I ricercatori del MIT hanno compiuto un passo avanti verso la soluzione di una sfida di vecchia data con la comunicazione wireless:la trasmissione diretta dei dati tra dispositivi subacquei e aerei.

Oggi, i sensori subacquei non possono condividere i dati con quelli a terra, poiché entrambi utilizzano segnali wireless diversi che funzionano solo nei rispettivi mezzi. I segnali radio che viaggiano nell'aria muoiono molto rapidamente nell'acqua. Segnali acustici, o sonar, inviati da dispositivi subacquei si riflettono principalmente sulla superficie senza mai sfondare. Ciò causa inefficienze e altri problemi per una varietà di applicazioni, come l'esplorazione oceanica e la comunicazione sottomarino-aereo.

In un documento presentato alla conferenza SIGCOMM di questa settimana, I ricercatori del MIT Media Lab hanno progettato un sistema che affronta questo problema in un modo nuovo. Un trasmettitore subacqueo dirige un segnale sonar sulla superficie dell'acqua, provocando minuscole vibrazioni che corrispondono agli 1 e agli 0 trasmessi. Sopra la superficie, un ricevitore altamente sensibile legge questi piccoli disturbi e decodifica il segnale sonar.

"Cercare di attraversare il confine aria-acqua con segnali wireless è stato un ostacolo. La nostra idea è trasformare l'ostacolo stesso in un mezzo attraverso il quale comunicare, "dice Fadel Adib, un assistente professore al Media Lab, chi sta conducendo questa ricerca. Ha co-autore del documento con il suo studente laureato Francesco Tonolini.

Il sistema, denominata "comunicazione acustica-RF traslazionale" (TARF), è ancora agli inizi, dice Adib. Ma rappresenta una "pietra miliare, " lui dice, che potrebbe aprire nuove capacità nelle comunicazioni acqua-aria. Utilizzando il sistema, sottomarini militari, ad esempio, non avrebbe bisogno di emergere per comunicare con gli aeroplani, compromettere la loro posizione. E i droni sottomarini che monitorano la vita marina non avrebbero bisogno di riemergere costantemente dalle immersioni profonde per inviare dati ai ricercatori.

Un'altra promettente applicazione è aiutare le ricerche di aerei scomparsi sott'acqua. "I beacon trasmittenti acustici possono essere implementati in, dire, la scatola nera di un aereo, " dice Adib. "Se trasmette un segnale ogni tanto, saresti in grado di usare il sistema per captare quel segnale."

Decodifica delle vibrazioni

Le soluzioni tecnologiche odierne a questo problema di comunicazione wireless presentano vari inconvenienti. boe, ad esempio, sono stati progettati per captare le onde sonar, elaborare i dati, e sparare segnali radio ai ricevitori aviotrasportati. Ma questi possono allontanarsi e perdersi. Molti sono necessari anche per coprire vaste aree, rendendoli impraticabili per, dire, comunicazioni sottomarino-superficie.

TARF include un trasmettitore acustico subacqueo che invia segnali sonar utilizzando un altoparlante acustico standard. I segnali viaggiano come onde di pressione di diverse frequenze corrispondenti a diversi bit di dati. Per esempio, quando il trasmettitore vuole inviare uno 0, può trasmettere un'onda che viaggia a 100 hertz; per 1, può trasmettere un'onda di 200 hertz. Quando il segnale colpisce la superficie, provoca minuscole increspature nell'acqua, solo pochi micrometri di altezza, corrispondente a quelle frequenze.

Per ottenere velocità di trasmissione dati elevate, il sistema trasmette più frequenze contemporaneamente, basandosi su uno schema di modulazione utilizzato nella comunicazione wireless, chiamato multiplexing a divisione di frequenza ortogonale. Ciò consente ai ricercatori di trasmettere centinaia di bit contemporaneamente.

Posizionato nell'aria sopra il trasmettitore è un nuovo tipo di radar ad altissima frequenza che elabora i segnali nello spettro delle onde millimetriche della trasmissione wireless, tra 30 e 300 gigahertz. (Questa è la banda in cui opererà la prossima rete wireless 5G ad alta frequenza.)

