Os pesquisadores do MIT deram um passo para resolver um desafio de longa data com a comunicação sem fio:a transmissão direta de dados entre dispositivos subaquáticos e aerotransportados.

Hoje, sensores subaquáticos não podem compartilhar dados com aqueles em terra, já que ambos usam diferentes sinais sem fio que só funcionam em seus respectivos meios. Os sinais de rádio que viajam pelo ar morrem muito rapidamente na água. Sinais acústicos, ou sonar, enviadas por dispositivos subaquáticos refletem principalmente na superfície, sem nunca irromper. Isso causa ineficiências e outros problemas para uma variedade de aplicativos, como exploração oceânica e comunicação submarino-avião.

Em um artigo apresentado na conferência SIGCOMM desta semana, Os pesquisadores do MIT Media Lab desenvolveram um sistema que aborda esse problema de uma maneira inovadora. Um transmissor subaquático direciona um sinal de sonar para a superfície da água, causando pequenas vibrações que correspondem aos 1s e 0s transmitidos. Acima da superfície, um receptor altamente sensível lê essas perturbações mínimas e decodifica o sinal do sonar.

"Tentar cruzar a fronteira ar-água com sinais sem fio tem sido um obstáculo. Nossa ideia é transformar o próprio obstáculo em um meio de comunicação, "diz Fadel Adib, professor assistente no Media Lab, quem está liderando esta pesquisa. Ele foi coautor do artigo com seu aluno de graduação Francesco Tonolini.

O sistema, chamada de "comunicação de RF acústica translacional" (TARF), ainda está em seus estágios iniciais, Adib diz. Mas representa um "marco, " ele diz, que poderia abrir novos recursos em comunicações ar-água. Usando o sistema, submarinos militares, por exemplo, não precisaria vir à superfície para se comunicar com os aviões, comprometendo sua localização. E drones subaquáticos que monitoram a vida marinha não precisariam ressurgir constantemente de mergulhos profundos para enviar dados aos pesquisadores.

Outra aplicação promissora é o auxílio na busca de aviões que desaparecem debaixo d'água. "Balizas de transmissão acústica podem ser implementadas em, dizer, a caixa preta de um avião, "Adib diz." Se ele transmite um sinal de vez em quando, você seria capaz de usar o sistema para captar esse sinal. "

Decodificando vibrações

As soluções tecnológicas atuais para esse problema de comunicação sem fio apresentam várias desvantagens. Bóias, por exemplo, foram projetados para captar ondas de sonar, processar os dados, e disparar sinais de rádio para receptores no ar. Mas eles podem ir embora e se perder. Muitos também são obrigados a cobrir grandes áreas, tornando-os impraticáveis ​​para, dizer, comunicações submarino-superfície.

TARF inclui um transmissor acústico subaquático que envia sinais de sonar usando um alto-falante acústico padrão. Os sinais viajam como ondas de pressão de diferentes frequências correspondendo a diferentes bits de dados. Por exemplo, quando o transmissor deseja enviar um 0, pode transmitir uma onda viajando a 100 hertz; para 1, ele pode transmitir uma onda de 200 hertz. Quando o sinal atinge a superfície, causa pequenas ondulações na água, apenas alguns micrômetros de altura, correspondendo a essas frequências.

Para alcançar altas taxas de dados, o sistema transmite várias frequências ao mesmo tempo, com base em um esquema de modulação usado em comunicação sem fio, chamado de multiplexação por divisão de frequência ortogonal. Isso permite que os pesquisadores transmitam centenas de bits de uma vez.

Posicionado no ar acima do transmissor está um novo tipo de radar de frequência extremamente alta que processa sinais no espectro de ondas milimétricas da transmissão sem fio, entre 30 e 300 gigahertz. (Essa é a banda em que operará a próxima rede sem fio 5G de alta frequência.)

O radar, que se parece com um par de cones, transmite um sinal de rádio que reflete na superfície vibrante e retorna ao radar. Devido à forma como o sinal colide com as vibrações da superfície, o sinal retorna com um ângulo ligeiramente modulado que corresponde exatamente ao bit de dados enviado pelo sinal do sonar. Uma vibração na superfície da água representando um bit 0, por exemplo, fará com que o ângulo do sinal refletido vibre em 100 hertz.

"A reflexão do radar vai variar um pouco sempre que houver algum tipo de deslocamento, como na superfície da água, "Adib diz." Ao perceber essas pequenas mudanças de ângulo, podemos captar essas variações que correspondem ao sinal do sonar. "

Ouvindo "o sussurro"

Um dos principais desafios foi ajudar o radar a detectar a superfície da água. Para fazer isso, os pesquisadores empregaram uma tecnologia que detecta reflexos em um ambiente e os organiza por distância e poder. Como a água tem o reflexo mais poderoso no ambiente do novo sistema, o radar conhece a distância até a superfície. Uma vez estabelecido, aumenta o zoom nas vibrações a essa distância, ignorando todos os outros distúrbios próximos.

O próximo grande desafio foi capturar ondas micrométricas rodeadas por ondas muito maiores, ondas naturais. As menores ondulações do oceano em dias calmos, chamadas ondas capilares, têm apenas cerca de 2 centímetros de altura, mas isso é 100, 000 vezes maior do que as vibrações. Mares mais agitados podem criar ondas 1 milhão de vezes maiores. "Isso interfere com as pequenas vibrações acústicas na superfície da água, "Adib diz." É como se alguém estivesse gritando e você estivesse tentando ouvir alguém sussurrando ao mesmo tempo. "

Para resolver isso, os pesquisadores desenvolveram algoritmos sofisticados de processamento de sinal. As ondas naturais ocorrem em cerca de 1 ou 2 hertz - ou, uma ou duas ondas movendo-se sobre a área de sinal a cada segundo. As vibrações do sonar de 100 a 200 hertz, Contudo, são cem vezes mais rápidos. Por causa deste diferencial de frequência, o algoritmo se concentra nas ondas que se movem rapidamente, enquanto ignora as mais lentas.

Testando as águas

Os pesquisadores realizaram o TARF em 500 execuções de teste em um tanque de água e em duas piscinas diferentes no campus do MIT.

No tanque, o radar foi colocado em intervalos de 20 centímetros a 40 centímetros acima da superfície, e o transmissor de sonar foi colocado de 5 a 70 centímetros abaixo da superfície. Nas piscinas, o radar foi posicionado cerca de 30 centímetros acima da superfície, enquanto o transmissor estava imerso cerca de 3,5 metros abaixo. Nestes experimentos, os pesquisadores também fizeram nadadores criando ondas que atingiram cerca de 16 centímetros.

Em ambas as configurações, TARF foi capaz de decodificar com precisão vários dados, como a frase, "Hello! From subaquático" - a centenas de bits por segundo, semelhantes às taxas de dados padrão para comunicações subaquáticas. "Mesmo quando havia nadadores nadando e causando distúrbios e correntes de água, fomos capazes de decodificar esses sinais com rapidez e precisão, "Adib diz.

Em ondas com mais de 16 centímetros, Contudo, o sistema não é capaz de decodificar sinais. As próximas etapas são, entre outras coisas, refinando o sistema para trabalhar em águas mais agitadas. “Pode lidar com dias calmos e certos distúrbios da água. Mas [para torná-lo prático] precisamos que funcione em todos os dias e climas, "Adib diz.

Os pesquisadores também esperam que seu sistema possa eventualmente permitir que um drone aerotransportado ou avião voando sobre a superfície da água capte e decodifique constantemente os sinais do sonar à medida que passa zunindo.