無線通信突破了水氣障礙

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)朝著解決長期無線通信挑戰(zhàn)邁出了一步：水下和機(jī)載設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)傳輸。

今天，水下傳感器不能與陸地上的傳感器共享數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼈兌际褂脙H在各自介質(zhì)中工作的不同無線信號(hào)。通過空氣傳播的無線電信號(hào)在水中非常快速地死亡。由水下裝置發(fā)出的聲信號(hào)或聲納大部分反射在表面上而不會(huì)突破。這導(dǎo)致各種應(yīng)用的低效率和其他問題，例如海洋勘探和潛艇到平面通信。

在本周SIGCOMM會(huì)議上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了一種以新穎的方式解決這一問題的系統(tǒng)。水下發(fā)射器將聲納信號(hào)引導(dǎo)到水面，產(chǎn)生與傳輸?shù)?和0相對應(yīng)的微小振動(dòng)。在表面上方，高靈敏度接收器讀取這些微小干擾并解碼聲納信號(hào)。

“試圖通過無線信號(hào)跨越空氣 - 水邊界一直是一個(gè)障礙。我們的想法是將障礙本身轉(zhuǎn)化為一種通信媒介，”媒體實(shí)驗(yàn)室的助理教授法德爾·阿迪布說。研究。他與他的研究生Francesco Tonolini合著了這篇論文。

Adib說，該系統(tǒng)稱為“平移聲學(xué) - 射頻通信”(TARF)，仍處于早期階段。但它代表了一個(gè)“里程碑”，他說，這可以開啟水上航空通信的新能力。例如，使用該系統(tǒng)，軍用潛艇不需要浮出水面與飛機(jī)通信，從而影響其位置。監(jiān)測海洋生物的水下無人機(jī)不需要經(jīng)常從深潛中重新出現(xiàn)，以便向研究人員發(fā)送數(shù)據(jù)。

另一個(gè)有希望的應(yīng)用是幫助搜索在水下失蹤的飛機(jī)。“聲學(xué)傳輸信標(biāo)可以在飛機(jī)的黑匣子中實(shí)現(xiàn)，”阿迪布說。“如果它偶爾發(fā)送一個(gè)信號(hào)，你就可以使用系統(tǒng)來接收信號(hào)。”

解碼振動(dòng)

今天，這種無線通信問題的技術(shù)解決方案存在各種缺點(diǎn)。浮標(biāo)，例如，已被設(shè)計(jì)成拾取聲納波，處理該數(shù)據(jù)，并拍攝的無線電信號(hào)到機(jī)載接收機(jī)。但是這些可能會(huì)逐漸消失并迷失方向。許多人還需要覆蓋大面積區(qū)域，這使得它們對于潛艇到地面通信來說是不切實(shí)際的。

TARF包括一個(gè)水聲發(fā)射器，使用標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)揚(yáng)聲器發(fā)送聲納信號(hào)。信號(hào)作為對應(yīng)于不同數(shù)據(jù)位的不同頻率的壓力波傳播。例如，當(dāng)發(fā)射機(jī)想要發(fā)送0時(shí)，它可以發(fā)射以100赫茲行進(jìn)的波; 對于1，它可以傳輸200赫茲的波。當(dāng)信號(hào)撞擊表面時(shí)，它會(huì)在水中產(chǎn)生微小的波紋，高度只有幾微米，與這些頻率相對應(yīng)。

為了實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，系統(tǒng)基于無線通信中使用的調(diào)制方案(稱為正交頻分復(fù)用)同時(shí)發(fā)送多個(gè)頻率。這讓研究人員可以同時(shí)傳輸數(shù)百個(gè)比特。

位于發(fā)射機(jī)上方的空氣中是一種新型超高頻雷達(dá)，可處理30至300千兆赫的無線傳輸毫米波譜中的信號(hào)。(這就是即將推出的高頻5G無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的頻段。)

雷達(dá)看起來像一對錐體，它發(fā)出一個(gè)無線電信號(hào)，從振動(dòng)表面反射回來并反彈回雷達(dá)。由于信號(hào)與表面振動(dòng)碰撞的方式，信號(hào)以稍微調(diào)制的角度返回，該角度與聲納信號(hào)發(fā)送的數(shù)據(jù)位完全對應(yīng)。例如，表示0位的水面上的振動(dòng)將使反射信號(hào)的角度以100赫茲振動(dòng)。

“只要在水面上有任何形式的位移，雷達(dá)的反射就會(huì)有所變化，”阿迪布說。“通過拾取這些微小的角度變化，我們可以獲得與聲納信號(hào)相對應(yīng)的這些變化。”

聽“耳語”

一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是幫助雷達(dá)探測水面。為此，研究人員采用了一種技術(shù)來檢測環(huán)境中的反射，并通過距離和功率來組織它們。由于水在新系統(tǒng)的環(huán)境中具有最強(qiáng)大的反射，雷達(dá)知道到地面的距離。一旦確定，它會(huì)放大該距離的振動(dòng)，忽略所有其他附近的干擾。

接下來的主要挑戰(zhàn)是捕獲被更大的自然波包圍的微米波。平靜日子里最小的海洋漣漪，稱為毛細(xì)管波，只有2厘米高，但比振動(dòng)大10萬倍。較粗糙的海域可以產(chǎn)生100萬倍的海浪。“這會(huì)干擾水面微小的聲學(xué)振動(dòng)，”Adib說。“好像有人在尖叫，而你正在試圖聽到有人在同一時(shí)間竊竊私語。”

為了解決這個(gè)問題，研究人員開發(fā)了復(fù)雜的信號(hào)處理算法。自然波發(fā)生在大約1或2赫茲 - 或者每秒在信號(hào)區(qū)域上移動(dòng)一兩波。然而，100到200赫茲的聲納振動(dòng)要快一百倍。由于這種頻率差異，算法將快速移動(dòng)的波浪歸零，而忽略較慢的波浪。

測試水域

研究人員將TARF在水箱和麻省理工學(xué)院校園內(nèi)兩個(gè)不同的游泳池中進(jìn)行了500次試運(yùn)行。

在坦克中，雷達(dá)放置在距離地面20厘米至40厘米的范圍內(nèi)，聲納發(fā)射器放置在距離地面5厘米至70厘米的范圍內(nèi)。在水池中，雷達(dá)位于地面以上約30厘米處，而發(fā)射器位于下方約3.5米處。在這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員還讓游泳者創(chuàng)造了大約16厘米的波浪。

在這兩種設(shè)置中，TARF能夠準(zhǔn)確地解碼各種數(shù)據(jù) - 例如句子“Hello!from underwater” - 每秒數(shù)百比特，類似于水下通信的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)速率。“即使有游泳者游泳并引起干擾和水流，我們也能夠快速準(zhǔn)確地解碼這些信號(hào)，”Adib說。

然而，在高于16厘米的波浪中，系統(tǒng)無法解碼信號(hào)。接下來的步驟是改進(jìn)系統(tǒng)以在更粗糙的水域中工作。“它可以處理平靜的日子，并處理某些水的干擾。但是[為了實(shí)用]，我們需要在所有日子和所有天氣中工作，”阿迪布說。

研究人員還希望自己的系統(tǒng)可以最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)空中無人駕駛飛機(jī)或飛機(jī)跨水的飛行面不斷回暖和解碼聲納信號(hào)，因?yàn)樗ㄟ^放大。