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)，因為它們都使用僅在各自介質(zhì)中工作的不同無線信號。通過空氣傳播的無線電信號在水中非?？焖俚厮劳?。由水下裝置發(fā)出的聲信號或聲納大部分反射在表面上而不會突破。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會議上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究人員設(shè)計了一種以新穎的方式解決這一問題的系統(tǒng)。水下發(fā)射器將聲納信號引導(dǎo)到水面，產(chǎn)生與傳輸?shù)?和0相對應(yīng)的微小振動。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。

“試圖通過無線信號跨越空氣 - 水邊界一直是一個障礙。我們的想法是將障礙本身轉(zhuǎn)化為一種通信媒介，”媒體實驗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“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通信，從而影響其位置。監(jiān)測海洋生物的水下無人機不需要經(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)。

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

解碼振動

今天，這種無線通信問題的技術(shù)解決方案存在各種缺點。浮標(biāo)，例如，已被設(shè)計成拾取聲納波，處理該數(shù)據(jù)，并拍攝的無線電信號到機載接收機。但是這些可能會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際的。

TARF包括一個水聲發(fā)射器，使用標(biāo)準(zhǔn)聲學(xué)揚聲器發(fā)送聲納信號。信號作為對應(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)射機想要發(fā)送0時，它可以發(fā)射以100赫茲行進的波; 對于1，它可以傳輸200赫茲的波。當(dāng)信號撞擊表面時，它會在水中產(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)同時發(fā)送多個頻率。這讓研究人員可以同時傳輸數(shù)百個比特。

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

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

“只要在水面上有任何形式的位移，雷達的反射就會有所變化，”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相對應(yīng)的這些變化。”

聽“耳語”

一項關(guān)鍵挑戰(zhàn)是幫助雷達探測水面。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)境中具有最強大的反射，雷達知道到地面的距離。一旦確定，它會放大該距離的振動，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，稱為毛細管波，只有2厘米高，但比振動大10萬倍。較粗糙的海域可以產(chǎn)生100萬倍的海浪。“這會干擾水面微小的聲學(xué)振動，”Adib說。“好像有人在尖叫，而你正在試圖聽到有人在同一時間竊竊私語。”

為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了復(fù)雜的信號處理算法。自然波發(fā)生在大約1或2赫茲 - 或者每秒在信號區(qū)域上移動一兩波。然而，100到200赫茲的聲納振動要快一百倍。由于這種頻率差異，算法將快速移動的波浪歸零，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)兩個不同的游泳池中進行了500次試運行。

在坦克中，雷達放置在距離地面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。在這些實驗中，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，”Adib說。

然而，在高于16厘米的波浪中，系統(tǒng)無法解碼信號。接下來的步驟是改進系統(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)可以最終實現(xiàn)一個空中無人駕駛飛機或飛機跨水的飛行面不斷回暖和解碼聲納信號，因為它通過放大。