Pesquisadores do MIT demonstraram o primeiro sistema de comunicação e rede subaquática de consumo ultrabaixo que pode transmitir sinais em um alcance de quilômetros. A tecnologia, que os investigadores começaram a desenvolver há vários anos, utiliza cerca de um milhão de vezes menos energia do que os métodos de comunicação subaquáticos existentes. Ao alargar o alcance de comunicação dos sistemas sem bateria, os investigadores estão a tornar a tecnologia mais viável para aplicações como a aquicultura, a previsão de furacões costeiros e a modelação das alterações climáticas.
"As comunicações subaquáticas com um milhão de vezes menos potência eram uma ideia muito interessante há apenas alguns anos, mas agora são viáveis. Embora ainda existam alguns desafios técnicos interessantes que precisam ser resolvidos, há um caminho claro de onde estamos agora para a implantação, "disse Fadel Adib, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação e diretor do Signal Dynamics Group no MIT Media Lab.
O dispositivo é um conjunto de sensores piezoelétricos que permite comunicações subaquáticas sem bateria. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores
O retroespalhamento subaquático permite comunicações de baixa potência, codificando dados em ondas sonoras que são então refletidas ou espalhadas de volta ao receptor. Estas inovações permitem que os sinais refletidos sejam direcionados com mais precisão para a fonte.
Devido a esta “diretividade reversa”, menos sinal é espalhado na direção errada, permitindo comunicações mais eficientes e de maior alcance. Quando testado em rios e oceanos, o dispositivo de direção reversa comunicou-se a um alcance mais de 15 vezes superior ao dos dispositivos anteriores. No entanto, os experimentos foram limitados pelo comprimento do cais disponível para os pesquisadores.
Para compreender melhor os limites da retrodifusão subaquática, a equipe também desenvolveu um modelo analítico para prever o alcance máximo da tecnologia. Eles validaram o modelo usando dados experimentais, mostrando que seu sistema de direção reversa pode se comunicar em um alcance de quilômetros.
Os pesquisadores compartilharam essas descobertas em dois artigos que serão apresentados nas conferências ACMSIGCOMM e MobiCom deste ano. Adib é o autor sênior desses dois artigos. Ele foi coautor do artigo SIGCOMM com a ex-bolsista de pós-doutorado Aline Eid, agora professora assistente na Universidade de Michigan, e o assistente de pesquisa Jack Rademacher, bem como os assistentes de pesquisa Waleed Akbar, Purui Wang e o pós-doutorado Ahmed Allam. Os co-autores do artigo da MobiCom também são Akbar e Allam.
Três membros da equipe conduzem experimentos no Woods Hole Research Institute. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores
Comunique-se usando ondas sonoras
Dispositivos de comunicação de retroespalhamento subaquático utilizam conjuntos de nós feitos de materiais "piezoelétricos" para receber e refletir ondas sonoras. Esses materiais produzem sinais elétricos quando influenciados por forças mecânicas.
Quando as ondas sonoras atingem os nós, elas vibram e convertem energia mecânica em cargas elétricas. O nó utiliza cargas elétricas para espalhar parte da energia acústica de volta à fonte, transmitindo dados, e o receptor decodifica os dados com base na sequência de reflexões. No entanto, como os sinais retroespalhados se propagam em todas as direções, apenas uma pequena porção atinge a fonte sonora, reduzindo a intensidade do sinal e limitando o alcance da comunicação.
Para superar esse problema, os pesquisadores aproveitaram um dispositivo de rádio de 70 anos chamado arranjo Van Atta, no qual um par simétrico de antenas é conectado de tal forma que o arranjo reflete a energia de volta na direção da fonte do sinal.
No entanto, conectar nós piezoelétricos para formar uma matriz Van Atta reduz sua eficiência. Os pesquisadores evitaram esse problema colocando um transformador entre pares de nós conectados. Os transformadores transferem energia elétrica de um circuito para outro, permitindo que os nós reflitam o máximo de energia de volta à fonte.
“Ambos os nós estão recebendo e ambos os nós estão refletindo, então é um sistema muito interessante”, explica Ed. "À medida que o número de elementos no sistema aumenta, você pode construir uma matriz que permite distâncias de comunicação maiores."
