен на 3,5 метра ниже. В этих экспериментах у исследователей также были пловцы, создающие волны, которые поднимались до 16 сантиметров.
В обоих случаях TARF смог точно декодировать различные данные — например, предложение «Здравствуйте, это из-под воды » — со скоростью 100 бит в секунду, аналогично стандартной скорости передачи данных для подводной связи. «Несмотря на то, что пловцы плавали вокруг и вызывали возмущения и потоки воды, мы смогли быстро и точно декодировать эти сигналы», — говорит Адиб.
Однако на волнах выше 16 сантиметров система не может декодировать сигналы. Следующими шагами, среди прочего, является доработка системы для работы в условиях большей качки. «Сейчас все работает в хороший день, но [чтобы сделать это практичным] нам нужно, чтобы это работало во все дни и при любой погоде », — говорит Адиб.
«TARF — первая система, демонстрирующая возможность получения подводных акустических передач из воздуха с помощью радара», — говорит Аарон Шульман, доцент кафедры компьютерных наук и инженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего. «Я ожидаю, что эта новая радиолокационно-акустическая технология принесет пользу исследователям в областях, которые зависят от подводной акустики (например, морская биология), и вдохновит научное сообщество исследовать, как сделать радиолокационно-акустические связи практичными и надежными».
Исследователи также надеются, что их система в конечном итоге позволит летающему беспилотнику или самолету, летящему над поверхностью воды, постоянно принимать и декодировать сигналы сонара, когда он приближается.
