Các nhà nghiên cứu của MIT đã trình diễn hệ thống liên lạc và mạng dưới nước tiêu thụ năng lượng cực thấp đầu tiên có thể truyền tín hiệu trong phạm vi km. Công nghệ mà các nhà nghiên cứu bắt đầu phát triển cách đây vài năm, sử dụng năng lượng ít hơn khoảng một triệu lần so với các phương pháp liên lạc dưới nước hiện có. Bằng cách mở rộng phạm vi liên lạc của các hệ thống không dùng pin, các nhà nghiên cứu đang làm cho công nghệ này trở nên khả thi hơn cho các ứng dụng như nuôi trồng thủy sản, dự báo bão ven biển và lập mô hình biến đổi khí hậu.

" Vài năm trước, liên lạc dưới nước với năng lượng tiêu thụ ít hơn một triệu lần là một ý tưởng rất thú vị nhưng giờ đây nó đã trở thành hiện thực. Kỹ thuật Điện & Khoa học Máy tính "Mặc dù vẫn còn một số thách thức kỹ thuật thú vị cần giải quyết, nhưng vẫn có một con đường rõ ràng từ nơi chúng ta đang đứng đến việc triển khai," Fadel Adib, phó giáo sư tại khoa và giám đốc của MIT Media, cho biết

Thiết bị này là một mảng cảm biến áp điện cho phép liên lạc dưới nước không dùng pin.

Vì "định hướng ngược" này nên tín hiệu bị phân tán sai hướng ít hơn, cho phép liên lạc ở phạm vi xa hơn, hiệu quả hơn. Khi thử nghiệm ở sông và đại dương, thiết bị định hướng ngược này giao tiếp ở phạm vi lớn hơn 15 lần so với phạm vi của các thiết bị trước đó.

Để hiểu rõ hơn các giới hạn của tán xạ ngược dưới nước, nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một mô hình phân tích để dự đoán phạm vi tối đa của công nghệ. Họ đã xác nhận mô hình này bằng cách sử dụng dữ liệu thực nghiệm, cho thấy rằng hệ thống định hướng ngược của họ có thể giao tiếp trong phạm vi một km.

Các nhà nghiên cứu đã chia sẻ những phát hiện này trong hai bài báo sẽ được trình bày tại ACMSIGCOMM năm nay. Adib là tác giả chính của hai bài báo này. Ông là đồng tác giả của bài báo SIGCOMM với cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Aline Eid, hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Michigan, và trợ lý nghiên cứu Jack Rademacher, cũng như các trợ lý nghiên cứu Waleed Akbar, Purui Wang và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Ahmed Allam. Các đồng tác giả đầu tiên của bài báo MobiCom cũng là Akbar và Allam.

Ba thành viên trong nhóm đã tiến hành thí nghiệm tại Viện nghiên cứu Woods Hole Nguồn ảnh: Được cung cấp bởi các nhà nghiên cứu

Giao tiếp bằng sóng âm thanh.

Các thiết bị liên lạc tán xạ ngược dưới nước sử dụng dãy nút được làm bằng vật liệu "áp điện" để nhận và phản xạ sóng âm. Những vật liệu này tạo ra tín hiệu điện khi bị tác động bởi lực cơ học

Khi sóng âm chạm vào các nút, chúng sẽ rung và chuyển năng lượng cơ học thành điện tích.

Để khắc phục vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã tận dụng một thiết bị vô tuyến 70 năm tuổi có tên là mảng Van Atta, trong đó một cặp ăng-ten đối xứng được kết nối theo cách như vậy. theo cách mà mảng phản xạ năng lượng trở lại theo hướng của nguồn tín hiệu

.Tuy nhiên, việc kết nối các nút áp điện để tạo thành mảng Van Atta sẽ làm giảm hiệu quả của nó. Các nhà nghiên cứu đã tránh được vấn đề này bằng cách đặt một máy biến áp giữa các cặp nút được kết nối. Máy biến áp truyền năng lượng điện từ mạch này sang mạch khác, cho phép các nút phản xạ năng lượng tối đa trở lại nguồn.

"Cả hai nút đều đang nhận và cả hai nút đều đang phản hồi, vì vậy đây là một hệ thống rất thú vị." Ed giải thích: "Khi số lượng phần tử trong hệ thống này tăng lên, bạn có thể xây dựng một mảng và đạt được khoảng cách liên lạc dài hơn".

Ngoài ra, họ còn sử dụng một kỹ thuật gọi là chuyển đổi phân cực chéo, mã hóa dữ liệu nhị phân trong tín hiệu phản xạ. Mỗi nút có một cực dương và cực âm (như ắc quy ô tô), vì vậy khi cực dương của hai nút được kết nối và cực âm của hai nút được kết nối, tín hiệu phản xạ là "1 bit".

