무선 통신이 물-공기 장벽을 뚫다

무선 통신이 물-공기 장벽을 뚫다 (수중과 항공기 사이 무선통신) 

출처: http://news.mit.edu/2018/wireless-communication-through-water-air-0822, Image: Christine Daniloff/MIT

MIT Media Lab 연구진은 수중 및 항공 센서가 직접 데이터를 공유 할 수있는 시스템을 설계했습니다. 수중 송신기는 소나 신호를 수면으로 향하게하여 전송되는 1과 0에 해당하는 미세한 진동을 유발합니다. 표면 위의 매우 민감한 수신기는 이러한 미세한 교란을 읽고 소나 신호를 해독합니다.

MIT 연구진이 개발 한 새로운 시스템에서 수중 음파 탐지기 신호는 공기 수신기에서 디코딩 할 수있는 진동을 발생시킵니다.

MIT의 연구자들은 수중과 항공기 사이의 직접적인 데이터 전송이라는 무선 통신의 오랜 도전 과제를 해결하기위한 한 걸음 씩 내딛었습니다.

오늘날 수중 센서는 육상에있는 센서와 데이터를 공유 할 수 없습니다. 둘 다 각각의 미디어에서만 작동하는 다른 무선 신호를 사용하기 때문입니다. 공기를 통해 이동하는 무선 신호는 물속에서 매우 빠르게 죽습니다. 수중 장비에서 전송 된 음향 신호 또는 음향 기기는 대부분 돌파하지 않고 표면을 반사합니다. 이로 인해 해양 탐사 및 잠수함 대 비행기 통신과 같은 다양한 응용 분야에 비효율 성과 다른 문제가 발생합니다.

이번 주 SIGCOMM 컨퍼런스에서 발표 된 논문에서 MIT Media Lab의 연구원들은이 문제를 새로운 방식으로 다루는 시스템을 설계했습니다. 수중 송신기는 소나 신호를 수면으로 향하게하여 전송되는 1과 0에 해당하는 미세한 진동을 유발합니다. 표면 위의 매우 민감한 수신기는 이러한 미세한 교란을 읽고 소나 신호를 해독합니다.

"무선 신호로 공기 - 물 경계를 가로 지르는 것은 장애물이었습니다. 우리의 생각은 장애물 자체를 의사 소통을위한 매개체로 전환하는 것 "이라고이 연구를 이끌고있는 미디어 랩 (Media Lab)의 조교수인 Fadel Adib는 말합니다. 그는 자신의 대학원생 Francesco Tonolini와 함께이 논문을 공동 저술했습니다.

"translational acoustic-RF communication"(TARF)라고 불리는이 시스템은 아직 초기 단계에있다. 그러나 이것은 "획기적인 것"을 의미하며 수자원 통신에서 새로운 기능을 열 수 있다고 그는 말합니다. 예를 들어, 군용 잠수함은 시스템을 사용하여 항공기와 통신하기 위해 표면을 드러내지 않아도 위치를 손상시킬 수 있습니다. 해양 생물을 모니터하는 수중 무인 비행기는 끊임없이 깊은 다이빙으로 인해 연구원에게 데이터를 전송할 필요가 없습니다.

또 다른 유망한 응용 프로그램은 수 중에서 실종 된 비행기 검색을 돕는 것입니다. "어쿠스틱 송신 비컨은 비행기의 블랙 박스에서 구현 될 수 있습니다."라고 Adib은 말합니다. "한 번씩 신호를 전송하면 시스템을 사용하여 신호를 수신 할 수 있습니다."

진동 디코딩

이 무선 통신 문제에 대한 오늘날의 기술적 해결 방법은 여러 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 부표는 음파 탐지기를 들고 데이터를 처리하고 무선 신호를 공중 수신기로 발사하도록 설계되었습니다. 그러나 이것들은 표류하여 길을 잃을 수 있습니다. 또한 많은 사람들이 넓은 지역을 커버해야하므로, 예를 들어 잠수함과 서면 간의 통신이 불가능합니다.

TARF에는 표준 음향 스피커를 사용하여 수중 음파 탐지기 신호를 전송하는 수중 음향 송신기가 포함되어 있습니다. 신호는 상이한 데이터 비트에 대응하는 상이한 주파수의 압력 파로서 이동한다. 예를 들어, 송신기가 0을 보내려고하면 100 헤르츠로 이동하는 파를 송신 할 수 있습니다. 1의 경우 200 헤르츠 파를 전송할 수 있습니다. 신호가 표면에 닿으면 물속에 작은 물결 무늬가 생기고 높이는 불과 수 마이크로 미터에 해당합니다.

높은 데이터 전송률을 달성하기 위해이 시스템은 직교 주파수 분할 다중화라고하는 무선 통신에 사용되는 변조 방식을 기반으로 동시에 여러 주파수를 전송합니다. 이를 통해 연구원들은 수백 비트를 한 번에 전송할 수 있습니다.

