×

Устройство представляет собой набор пьезоэлектрических преобразователей, обеспечивающих подводную связь без батареек. Источник.

Исследователи Массачусетского технологического института (MIT) создали новую систему подводной сети и передачи сигнала на километровые расстояния. Вроде бы ничего необычного ‒ сонары придуманы давно, ‒ но в изобретении действительно есть чем восхититься. Да и сонар используется совсем для других задач. 

Прежде всего это сверхмалые мощности: технологии требуется всего миллионная часть от энергозатрат существующих методов подводной связи. Начав разработки несколько лет назад, сегодня учёные представляют систему, имеющую в списке преимуществ также и автономное функционирование без батарей и элементов питания. Благодаря этим и другим характеристикам, у системы большой потенциал практического применения для исследований водной среды, прогнозирования ураганов и моделирования климатических изменений.

«То, что несколько лет назад начиналось как очень интересная интеллектуальная идея ‒ подводная связь с мощностью в миллион раз меньшей ‒ теперь практично и реалистично. Нам ещё предстоит решить несколько интересных технических задач, но есть чёткий путь от того места, где мы сейчас находимся к применению», ‒ говорит Фадель Адиб, доцент кафедры электротехники и информатики и директор группы Signal Kinetics в Медиалаборатории MIT.

Подводная связь с низким энергопотреблением осуществляется за счёт так называемого обратного рассеяния, обеспечиваемого за счёт кодирования данных в звуковых волнах, которые отражаются или рассеиваются обратно к приёмнику. Эти инновации позволяют более точно направлять отражённые сигналы на их источник. Благодаря такой «обратной направленности» меньше сигнала рассеивается в неправильных направлениях, что обеспечивает более эффективную связь на большие расстояния.

При «полевых» испытаниях в реке и океане такое ретронаправленное устройство продемонстрировало дальность связи, превышающую предыдущие методы более, чем в 15 раз. И, для пущей точности, нужно добавить, что эксперименты были ограничены длиной доков, доступных исследователям. Поэтому, чтобы лучше понять пределы подводного обратного рассеяния, команда разработала аналитическую модель для прогнозирования максимальной дальности действия этой технологии. Модель, которую они проверили с использованием экспериментальных данных, показала, что их отражающая система может общаться на расстояниях километровых масштабов.

Как это работает.

Как известно, чем плотнее однородное вещество, тем быстрее в нём распространяется волна. Поэтому морские обитатели могут слышать друг друга, даже будучи на значительном удалении. Это соображение подвигло учёных использовать в подводных устройствах связи обратного рассеяния массив специализированных узлов для приёма и отражения звуковых волн. По задумке, материалы, из которых изготовлены эти узлы должны обладать пьезоэлектрическими свойствами ‒ то есть должны производить электрический сигнал, когда к ним прикладывается механическая сила.

Прикинув теоретически, команда решила, что вибрация узла (от возбуждения его звуковыми волнами) позволит ему преобразовать механическую энергию в заряд, которым затем сам же узел рассеет часть принимаемой акустической энергии обратно к её источнику. Таким образом, передача отражённых данных позволит приёмнику декодировать их на основе последовательности отражений.

Однако в этом алгоритме есть одно весьма неудобное место, заключающееся в законах физики: звук распространяется во всех направлениях. Это означает, что лишь небольшая часть сигнала достигнет источника, чем существенно снижается КПД сигнала, его мощность, и вообще ограничивается дальность связи.

Но речь-то всё-таки о волнах, а любую волну можно усилить хотя бы за счёт интерференции. Поэтому, чтобы решить возникшую проблему, учёные использовали массив Ван Атта ‒ радиоустройство 70-летней давности, в котором соединения симметричных пар антенн отражает пришедшую энергию в обратном направлении. Но столь элегантное решение вызвало другие трудности: соединение пьезоэлектрических узлов в рамках массива Ван Атта снижает эффективность устройства. 