Nhưng nếu các nhà nghiên cứu đảo ngược cực tính và nối các cực âm và cực dương với nhau thì tín hiệu phản xạ sẽ là "bit 0".

"Chỉ kết nối các nút áp điện với nhau là chưa đủ. Bằng cách thay đổi cực tính của hai nút, chúng tôi có thể truyền dữ liệu trở lại bộ thu từ xa", Rademacher giải thích.

Trong khi xây dựng mảng VanAtta, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu các nút được kết nối quá gần nhau, chúng sẽ chặn tín hiệu của nhau. Họ đã nghĩ ra một thiết kế mới trong đó các nút được xen kẽ để tín hiệu có thể đến mảng từ bất kỳ hướng nào. Với thiết kế có thể mở rộng này, càng có nhiều nút trong mảng thì phạm vi liên lạc càng lớn.

Làm việc với Viện Hải dương học Woods Hole, họ đã tiến hành hơn 1.500 thử nghiệm thử nghiệm mảng này trên sông Charles ở Cambridge, Massachusetts và ở Đại Tây Dương ngoài khơi Falmouth, Massachusetts. Thiết bị này có phạm vi liên lạc 300 mét, dài hơn 15 lần so với những gì họ đã chứng minh trước đây.

Tuy nhiên, do không đủ chỗ trong đế nên họ phải rút ngắn thời gian thử nghiệm.

Tối đa mô phỏng

Điều này đã truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu xây dựng một mô hình phân tích để xác định giới hạn liên lạc lý thuyết và thực tế của công nghệ tán xạ ngược dưới nước mới này. Dựa trên nghiên cứu của nhóm về nhận dạng tần số vô tuyến (RFID), nhóm nghiên cứu đã tạo ra một mô hình để nắm bắt tác động của các tham số hệ thống, chẳng hạn như kích thước của các nút áp điện và công suất đầu vào của tín hiệu, đối với phạm vi hoạt động dưới nước của thiết bị.

"Đây không phải là công nghệ truyền thông truyền thống, vì vậy bạn cần hiểu cách định lượng phản xạ. Vai trò của các thành phần khác nhau trong quy trình này là gì?" Akbar nói. Ví dụ, các nhà nghiên cứu cần rút ra một hàm thu được lượng tín hiệu phản xạ từ nút áp điện dưới nước có kích thước cụ thể, đây là một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển mô hình.

Họ đã sử dụng những hiểu biết sâu sắc này để tạo ra mô hình plug-and-play trong đó người dùng có thể nhập thông tin như công suất đầu vào và kích thước nút áp điện và nhận được đầu ra hiển thị phạm vi dự kiến ​​của hệ thống.

Họ đã đánh giá mô hình dựa trên dữ liệu thực nghiệm và nhận thấy rằng mô hình này có thể dự đoán chính xác phạm vi tín hiệu âm thanh ngược với sai số trung bình dưới 1 dB. Sử dụng mô hình này, họ phát hiện ra rằng mảng tán xạ ngược dưới nước có khả năng đạt được khoảng cách liên lạc dài hàng km.

"Chúng tôi đang tạo ra một công nghệ đại dương mới và đưa nó vào không gian mạng di động 6G mà chúng tôi đang thực hiện." Adib cho biết: "Đây là một điều rất có ý nghĩa đối với chúng tôi vì chúng tôi hiện đã bắt đầu thấy công nghệ này rất gần với thực tế."

Các nhà nghiên cứu dự định tiếp tục nghiên cứu mảng VanAtta tán xạ ngược dưới nước, có thể sử dụng tàu thuyền để họ có thể đánh giá phạm vi liên lạc dài hơn. Đồng thời, họ cũng có kế hoạch phát hành các công cụ và bộ dữ liệu để các nhà nghiên cứu khác có thể xây dựng dựa trên chúng. Đồng thời, họ cũng đang bắt đầu tiến tới thương mại hóa công nghệ.

"Phạm vi hạn chế đã là một vấn đề mở đối với các mạng tán xạ ngược dưới nước, cản trở các ứng dụng trong thế giới thực của chúng." Omid Abari, trợ lý giáo sư khoa học máy tính tại UCLA cho biết: “Bài báo này cho phép hoạt động liên lạc dưới nước với mức năng lượng tối thiểu trong khi vẫn đạt được khả năng truyền tải đường dài”. Đây là một bước tiến quan trọng trong tương lai của thông tin liên lạc dưới nước. Bài viết này lần đầu tiên giới thiệu công nghệ mảng VanAttaReflector vào môi trường tán xạ ngược dưới nước và chứng minh những ưu điểm của công nghệ này trong việc tăng phạm vi liên lạc lên nhiều bậc độ lớn. Điều này có thể mang thông tin liên lạc dưới nước không dùng pin đến gần hơn một bước với thực tế, cho phép các ứng dụng như giám sát biến đổi khí hậu dưới nước và giám sát ven biển."