Undervannskommunikasjon over store avstander med lav effekt

MIT-forskere har demonstrert det første systemet for ultra-lav-effekt undervannsnettverk og kommunikasjon, som kan overføre signaler over avstander i kilometerskala.

Denne teknikken, som forskerne begynte å utvikle for flere år siden, bruker omtrent en milliondel av kraften som eksisterende kommunikasjonsmetoder under vann bruker. Ved å utvide det batterifrie systemets kommunikasjonsrekkevidde, har forskerne gjort teknologien mer gjennomførbar for applikasjoner som akvakultur, kyst-orkanprediksjon og modellering av klimaendringer.

– Det som startet som en veldig spennende intellektuell idé for noen år siden – undervannskommunikasjon med en million ganger lavere effekt – er nå realistisk. Det er fortsatt noen interessante tekniske utfordringer å ta tak i, men det er en klar vei fra der vi er nå til utplassering, sier Fadel Adib, førsteamanuensis ved Institutt for elektroteknikk og informatikk og direktør for signalkinetikk-gruppen i MIT Media Lab.

Bruker tilbakespredning

Undervanns-tilbakespredning (backscatter) muliggjør kommunikasjon med lav effekt ved å kode data i lydbølger som den reflekterer, eller sprer, tilbake mot en mottaker. Disse innovasjonene gjør at reflekterte signaler kan rettes mer presist mot kilden.

På grunn av denne «retrodirektiviteten» spres mindre signal i feil retninger, noe som muliggjør mer effektiv kommunikasjon med lengre rekkevidde.

Når den ble testet i en elv og et hav, viste den retrodirektive enheten en kommunikasjonsrekkevidde som var mer enn 15 ganger lengre enn tidligere enheter. Eksperimentene var imidlertid begrenset av lengden på dokkene som var tilgjengelig for forskerne.

For bedre å forstå grensene for tilbakespredning under vann, utviklet teamet også en analytisk modell for å forutsi teknologiens maksimale rekkevidde. Modellen, som de validerte ved hjelp av eksperimentelle data, viste at deres retrodirektive system kunne kommunisere over flere kilometer.

Forskerne delte disse funnene i to artikler som ble presentert på årets ACM SIGCOMM- og MobiCom-konferanser. Adib, seniorforfatter på begge artiklene er samlet i SIGCOMM-artikkelen (pdf) av medforfatterne Aline Eid, en tidligere postdoktor som nå er assisterende professor ved University of Michigan, og Jack Rademacher, en forskningsassistent; samt forskningsassistentene Waleed Akbar og Purui Wang, og postdoc Ahmed Allam. MobiCom-oppgaven er også skrevet av hovedforfatterne Akbar og Allam.

Kommuniserer med lydbølger

Undervanns tilbakesprednings-kommunikasjonsenheter bruker en rekke noder laget av piezoelektriske materialer for å motta og reflektere lydbølger. Disse materialene produserer et elektrisk signal når mekanisk kraft påføres dem.

Når lydbølger treffer nodene, vibrerer de og konverterer den mekaniske energien til en elektrisk ladning. Nodene bruker den ladningen til å spre noe av den akustiske energien tilbake til kilden, og overfører data som en mottaker dekoder basert på sekvensen av refleksjoner.

Men fordi det tilbakespredte signalet beveger seg i alle retninger, når bare en liten brøkdel kilden, noe som reduserer signalstyrken og begrenser kommunikasjonsrekkevidden.

For å overvinne denne utfordringen, utnyttet forskerne en 70 år gammel radioenhet kalt Van Atta-array, der symmetriske par med antenner er koblet sammen på en slik måte at arrayet reflekterer energi tilbake i retningen den kom fra.

Men å koble piezoelektriske noder for å lage en Van Atta-array reduserer samtidig effektiviteten. Forskerne unngikk dette problemet ved å plassere en transformator mellom par med koblede noder. Transformatoren, som overfører elektrisk energi fra en krets til en annen, lar nodene reflektere den maksimale energimengden tilbake til kilden.

