los investigadores del MIT han dado un paso hacia la resolución de un desafío de larga data con la comunicación inalámbrica: transmisión directa de datos entre dispositivos subacuáticos y aerotransportados.
Hoy, los sensores subacuáticos no pueden compartir datos con los que están en tierra, ya que ambos usan diferentes señales inalámbricas que solo funcionan en sus respectivos medios. Las señales de radio que viajan a través del aire mueren muy rápidamente en el agua. Las señales acústicas o sonar, enviadas por dispositivos subacuáticosse reflejan principalmente en la superficie sin tener que abrirse paso. Esto causa ineficiencias y otros problemas para una variedad de aplicaciones, como la exploración oceánica y la comunicación submarino-a-avión.
En un documento presentado en la conferencia SIGCOMM de esta semana, los investigadores del MIT Media Lab han diseñado un sistema que aborda este problema de una manera novedosa. Un transmisor submarino dirige una señal de sonda a la superficie del agua, causando pequeñas vibraciones que corresponden al 1sy 0s transmitidos. Sobre la superficie, un receptor altamente sensible lee estas perturbaciones diminutas y decodifica la señal del sonar.
"Tratar de cruzar el límite aire-agua con señales inalámbricas ha sido un obstáculo. Nuestra idea es transformar el obstáculo en un medio a través del cual comunicarse", dice Fadel Adib, profesor asistente en el Laboratorio de Medios, que esliderando esta investigación, fue coautor del artículo junto con su estudiante graduado Francesco Tonolini.
Adib dice que el sistema, llamado "comunicación traslacional acústica-RF" TARF, todavía se encuentra en sus etapas iniciales, pero representa un "hito", dice, que podría abrir nuevas capacidades en las comunicaciones agua-aire.el sistema, los submarinos militares, por ejemplo, no necesitarían emerger para comunicarse con los aviones, comprometiendo su ubicación. Y los drones submarinos que monitorean la vida marina no necesitarían resurgir constantemente de inmersiones profundas para enviar datos a los investigadores.
Otra aplicación prometedora es ayudar a las búsquedas de aviones que desaparecen bajo el agua. "Las balizas de transmisión acústica se pueden implementar en, digamos, la caja negra de un avión", dice Adib. "Si transmite una señal de vez en cuando,ser capaz de usar el sistema para captar esa señal "
vibraciones de decodificación
Las soluciones tecnológicas actuales para este problema de comunicación inalámbrica adolecen de varios inconvenientes. Las boyas, por ejemplo, han sido diseñadas para captar ondas de sonar, procesar los datos y disparar señales de radio a receptores en el aire. Pero estas pueden perderse y perderse.Muchos también están obligados a cubrir grandes áreas, haciéndolos impracticables para, por ejemplo, las comunicaciones de submarino a superficie.
TARF incluye un transmisor acústico subacuático que envía señales de sonda usando un altavoz acústico estándar. Las señales viajan como ondas de presión de diferentes frecuencias correspondientes a diferentes bits de datos. Por ejemplo, cuando el transmisor quiere enviar un 0, puede transmitir una ondaviajando a 100 hertzios; para un 1, puede transmitir una onda de 200 hertzios. Cuando la señal golpea la superficie, causa pequeñas ondas en el agua, de unos pocos micrómetros de altura, que corresponden a esas frecuencias.
Para lograr altas tasas de datos, el sistema transmite múltiples frecuencias al mismo tiempo, basándose en un esquema de modulación utilizado en la comunicación inalámbrica, llamado multiplexación por división de frecuencia ortogonal. Esto permite a los investigadores transmitir cientos de bits a la vez.
Posicionado en el aire sobre el transmisor hay un nuevo tipo de radar de frecuencia extremadamente alta que procesa señales en el espectro de ondas milimétricas de transmisión inalámbrica, entre 30 y 300 gigahercios. Esa es la banda donde el próximo 5G de alta frecuencia inalámbricola red funcionará.