Il radar, che sembra una coppia di coni, trasmette un segnale radio che si riflette sulla superficie vibrante e ritorna al radar. A causa del modo in cui il segnale si scontra con le vibrazioni della superficie, il segnale ritorna con un angolo leggermente modulato che corrisponde esattamente al bit di dati inviato dal segnale sonar. Una vibrazione sulla superficie dell'acqua che rappresenta un bit 0, ad esempio, farà vibrare l'angolo del segnale riflesso a 100 hertz.

"La riflessione radar varierà un po' ogni volta che si verifica una qualsiasi forma di spostamento come sulla superficie dell'acqua, " dice Adib. "Rilevando questi piccoli cambiamenti di angolo, possiamo rilevare queste variazioni che corrispondono al segnale sonar."

Ascoltando "il sussurro"

Una sfida fondamentale è stata aiutare il radar a rilevare la superficie dell'acqua. Fare così, i ricercatori hanno impiegato una tecnologia che rileva i riflessi in un ambiente e li organizza in base alla distanza e alla potenza. Poiché l'acqua ha il riflesso più potente nell'ambiente del nuovo sistema, il radar conosce la distanza dalla superficie. Una volta stabilito, ingrandisce le vibrazioni a quella distanza, ignorando tutti gli altri disturbi vicini.

La prossima grande sfida è stata catturare onde micrometriche circondate da onde molto più grandi, onde naturali. Il più piccolo oceano si increspa nei giorni calmi, chiamate onde capillari, sono alti solo circa 2 centimetri, ma sono 100, 000 volte più grandi delle vibrazioni. I mari più agitati possono creare onde 1 milione di volte più grandi. "Questo interferisce con le minuscole vibrazioni acustiche sulla superficie dell'acqua, " dice Adib. "È come se qualcuno stesse urlando e tu cercassi di sentire qualcuno che sussurra allo stesso tempo."

Per risolvere questo, i ricercatori hanno sviluppato sofisticati algoritmi di elaborazione del segnale. Le onde naturali si verificano a circa 1 o 2 hertz o, un'onda o due che si muovono sull'area del segnale ogni secondo. Le vibrazioni del sonar da 100 a 200 hertz, però, sono cento volte più veloci. A causa di questo differenziale di frequenza, l'algoritmo si concentra sulle onde in rapido movimento ignorando quelle più lente.

Testare le acque

I ricercatori hanno condotto il TARF attraverso 500 corse di prova in un serbatoio d'acqua e in due diverse piscine del campus del MIT.

Nel serbatoio, il radar è stato posizionato a distanze comprese tra 20 centimetri e 40 centimetri sopra la superficie, e il trasmettitore sonar è stato posizionato da 5 centimetri a 70 centimetri sotto la superficie. Nelle piscine, il radar era posizionato a circa 30 centimetri dalla superficie, mentre il trasmettitore era immerso a circa 3,5 metri più in basso. In questi esperimenti, i ricercatori hanno anche avuto nuotatori che creavano onde che salivano a circa 16 centimetri.

In entrambe le impostazioni, TARF è stato in grado di decodificare accuratamente vari dati, come la frase, "Hello! from underwater"—a centinaia di bit al secondo, simili alle velocità dati standard per le comunicazioni subacquee. "Anche se c'erano dei bagnanti che nuotavano e causavano disturbi e correnti d'acqua, siamo stati in grado di decodificare questi segnali in modo rapido e preciso, "dice Adib.

In onde superiori a 16 centimetri, però, il sistema non è in grado di decodificare i segnali. I prossimi passi sono, tra l'altro, affinando il sistema per lavorare in acque più agitate. "Può affrontare i giorni calmi e affrontare alcuni disturbi dell'acqua. Ma [per renderlo pratico] abbiamo bisogno che funzioni in tutti i giorni e con tutte le condizioni atmosferiche, "dice Adib.

I ricercatori sperano anche che il loro sistema possa alla fine consentire a un drone o aereo in volo che vola sulla superficie dell'acqua di raccogliere e decodificare costantemente i segnali del sonar mentre si avvicina.