新技术:无线电通信突破水气屏障

新技术:无线电通信突破水气屏障

在麻省理工学院研究人员开发的一个新系统中,水下声纳信号引起的振动可以被机载接收机解码。

麻省理工学院的研究人员已经朝着解决无线通信的长期挑战迈出了一步:水下设备和机载设备之间的直接数据传输。

今天,水下传感器无法与陆地上的传感器共享数据,因为两者使用不同的无线信号,这些无线信号只能在各自的介质中工作。通过空气传播的无线电信号在水中很快就会消失。水下设备发出的声音信号,或者说声纳,大多是从地面反射出来的,从来没有穿透过水面。这就导致各种应用效率低下,或者出现其他的问题,例如海洋勘探和潜艇到飞机的通信。

新技术:无线电通信突破水气屏障

在本周SIGCOMM会议上发表的一篇论文中,麻省理工学院媒体实验室的研究人员设计了一个系统,以一种新颖的方式解决这个问题。水下发射机将声纳信号定向到水面,产生微小的振动,相当于1s到0s的发射。在水面上,高灵敏度的接收器读取这些微小的振动并解码声纳信号。

负责这项研究的媒体实验室助理教授Fadel Adib说:“试图通过无线信号穿越空气和水的边界一直是一个障碍。我们的想法是将障碍本身转化为一种交流的媒介。”他和他的研究生Francesco Tonolini共同撰写了这篇论文。

Adib说,这个被称为“平移音波-RF通信”(TARF)的系统还处于早期阶段。但他说,这是一个可以开启水气通信新功能的里程碑。例如,使用该系统,军用潜艇不需要浮出水面就可以与飞机进行通信–不会暴露潜艇的位置。监测海洋生物的水下无人机不需要不断地从深海返回地面,就可以向研究人员发送数据。

另一个很有希望的应用是协助搜寻水下失踪的飞机。Adib说:“声波发射信标可以在飞机的黑匣子中实现。如果它每隔一段时间就发送一个信号,你就可以用这个系统接收那个信号。”

解码振动

当今解决无线通信问题的技术方法存在各种缺陷。例如,浮标被设计用来接收声纳波,处理数据,并向机载接收器发射无线电信号。但信号会逐渐消失,它们迷失方向。许多卫星还需要覆盖大片区域,这使得它们无法进行水下到地面的通信。

TARF包括水声通信发射机,它使用标准声波扬声器发送声纳信号。信号以不同频率的压力波的形式传播,对应于不同的数据位。例如,当发射机想要发送一个0时,它可以发射一个以100Hz传播的波;对于1,它可以发射200Hz的波。当信号到达水面时,它会在水中产生微小的涟漪,高度只有几微米,与这些频率相对应。

为了实现高数据传输速率,该系统在无线通信中使用一种称为正交频分复用(OFDM)的调制方案的基础上,同时传输多个频率。这使得研究人员可以同时传输数百比特。

位于发射机上方的是一种新型的超高频雷达,可以处理30到300GHz之间的毫米波无线传输频谱的信号(这是即将到来的高频5G无线网络将运行的频段)。

这种看起来像一对圆锥的雷达,会发出无线电信号,反射出振动表面,然后反弹回雷达。由于信号与表面振动的碰撞方式,信号返回的角度与声纳信号发送的数据比特完全对应。例如,水面上代表0位元的振动会使反射信号的角度以100Hz的频率振动。

Adib说:“如果你在水面上有任何的位移,雷达反射就会发生变化。通过捕捉这些微小的角度变化,我们可以捕捉到这些与声纳信号相对应的变化。”

聆听“耳语”

帮助雷达探测水面是个挑战。为了做到这一点,研究人员使用了一种技术来检测环境中的反射,并根据距离和力量来组织它们。由于水在新系统的环境中具有最强大的反射能力,雷达知道到地面的距离。一旦确定了这一点,它就会放大这个距离上的振动,忽略附近所有的干扰。

下一个主要的挑战是捕捉被更大的自然波包围的微米波。在平静的日子里,最小的海洋涟漪,也就是所谓的毛细管作用波,只有2厘米高,但这比振动动要大10万倍。波涛汹涌的大海能产生比现在大一百万倍的海浪。Adib说:“这会干扰水面上微小的声振动,就好像有人在尖叫,而你在试图同时听到某人的低语一样。”

了解决这个问题,研究人员开发了复杂的信号处理算法。自然波以大约1或2Hz的频率出现–或者,每秒有一或两个波在信号区域移动。但是,100到200Hz的声纳振动速度要快100倍。由于这种频率差异,该算法在忽略慢波的同时,对快速移动的波进行归零。

水面测试

研究人员让TARF在麻省理工学院校园的一个水箱和两个不同的游泳池中进行了500次测试。在水箱中,雷达被放置在水面上方20-40厘米的范围内,声纳发射器被放置在水面下方5-70厘米的范围内。在水池中,雷达定位在水面上方约30厘米处,而发射机下沉约3.5米。在这些实验中,研究人员还让游泳者制造出了16厘米左右的波浪。

在这两种设置中,TARF都能够准确地解码各种数据–比如“Hello!”以每秒数百比特的速度,类似于水下通信的标准数据速率。Adib说:“即使有游泳的人在周围游泳,造成干扰和水流,我们也能够快速准确地解码这些信号。”

然而,在16厘米以上的波中,该系统无法解码信号。接下来的步骤,除其他事项外,是完善该系统,使其在更恶劣的环境中工作。Adib说:“它可以处理某些水的干扰。但(为了使其切实可行),我们需要它在任何时候、任何天气下都能工作”。

加州大学圣地亚哥分校计算机科学与工程助理教授Aaron Schulman说:“TARF是第一个证明利用雷达接收来自空气的水声传输是可行的系统。我希望这种新的雷达声波技术将使依赖声波技术(例如海洋生物)的研究人员受益,也能激励科学界研究如何使雷达-声波连接更加可行。”

研究人员还希望,他们的系统最终能够使飞越水面的机载无人机或飞机,在声纳信号不断放大时,可以不断地接收和解码这些信号。

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。

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