MIT-Forscher haben das erste Unterwasser-Netzwerk- und Kommunikationssystem mit extrem geringem Stromverbrauch demonstriert, das Signale über eine Entfernung von einem Kilometer übertragen kann. Die Technologie, mit deren Entwicklung Forscher vor einigen Jahren begonnen haben, verbraucht etwa eine Million Mal weniger Strom als bestehende Unterwasserkommunikationsmethoden. Durch die Erweiterung der Kommunikationsreichweite batterieloser Systeme machen Forscher die Technologie für Anwendungen wie Aquakultur, Vorhersage von Hurrikanen an der Küste und Modellierung des Klimawandels anwendbarer.

„Unterwasserkommunikation mit einer Million Mal weniger Leistung war noch vor ein paar Jahren eine sehr aufregende Idee, aber jetzt ist sie machbar. Es gibt zwar noch einige interessante technische Herausforderungen, die gelöst werden müssen, aber der Weg von unserem jetzigen Standort bis zum Einsatz ist klar“, sagte Fadel Adib, außerordentlicher Professor am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik und Direktor der Signal Dynamics Group am MIT Media Lab.

Das Gerät ist ein piezoelektrisches Sensorarray, das eine batterielose Unterwasserkommunikation ermöglicht. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern

Unterwasser-Rückstreuung ermöglicht Kommunikation mit geringem Stromverbrauch, indem Daten in Schallwellen kodiert werden, die dann zum Empfänger zurückreflektiert oder gestreut werden. Diese Innovationen ermöglichen es, reflektierte Signale präziser zur Quelle zu lenken.

Aufgrund dieser „umgekehrten Richtwirkung“ wird weniger Signal in die falsche Richtung gestreut, was eine effizientere Kommunikation über größere Entfernungen ermöglicht. Bei Tests in Flüssen und Ozeanen kommunizierte das Gerät mit umgekehrter Richtung mit einer mehr als 15-fach größeren Reichweite als frühere Geräte. Allerdings waren die Experimente durch die Länge des Docks begrenzt, das den Forschern zur Verfügung stand.

Um die Grenzen der Unterwasser-Rückstreuung besser zu verstehen, entwickelte das Team außerdem ein Analysemodell zur Vorhersage der maximalen Reichweite der Technologie. Sie validierten das Modell anhand experimenteller Daten und zeigten, dass ihr umgekehrt gerichtetes System über eine Reichweite von einem Kilometer kommunizieren kann.

Die Forscher teilten diese Ergebnisse in zwei Artikeln, die auf den diesjährigen ACMSIGCOMM- und MobiCom-Konferenzen vorgestellt werden. Adib ist der leitende Autor dieser beiden Artikel. Er war Co-Autor des SIGCOMM-Artikels mit der ehemaligen Postdoktorandin Aline Eid, jetzt Assistenzprofessorin an der University of Michigan, und dem Forschungsassistenten Jack Rademacher sowie den Forschungsassistenten Waleed Akbar, Purui Wang und dem Postdoktoranden Ahmed Allam. Die Co-Erstautoren des MobiCom-Papiers sind ebenfalls Akbar und Allam.

Drei Teammitglieder führen Experimente am Woods Hole Research Institute durch. Bildquelle: Zur Verfügung gestellt von Forschern

Kommunizieren Sie mithilfe von Schallwellen

Unterwasser-Rückstreukommunikationsgeräte nutzen Knotenanordnungen aus „piezoelektrischen“ Materialien, um Schallwellen zu empfangen und zu reflektieren. Diese Materialien erzeugen elektrische Signale, wenn mechanische Kräfte auf sie einwirken.

Wenn Schallwellen auf die Knoten treffen, vibrieren diese und wandeln mechanische Energie in elektrische Ladungen um. Der Knoten nutzt elektrische Ladungen, um einen Teil der akustischen Energie zurück zur Quelle zu streuen und Daten zu übertragen. Der Empfänger dekodiert die Daten anhand der Reflexionssequenz. Da sich rückgestreute Signale jedoch in alle Richtungen ausbreiten, erreicht nur ein kleiner Teil die Schallquelle, was die Signalstärke verringert und die Kommunikationsreichweite begrenzt.

Um dieses Problem zu lösen, nutzten die Forscher ein 70 Jahre altes Funkgerät namens Van Atta Array, bei dem ein symmetrisches Antennenpaar so verbunden ist, dass das Array Energie zurück in Richtung der Signalquelle reflektiert.

Die Verbindung piezoelektrischer Knoten zu einem Van-Atta-Array verringert jedoch dessen Effizienz. Die Forscher umgingen dieses Problem, indem sie einen Transformator zwischen Paaren verbundener Knoten platzierten. Transformatoren übertragen elektrische Energie von einem Stromkreis zu einem anderen, sodass die Knoten die maximale Energie zurück zur Quelle reflektieren können.