El radar, que se parece a un par de conos, transmite una señal de radio que se refleja en la superficie vibratoria y rebota nuevamente al radar. Debido a la forma en que la señal colisiona con las vibraciones de la superficie, la señal regresa con un ángulo ligeramente moduladoque corresponde exactamente al bit de datos enviado por la señal del sonar. Una vibración en la superficie del agua que representa un bit 0, por ejemplo, hará que el ángulo de la señal reflejada vibre a 100 hertzios.
"La reflexión del radar variará un poco cada vez que tenga alguna forma de desplazamiento como en la superficie del agua", dice Adib. "Al detectar estos pequeños cambios de ángulo, podemos detectar estas variaciones que corresponden ala señal del sonar "
Escuchando "el susurro"
Un desafío clave fue ayudar al radar a detectar la superficie del agua. Para hacerlo, los investigadores emplearon una tecnología que detecta los reflejos en un entorno y los organiza por distancia y potencia. Como el agua tiene el reflejo más poderoso en el entorno del nuevo sistema,el radar conoce la distancia a la superficie. Una vez que está establecido, se enfoca en las vibraciones a esa distancia, ignorando todas las demás perturbaciones cercanas.
El siguiente gran desafío fue capturar ondas micrométricas rodeadas de olas naturales mucho más grandes. Las ondas oceánicas más pequeñas en días tranquilos, llamadas ondas capilares, tienen solo 2 centímetros de altura, pero eso es 100,000 veces más grande que las vibraciones. Los mares más agitados pueden crearolas 1 millón de veces más grandes ". Esto interfiere con las pequeñas vibraciones acústicas en la superficie del agua", dice Adib. "Es como si alguien estuviera gritando y tratando de escuchar a alguien susurrando al mismo tiempo".
Para resolver esto, los investigadores desarrollaron sofisticados algoritmos de procesamiento de señales. Las ondas naturales ocurren a aproximadamente 1 o 2 hertzios, o bien, una o dos ondas se mueven sobre el área de la señal cada segundo. Sin embargo, las vibraciones del sonar de 100 a 200 hertzios, son cien veces más rápidos. Debido a este diferencial de frecuencia, el algoritmo se enfoca en las ondas de movimiento rápido mientras ignora las más lentas.
Prueba de las aguas
Los investigadores tomaron TARF a través de 500 pruebas en un tanque de agua y en dos piscinas diferentes en el campus del MIT.
En el tanque, el radar se colocó en rangos de 20 centímetros a 40 centímetros por encima de la superficie, y el transmisor del sonar se colocó entre 5 y 70 centímetros debajo de la superficie. En las piscinas, el radar se colocó a unos 30 centímetros por encima de la superficiesuperficie, mientras el transmisor estaba sumergido a unos 3,5 metros debajo. En estos experimentos, los investigadores también hicieron que los nadadores crearan olas que se elevaron a unos 16 centímetros.
En ambas configuraciones, TARF fue capaz de decodificar con precisión varios datos, como la frase "¡Hola! Desde el submarino", a cientos de bits por segundo, similar a las velocidades de datos estándar para las comunicaciones submarinas ". Incluso cuando hubonadadores que nadan y causan disturbios y corrientes de agua, pudimos decodificar estas señales de manera rápida y precisa ", dice Adib.
Sin embargo, en olas de más de 16 centímetros, el sistema no puede decodificar señales. Los siguientes pasos son, entre otras cosas, refinar el sistema para que funcione en aguas más agitadas. "Puede lidiar con días tranquilos y ciertosperturbaciones del agua. Pero [para hacerlo práctico] necesitamos que funcione todos los días y todos los climas ", dice Adib.
Los investigadores también esperan que su sistema eventualmente permita que un avión no tripulado o un avión volando por la superficie del agua capte y decodifique constantemente las señales del sonar a medida que se acerca.
La investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Rob Matheson. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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