MIT-forskare har tagit ett steg mot att lösa en långvarig utmaning med trådlös kommunikation:direkt dataöverföring mellan undervattens- och luftburna enheter.

I dag, undervattenssensorer kan inte dela data med dem på land, eftersom båda använder olika trådlösa signaler som bara fungerar i sina respektive medium. Radiosignaler som färdas genom luft dör mycket snabbt i vatten. Akustiska signaler, eller ekolod, som skickas av undervattensanordningar reflekteras mestadels från ytan utan att någonsin bryta igenom. Detta orsakar ineffektivitet och andra problem för en mängd olika applikationer, som havsutforskning och kommunikation mellan ubåt och plan.

I ett dokument som presenterades på veckans SIGCOMM-konferens, MIT Media Lab-forskare har designat ett system som tar itu med detta problem på ett nytt sätt. En undervattenssändare riktar en ekolodssignal till vattenytan, orsakar små vibrationer som motsvarar 1:orna och 0:orna som överförs. Ovanför ytan, en mycket känslig mottagare läser dessa minimala störningar och avkodar ekolodssignalen.

"Att försöka korsa gränsen mellan luft och vatten med trådlösa signaler har varit ett hinder. Vår idé är att förvandla själva hindret till ett medium genom vilket man kan kommunicera, " säger Fadel Adib, en biträdande professor i Media Lab, som leder denna forskning. Han skrev tidningen tillsammans med sin doktorand Francesco Tonolini.

Systemet, kallad "translationell akustisk-RF-kommunikation" (TARF), är fortfarande i ett tidigt skede, säger Adib. Men det representerar en "milstolpe, " han säger, som skulle kunna öppna nya möjligheter inom vatten-luft-kommunikation. Använda systemet, militära ubåtar, till exempel, skulle inte behöva gå upp till ytan för att kommunicera med flygplan, äventyrar deras plats. Och undervattensdrönare som övervakar marint liv skulle inte behöva ständigt dyka upp igen från djupdykning för att skicka data till forskare.

En annan lovande applikation är att hjälpa till med sökningar efter flygplan som försvinner under vattnet. "Akustiska sändande beacons kan implementeras i, säga, ett flygplans svarta låda, " säger Adib. "Om den sänder en signal då och då, du skulle kunna använda systemet för att fånga upp den signalen."

Avkodning av vibrationer

Dagens tekniska lösningar på problemet med trådlös kommunikation lider av olika nackdelar. Bojar, till exempel, har designats för att fånga upp ekolodsvågor, behandla uppgifterna, och skjuta radiosignaler till luftburna mottagare. Men dessa kan glida iväg och gå vilse. Många måste också täcka stora ytor, gör dem omöjliga för, säga, ubåt-till-yta-kommunikation.

TARF inkluderar en akustisk undervattenssändare som sänder ekolodssignaler med en vanlig akustisk högtalare. Signalerna färdas som tryckvågor med olika frekvenser motsvarande olika databitar. Till exempel, när sändaren vill skicka en 0, den kan sända en våg som rör sig vid 100 hertz; för en 1, den kan sända en 200-hertz-våg. När signalen träffar ytan, det orsakar små krusningar i vattnet, bara några mikrometer i höjd, motsvarande dessa frekvenser.

För att uppnå höga datahastigheter, systemet sänder flera frekvenser samtidigt, bygger på ett moduleringsschema som används i trådlös kommunikation, kallas ortogonal frekvensdelningsmultiplexering. Detta låter forskarna sända hundratals bitar samtidigt.

I luften ovanför sändaren finns en ny typ av extremt högfrekvent radar som behandlar signaler i millimetervågspektrumet för trådlös överföring, mellan 30 och 300 gigahertz. (Det är bandet där det kommande högfrekventa 5G trådlösa nätverket kommer att fungera.)

Radarn, som ser ut som ett par kottar, sänder en radiosignal som reflekteras från den vibrerande ytan och studsar tillbaka till radarn. På grund av hur signalen kolliderar med ytvibrationerna, signalen återkommer med en något modulerad vinkel som exakt motsvarar den databit som skickas av ekolodssignalen. En vibration på vattenytan som representerar en 0-bit, till exempel, kommer att få den reflekterade signalens vinkel att vibrera vid 100 hertz.

"Radarreflektionen kommer att variera lite när du har någon form av förskjutning som på vattenytan, " säger Adib. "Genom att fånga upp dessa små vinkelförändringar, vi kan fånga upp dessa variationer som motsvarar ekolodssignalen."

Lyssnar på "viskningen"

En viktig utmaning var att hjälpa radarn att upptäcka vattenytan. Att göra så, forskarna använde en teknik som upptäcker reflektioner i en miljö och organiserar dem efter avstånd och makt. Eftersom vatten har den mest kraftfulla reflektionen i det nya systemets miljö, radarn vet avståndet till ytan. När det väl är fastställt, den zoomar in på vibrationerna på det avståndet, ignorera alla andra störningar i närheten.

Nästa stora utmaning var att fånga mikrometervågor omgivna av mycket större, naturliga vågor. Det minsta havet krusar under lugna dagar, kallas kapillärvågor, är bara cirka 2 centimeter långa, men det är 100, 000 gånger större än vibrationerna. Hårdare hav kan skapa vågor som är 1 miljon gånger större. "Detta stör de små akustiska vibrationerna vid vattenytan, " säger Adib. "Det är som om någon skriker och du försöker höra någon viska samtidigt."

För att lösa detta, forskarna utvecklade sofistikerade signalbehandlingsalgoritmer. Naturliga vågor uppstår vid cirka 1 eller 2 hertz—eller, en våg eller två som rör sig över signalområdet varje sekund. Ekolodsvibrationerna på 100 till 200 hertz, dock, är hundra gånger snabbare. På grund av denna frekvensskillnad, Algoritmen nollställer de snabbrörliga vågorna medan de ignorerar de långsammare.

Testar vattnet

Forskarna tog TARF genom 500 testkörningar i en vattentank och i två olika simbassänger på MIT:s campus.

I tanken, radarn placerades på intervall från 20 centimeter till 40 centimeter över ytan, och ekolodssändaren placerades från 5 centimeter till 70 centimeter under ytan. I bassängerna, radarn var placerad cirka 30 centimeter över ytan, medan sändaren var nedsänkt cirka 3,5 meter under. I dessa experiment, forskarna hade också simmare som skapade vågor som steg till cirka 16 centimeter.

I båda inställningarna, TARF kunde noggrant avkoda olika data – som meningen, "Hej! från under vattnet" - med hundratals bitar per sekund, liknande standarddatahastigheter för undervattenskommunikation. "Även när det var simmare som simmade runt och orsakade störningar och vattenströmmar, vi kunde avkoda dessa signaler snabbt och exakt, säger Adib.

I vågor högre än 16 centimeter, dock, systemet kan inte avkoda signaler. Nästa steg är, bland annat, förfina systemet för att fungera i tuffare vatten. "Den kan hantera lugna dagar och hantera vissa vattenstörningar. Men [för att göra det praktiskt] behöver vi att det här fungerar på alla dagar och alla väder, säger Adib.

Forskarna hoppas också att deras system så småningom kan göra det möjligt för en luftburen drönare eller ett flygplan som flyger över en vattenyta att ständigt plocka upp och avkoda ekolodssignalerna när den zoomar förbi.