Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) изобрели первую систему сверхмаломощной подводной сети, способную передавать сигналы на километровые расстояния. Эта новая технология, разработанная исследователями в течение нескольких лет, использует всего лишь одну миллионную долю той мощности, которая используется в ныне существующих методах подводной связи. Благодаря расширению диапазона связи, эта система становится более привлекательной для таких областей, как аквакультура, прогнозирование прибрежных ураганов и моделирование изменения климата.
«То, что несколько лет назад начиналось как очень захватывающая идея — подводная связь с мощностью в миллион раз меньшей — теперь практично и реалистично. Нам еще предстоит решить несколько интересных технических задач, но есть ясный путь, по которому мы движемся к практическому развертыванию», — говорит Фадель Адиб, доцент кафедры электротехники и информатики и директор группы Signal Kinetics в Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института.
Основой этой технологии является подводное обратное рассеяние, которое обеспечивает связь с низким энергопотреблением, кодируя данные в звуковых волнах, которые отражаются или рассеиваются обратно к приемнику. Исследователи добились большей точности в направлении отраженных сигналов к их источнику, что позволяет уменьшить рассеивание сигнала в неправильных направлениях и обеспечивает более эффективную связь на большие расстояния.
При проведении испытаний в реке и океане ретронаправленное устройство продемонстрировало дальность связи более чем в 15 раз большую, чем у предыдущих устройств. Однако, из-за ограниченной доступности доков для исследователей, эксперименты были проведены только на небольших расстояниях. Чтобы более точно определить пределы подводного обратного рассеяния, команда разработала аналитическую модель, которая позволила прогнозировать максимальную дальность действия этой технологии. Проверка модели с использованием экспериментальных данных показала, что ретродирективная система способна общаться на расстояниях в километрах.
В подводных устройствах связи обратного рассеяния используется массив узлов, изготовленных из пьезоэлектрических материалов, которые способны принимать и отражать звуковые волны. Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический сигнал при механическом воздействии на них. Когда звуковые волны сталкиваются с узлами, они вызывают вибрации, преобразуя механическую энергию в электрический заряд. Узлы используют этот заряд для рассеивания части акустической энергии обратно к источнику, передавая данные, которые приемник декодирует на основе последовательности отраженных сигналов.
Но поскольку обратно рассеянный сигнал распространяется во всех направлениях, лишь небольшая его часть достигает источника, что снижает мощность сигнала и ограничивает дальность связи. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали радиоустройство 70-летней давности под названием массив Ван Атта, в котором симметричные пары антенн соединены таким образом, что массив отражает энергию обратно в том направлении, откуда она пришла.
Но соединение пьезоэлектрических узлов для создания массива Ван Атта снижает их эффективность. Исследователи избежали этой проблемы, поместив трансформатор между парами подключенных узлов. Трансформатор, передающий электрическую энергию из одной цепи в другую, позволяет узлам отражать максимальное количество энергии обратно в источник.
«Оба узла принимают, и оба узла отражают, так что это очень интересная система. Увеличивая количество элементов в этой системе, вы создаете массив, который позволяет достичь гораздо большей дальности связи», — объясняет Алин Эйд, доцент Мичиганского университета, соавтор работы.
Кроме того, они использовали технику, называемую переключением кросс-полярности, для кодирования двоичных данных в отраженном сигнале. Каждый узел имеет положительную и отрицательную клеммы, поэтому, когда соединены положительные клеммы двух узлов и соединены отрицательные клеммы двух узлов, отраженный сигнал является «битовым».
Но если исследователи поменяют полярность и вместо этого соединят отрицательную и положительную клеммы друг с другом, то отражение станет «битом ноль».
«Просто соединить пьезоэлектрические узлы недостаточно. Меняя полярность между двумя узлами, мы можем передавать данные обратно на удаленный приемник», — объясняет соавтор Джек Радемахер.
При построении массива Ван Атта исследователи обнаружили, что если соединенные узлы будут находиться слишком близко, они будут блокировать сигналы друг друга. Они разработали новую конструкцию со смещенными узлами, которая позволяет сигналам достигать массива с любого направления. Благодаря такой масштабируемой конструкции, чем больше узлов имеет массив, тем больше дальность его связи.
Учёные протестировали установку в более чем 1500 экспериментальных испытаниях на реке Чарльз в Кембридже, штат Массачусетс, и в Атлантическом океане, у побережья Фалмута, штат Массачусетс, в сотрудничестве с Океанографическим институтом Вудс-Хоул. Устройство достигло дальности связи 300 метров, что более чем в 15 раз больше, чем демонстрировалось ранее.
Однако ввиду различных ограничений на проведение экспериментов, перед исследователями встала задача построения аналитической модели для определения теоретических и практических ограничений связи этой новой технологии подводного обратного рассеяния.
Тщательно разработанная модель отражала влияние таких параметров системы, как размер пьезоэлектрических узлов и входная мощность сигнала, на дальность действия устройства под водой.
«Это не традиционная коммуникационная технология, поэтому вам нужно понять, как можно количественно оценить отражение. Какова роль различных компонентов в этом процессе?» - сказал один из соавторов Валид Акбар.
Например, исследователям нужно было вывести функцию, которая фиксировала бы количество сигнала, отраженного от подводного пьезоэлектрического узла определенного размера, что было одной из самых больших проблем при разработке модели, добавляет он.
Они использовали эти идеи для создания модели plug-and-play, в которую пользователь мог бы вводить такую информацию, как входная мощность и размеры пьезоэлектрического узла, и получать выходные данные, показывающие ожидаемый диапазон работы системы.
Они оценили модель на данных своих экспериментальных испытаний и обнаружили, что она может точно предсказывать диапазон ретронаправленных акустических сигналов со средней ошибкой менее одного децибела.
Используя эту модель, они показали, что подводная решетка обратного рассеяния потенциально может достигать километровой дальности связи.
«Мы создаем новую океанскую технологию и продвигаем ее в сферу того, что мы делали для сотовых сетей 6G. Для нас это очень полезно, потому что теперь мы начинаем видеть это очень близко к реальности», — говорит Фадель Адиб.
Исследователи планируют продолжить изучение подводных массивов обратного рассеяния Ван Атта, возможно, используя лодки, чтобы они могли оценить большую дальность связи. Попутно они намерены выпустить инструменты и наборы данных, чтобы другие исследователи могли использовать их работу. В то же время они начинают двигаться к коммерциализации этой технологии.
Эта технология открывает потенциал для ряда приложений. Например, в аквакультуре эта технология может использоваться для мониторинга и управления аквакультурными системами на больших расстояниях. Возможность прогнозирования прибрежных ураганов становится более точной благодаря более эффективной связи и передаче данных на значительные расстояния. Кроме того, моделирование изменения климата может быть улучшено с помощью этой технологии, позволяя собирать и передавать данные с большей точностью и на более широких пространственных масштабах.
Исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали значительный прогресс в развитии подводной связи, открывая новые возможности для использования этой технологии в различных областях. В будущем мы можем ожидать еще большего развития и применения сверхмаломощной подводной сети и связи на километровые расстояния.