Тогда было решено поместить между парами подключённых узлов трансформатор, который, передавая 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 создаёте массив, который позволяет вам достичь гораздо большей дальности связи», ‒ объясняет Алин Эйд, доцент MIT и соавтор статьи об исследовании, которая на следующей неделе будет представлена на ACM SIGCOMM ‒ ведущей ежегодной конференции по передаче данных.

Кроме столь остроумного обхода, учёные применили ещё одну «военную хитрость»: они использовали технику, называемую переключением кросс-полярности. С её помощью удалось кодировать двоичные данные в отражённом сигнале. Это выглядит довольно просто: у каждого узла есть положительная и отрицательная клеммы (например, как у автомобильного или любого другого аккумулятора). Когда положительные и отрицательные клеммы двух узловсоединены однополярно, отражённый сигнал является битом со значением «единица». Но если исследователи поменяют полярность, соединив минусовый и плюсовой контакты друг с другом, отражение станет битом «ноль».

«Просто соединить пьезоэлектрические узлы вместе недостаточно. Меняя полярность между двумя узлами, мы можем передавать данные обратно на удалённый приёмник», ‒ объясняет другой соавтор статьи, научный сотрудник MIT Джек Радемахер.

При построении массива было обнаружено, что слишком близкое соседство узлов чревато блокировкой ими сигналов друг друга. Тогда пришлось разработать новую конструкцию со смещёнными узлами, и уже благодаря ей получилось дать сигналам возможность достигать массива с любого направления. Помимо этого, к плюсам данного решения можно положить и масштабируемость всей конструкции: чем больше узлов имеет массив, тем больше дальность его связи.

Установку протестировали в более чем 1500 экспериментов. Испытания проводились в штате Массачусетс (США) на реке Чарльз в Кембридже и в Атлантическом океане близ города Фолмут, в сотрудничестве с Океанографическим институтом Вудс-Хоул. Устройство достигло дальности связи в 300 метров. Это более чем в 15 раз превысило предыдущие достижения, но учёный люд – сущие дети: им этого показалось мало, потому что на причале закончилось место, а значит, эксперимент не закончен.

Моделирование максимума

Это побудило исследователей на создание аналитической модели для определения теоретических и практических ограничений связи новой технологии. Опираясь на работу своей группы над радиочастотной идентификацией (RFID), команда создала модель, отражающую влияние параметров системы (вроде размера пьезо-узлов и входной мощности 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? ‒ рассказывает другой участник исследования, научный сотрудник MITВалид Акбар. ‒ «Так, потребовалось вывести функцию, которая бы фиксировала количество сигнала, отражённого от подводного пьезоэлектрического узла определённого размера, что было одной из самых больших проблем при разработке модели».

Команда использовала эти идеи для создания модели, в которую пользователь мог бы вводить такую информацию, как входная мощность и размеры пьезоэлектрического узла, и получать выходные данные, показывающие ожидаемый диапазон работы системы. Модель прошла проверку на ранее полученных экспериментальных данных, и оказалось, что она может точно предсказывать диапазон ретронаправленных акустических сигналов со средней ошибкой менее одного децибела.

Это даёт нам право предполагать, что показанная расчётной моделью потенциально километровая дальность связи может быть вполне достижима в реальных условиях.

«Мы создаём новую океанскую технологию и продвигаем её в сферу того, что мы делаем для сотовых сетей 6G. Для нас это очень полезно, потому что теперь мы начинаем видеть это очень близко к реальности», ‒ говорит 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.

«Ограниченный радиус действия является открытой проблемой подводных сетей обратного рассеяния, что не позволяет использовать их в реальных приложениях. Эта статья делает значительный шаг вперёд в будущее подводной связи, позволяя им работать с минимальной энергией и при этом достигать большого радиуса действия, ‒ говорит Омид Абари, доцент кафедры информатики Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, который не участвовал в проекте. ‒ Этот документ является первым, в котором метод рефлекторной решётки Ван Атта применяется в условиях подводного обратного рассеяния и демонстрируется его преимущества в увеличении дальности связи на порядки. Это может сделать подводную автономную связь на шаг ближе к реальности, позволяя использовать такие приложения, как подводный мониторинг изменения климата и мониторинг побережья».

 


АРМК, по материалам MIT