– Begge noder mottar og begge noder reflekterer, så det er et veldig interessant system. Når du øker antallet elementer i det systemet, bygger du en array som lar deg oppnå mye lengre kommunikasjonsrekkevidder, forklarer Eid.

Krysspolaritetssvitsjing

I tillegg brukte de en teknikk kalt krysspolaritetssvitsjing for å kode binære data i det reflekterte signalet. Hver node har en positiv og en negativ terminal (som et bilbatteri), så når de positive terminalene til to noder er koblet til og de negative terminalene til to noder er koblet sammen, er det reflekterte signalet en «bit én».

Men hvis forskerne bytter polaritet, og de negative og positive terminalene er koblet til hverandre i stedet, så er refleksjonen litt «null».

– Bare å koble de piezoelektriske nodene sammen er ikke nok. Ved å veksle polaritetene mellom de to nodene, er vi i stand til å overføre data tilbake til den eksterne mottakeren, forklarer Rademacher.

Da forskerne bygget Van Atta-arrayet, fant de ut at hvis de tilkoblede nodene var for nærme, ville de blokkere hverandres signaler. De utviklet et nytt design med forskjøvede noder som gjør det mulig for signaler å nå arrayet fra alle retninger. Med denne skalerbare designen, jo flere noder en matrise har, desto større er kommunikasjonsrekkevidden.

De testet matrisen i mer enn 1500 eksperimentelle forsøk i Charles River i Cambridge, Massachusetts, og i Atlanterhavet, utenfor kysten av Falmouth, Massachusetts, i samarbeid med Woods Hole Oceanographic Institution. Enheten oppnådde kommunikasjonsrekkevidder på 300 meter, mer enn 15 ganger lengre enn det de tidligere hadde demonstrert.

De måtte imidlertid avbryte eksperimentene fordi de gikk tom for plass på kaien.

Modellering av maksimum

Det inspirerte forskerne til å bygge en analytisk modell for å bestemme de teoretiske og praktiske kommunikasjonsgrensene for denne nye undervanns-tilbakespredningsteknologien.

Med utgangspunkt i gruppens arbeid med RFID, laget teamet en nøyaktig modell som fanget innvirkningen av systemparametere, som størrelsen på de piezoelektriske nodene og inngangseffekten til signalet, på enhetens undervannsoperasjonsområde.

– Det er ikke en tradisjonell kommunikasjonsteknologi, så du må forstå hvordan du kan kvantifisere refleksjonen. Hva er rollene til de forskjellige komponentene i den prosessen? sier Akbar.

– For eksempel trengte forskerne å utlede en funksjon som fanger opp mengden signal som reflekteres fra en undervanns piezoelektrisk node med en spesifikk størrelse, som var blant de største utfordringene med å utvikle modellen, legger han til.

De brukte denne innsikten til å lage en plug-and-play-modell der en bruker kunne legge inn informasjon som inngangseffekt og piezoelektriske nodedimensjoner og motta en utgang som viser systemets forventede rekkevidde.

De evaluerte modellen på data fra deres eksperimentelle forsøk og fant ut at den nøyaktig kunne forutsi rekkevidden av retrodirigerte akustiske signaler med en gjennomsnittlig feil på mindre enn én desibel.

Ved å bruke denne modellen viste de at en undervanns-tilbakespredningsmatrise potensielt kan oppnå kilometerlange kommunikasjonsrekkevidder.

– Vi lager en ny havteknologi og driver den inn i et område vi har gjort for 6G-mobilnettverk. For oss er det veldig givende fordi vi begynner å se at dette er veldig nær virkeligheten nå, sier Adib.

Forskerne planlegger å fortsette å studere undervanns-tilbakespredning med Van Atta-arrayer, kanskje ved å bruke båter slik at de kan evaluere lengre kommunikasjonsrekkevidder. Underveis har de tenkt å gi ut verktøy og datasett slik at andre forskere kan bygge videre på arbeidet deres. Samtidig begynner de å bevege seg mot kommersialisering av denne teknologien.

MITs pressemelding: news.mit.edu/2023/devices-offers-battery-free-underwater-communication-0906