송신기 위의 대기에 위치하는 새로운 유형의 초고주파 레이더는 30에서 300 기가 헤르츠 사이의 무선 전송의 밀리미터 파 스펙트럼에서 신호를 처리합니다. (곧 출시 될 고주파 5G 무선 네트워크가 작동하는 대역입니다.)

한 쌍의 원뿔처럼 보이는 레이더는 진동하는 표면에서 반사되어 다시 레이더로 되돌아 오는 라디오 신호를 전송합니다. 신호가 표면 진동과 충돌하는 방식으로 인해 신호는 소나 신호에 의해 전송 된 데이터 비트와 정확히 일치하는 약간 변조 된 각도로 돌아옵니다. 예를 들어 0 비트를 나타내는 물 표면의 진동은 반사 된 신호의 각도를 100 헤르츠로 진동시킵니다.

"레이더 반사는 물 표면과 같은 변위 형태가있을 때마다 약간 달라질 것입니다."라고 Adib은 말합니다. "이러한 작은 각 변화를 감지하여 우리는 수중 음파 탐지기 신호에 해당하는 이러한 변화를 감지 할 수 있습니다."

"속삭임"듣기

주요 과제는 레이더가 수면을 탐지하는 것을 돕는 것이 었습니다. 그렇게하기 위해 연구자들은 환경에서의 반사를 감지하고 거리와 힘으로 구성하는 기술을 사용했습니다. 물은 새로운 시스템의 환경에서 가장 강력한 반영을 가지고 있기 때문에, 레이더는 표면까지의 거리를 알고 있습니다. 일단 그것이 확립되면, 그 거리의 진동을 확대하여 다른 모든 장해를 무시합니다.

다음 주요 과제는 훨씬 더 크고 자연스러운 파도로 둘러싸인 마이크로 미터 파를 포착하는 것이 었습니다. 모세 혈관이라 불리는 평온한 날의 가장 작은 바다 잔물결은 약 2 센티미터에 불과하지만 진동보다 10 만 배 더 큽니다. 거친 바다는 1 백만 배나 큰 파도를 만들 수 있습니다. "이것은 수면에서의 작은 음향 진동을 방해합니다."라고 Adib은 말합니다. "누군가 비명을 지르며 동시에 속삭이는 누군가의 목소리를 듣고 자하는 것입니다."

이를 해결하기 위해 연구진은 정교한 신호 처리 알고리즘을 개발했습니다. 자연파는 약 1 또는 2 헤르츠에서 발생합니다. 또는 매초마다 신호 영역 위로 이동하는 파도 또는 두 개입니다. 그러나 100 ~ 200 헤르츠의 소나 진동은 100 배 더 빠릅니다. 이 주파수 차이로 인해 알고리즘은 느리게 움직이는 파도는 무시하면서 빠르게 움직이는 파도는 0으로 만듭니다.

물 테스트

연구자들은 TARF를 물 탱크에서 그리고 MIT 캠퍼스의 두 개의 서로 다른 수영장에서 500 회의 테스트를 거쳤습니다.

탱크에서 레이더는 표면 위 20cm ~ 40cm 범위에 놓 였고 소나 송신기는 표면 아래 5cm에서 70cm 아래에 놓여있었습니다. 수영장에서 레이더는 약 30 센티미터 위의 표면에 위치하고 트랜스미터는 약 3.5 미터 아래에 잠겼습니다. 이 실험에서, 연구원들은 또한 약 16 센티미터로 상승하는 파도를 만드는 수영을했습니다.

두 설정 모두에서 TARF는 문장과 같은 다양한 데이터를 정확하게 해독 할 수있었습니다. "Hello! from underwater "- 초당 수 백 비트로 수중 통신의 표준 데이터 속도와 유사합니다. "주변을 헤엄 쳐 헤엄 치는 사람이 있었고 방해와 물 흐름을 일으키더라도 우리는 이러한 신호를 빠르고 정확하게 해독 할 수있었습니다."라고 Adib은 말합니다.

그러나 16 센티미터 이상의 파도에서는 시스템이 신호를 디코딩 할 수 없습니다. 다음 단계는 무엇보다도 시스템을 거친 해역에서 작동하도록 개선하는 것입니다. "그것은 평온한 날을 다룰 수 있고 특정 물 교란을 다룰 수 있습니다. 그러나 [실용적으로 만들기 위해 우리는 모든 날씨와 모든 날씨에서 일할 필요가 있습니다. "라고 Adib은 말합니다.

"TARF는 레이더를 사용하여 공중에서 수중 음향 송신을 수신하는 것이 가능하다는 것을 입증 한 최초의 시스템입니다"라고 컴퓨터 과학 및 조교수 인 Aaron Schulman은 말합니다.

출처: http://news.mit.edu/2018/wireless-communication-through-water-air-0822