Além disso, eles usaram uma técnica chamada comutação de polaridade cruzada para codificar dados binários no sinal refletido. Cada nó possui um terminal positivo e um terminal negativo (como uma bateria de carro), portanto, quando os terminais positivos de dois nós são conectados e os terminais negativos de dois nós são conectados, o sinal refletido é de "1 bit".
Mas se os pesquisadores inverterem a polaridade e conectarem os pólos negativo e positivo entre si, o sinal refletido será “zero”.
“Não basta simplesmente conectar os nós piezoelétricos. Ao alternar a polaridade dos dois nós, podemos transmitir dados de volta ao receptor remoto”, explica Rademacher.
Ao construir o array VanAtta, os pesquisadores descobriram que se os nós conectados estivessem muito próximos, eles bloqueariam os sinais uns dos outros. Eles desenvolveram um novo design no qual os nós são intercalados para que os sinais possam chegar ao array de qualquer direção. Com esse design escalável, quanto mais nós houver no array, maior será o alcance da comunicação.
Trabalhando com a Instituição Oceanográfica Woods Hole, eles conduziram mais de 1.500 testes experimentais do conjunto no rio Charles, em Cambridge, Massachusetts, e no Oceano Atlântico, na costa de Falmouth, Massachusetts. O dispositivo tem um alcance de comunicação de 300 metros, mais de 15 vezes maior do que o demonstrado anteriormente.
No entanto, devido ao espaço insuficiente na doca, eles tiveram que encurtar o experimento.
Simulação máxima
Isto inspirou os pesquisadores a construir um modelo analítico para determinar os limites teóricos e práticos de comunicação desta nova tecnologia de retroespalhamento subaquático. Com base na pesquisa de seu grupo sobre identificação por radiofrequência (RFID), a equipe de pesquisa elaborou um modelo para capturar o impacto dos parâmetros do sistema, como o tamanho dos nós piezoelétricos e a potência de entrada do sinal, na faixa de operação subaquática do dispositivo.
"Esta não é uma tecnologia de comunicação tradicional, então você precisa entender como quantificar as reflexões. Quais são as funções dos diferentes componentes neste processo?" Akbar disse. Por exemplo, os pesquisadores precisavam derivar uma função que capturasse a quantidade de sinal refletido de um nó piezoelétrico subaquático de tamanho específico, o que foi um dos maiores desafios no desenvolvimento do modelo.
Eles usaram esses insights para criar um modelo plug-and-play onde os usuários podem inserir informações como potência de entrada e tamanho do nó piezoelétrico e obter uma saída que mostra o alcance esperado do sistema.
Eles avaliaram o modelo em relação a dados experimentais e descobriram que o modelo poderia prever com precisão a faixa de sinais acústicos inversos com um erro médio inferior a 1 dB. Usando este modelo, eles descobriram que matrizes de retroespalhamento subaquático têm o potencial de atingir distâncias de comunicação de quilômetros de extensão.
“Estamos criando uma nova tecnologia oceânica e levando-a para o domínio das redes celulares 6G que temos feito”, disse Adib. “É algo muito significativo para nós porque agora estamos começando a ver essa tecnologia muito próxima da realidade.”
Os pesquisadores planejam continuar estudando o conjunto VanAtta de retroespalhamento subaquático, talvez usando navios, para que possam avaliar alcances de comunicação mais longos. Ao mesmo tempo, eles também planejam lançar ferramentas e conjuntos de dados para que outros pesquisadores possam aproveitá-los. Ao mesmo tempo, eles também estão começando a comercializar a tecnologia.
"O alcance limitado tem sido um problema em aberto para redes de retroespalhamento subaquático, dificultando seu uso em aplicações do mundo real." Omid Abari, professor assistente de ciência da computação na UCLA, disse: “Este artigo permite que as comunicações subaquáticas alcancem transmissão de longa distância enquanto operam com o mínimo de energia, permitindo assim futuras comunicações subaquáticas”. Este artigo dá um importante passo em frente no campo da comunicação. Este artigo apresenta pela primeira vez a tecnologia de matriz VanAttaReflector em um ambiente de retroespalhamento subaquático e demonstra as vantagens desta tecnologia no aumento do alcance de comunicação em várias ordens de magnitude. Isto pode aproximar a comunicação subaquática sem bateria da realidade, permitindo aplicações como a monitorização subaquática das alterações climáticas e a monitorização costeira."