„Beide Knoten empfangen und beide Knoten reflektieren, es ist also ein sehr interessantes System“, erklärt Ed. „Wenn die Anzahl der Elemente im System zunimmt, können Sie ein Array aufbauen, das längere Kommunikationsentfernungen ermöglicht.“

Darüber hinaus verwendeten sie eine Technik namens Kreuzpolaritätsumschaltung, um binäre Daten im reflektierten Signal zu kodieren. Jeder Knoten hat einen positiven und einen negativen Anschluss (wie eine Autobatterie). Wenn also die positiven Anschlüsse zweier Knoten und die negativen Anschlüsse zweier Knoten verbunden sind, beträgt das reflektierte Signal „1 Bit“.

Wenn die Forscher aber die Polarität umkehren und Minus- und Pluspol miteinander verbinden, ist das reflektierte Signal „Null“.

„Es reicht nicht aus, einfach piezoelektrische Knoten miteinander zu verbinden. Durch den Wechsel der Polarität der beiden Knoten können wir Daten zurück zum entfernten Empfänger übertragen“, erklärt Rademacher.

Beim Aufbau des VanAtta-Arrays stellten die Forscher fest, dass die verbundenen Knoten gegenseitig ihre Signale blockieren würden, wenn sie zu nahe beieinander lägen. Sie entwickelten ein neues Design, bei dem die Knoten verschachtelt sind, sodass Signale das Array aus jeder Richtung erreichen können. Bei diesem skalierbaren Design ist die Kommunikationsreichweite umso größer, je mehr Knoten im Array vorhanden sind.

In Zusammenarbeit mit der Woods Hole Oceanographic Institution führten sie mehr als 1.500 experimentelle Tests des Arrays am Charles River in Cambridge, Massachusetts, und im Atlantischen Ozean vor der Küste von Falmouth, Massachusetts, durch. Das Gerät verfügt über eine Kommunikationsreichweite von 300 Metern, was mehr als 15-mal größer ist als bisher nachgewiesen.

Aufgrund des unzureichenden Dockplatzes mussten sie das Experiment jedoch verkürzen.

Simulation maximal

Dies inspirierte die Forscher dazu, ein analytisches Modell zu erstellen, um die theoretischen und praktischen Kommunikationsgrenzen dieser neuen Unterwasser-Rückstreutechnologie zu bestimmen. Aufbauend auf der Forschung ihrer Gruppe zur Radiofrequenzidentifikation (RFID) erstellte das Forschungsteam ein Modell, um die Auswirkungen von Systemparametern wie der Größe der piezoelektrischen Knoten und der Eingangsleistung des Signals auf die Unterwasserreichweite des Geräts zu erfassen.

„Dies ist keine traditionelle Kommunikationstechnologie, daher müssen Sie verstehen, wie man Reflexionen quantifiziert. Welche Rolle spielen die verschiedenen Komponenten in diesem Prozess?“ Sagte Akbar. Beispielsweise mussten Forscher eine Funktion ableiten, die die Signalmenge erfasst, die von einem piezoelektrischen Unterwasserknoten einer bestimmten Größe reflektiert wird, was eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung des Modells darstellte.

Sie nutzten diese Erkenntnisse, um ein Plug-and-Play-Modell zu erstellen, bei dem Benutzer Informationen wie Eingangsleistung und Größe des piezoelektrischen Knotens eingeben und eine Ausgabe erhalten können, die die erwartete Reichweite des Systems zeigt.

Sie bewerteten das Modell anhand experimenteller Daten und stellten fest, dass das Modell den Bereich inverser akustischer Signale mit einem durchschnittlichen Fehler von weniger als 1 dB genau vorhersagen konnte. Anhand dieses Modells fanden sie heraus, dass Unterwasser-Rückstreu-Arrays das Potenzial haben, Kommunikationsentfernungen von Kilometern zu erreichen.

„Wir entwickeln eine neue Meerestechnologie und bringen sie in den Bereich der 6G-Mobilfunknetze, die wir bereits betreiben“, sagte Adib. „Für uns ist das eine sehr bedeutungsvolle Sache, weil wir jetzt beginnen, diese Technologie sehr realitätsnah zu sehen.“

Die Forscher planen, das Unterwasser-Rückstreu-VanAtta-Array weiter zu untersuchen, möglicherweise mithilfe von Schiffen, um größere Kommunikationsreichweiten bewerten zu können. Gleichzeitig planen sie auch die Veröffentlichung von Tools und Datensätzen, damit andere Forscher darauf aufbauen können. Gleichzeitig beginnen sie auch mit der Kommerzialisierung der Technologie.

„Die begrenzte Reichweite war ein offenes Problem für Unterwasser-Rückstreunetzwerke und behinderte ihren Einsatz in realen Anwendungen.“ Omid Abari, Assistenzprofessor für Informatik an der UCLA, sagte: „Dieses Papier ermöglicht Unterwasserkommunikation eine Übertragung über große Entfernungen bei minimalem Energieaufwand und ermöglicht so zukünftige Unterwasserkommunikation.“ Dieses Papier macht einen wichtigen Schritt nach vorne im Bereich der Kommunikation. In diesem Artikel wird die VanAttaReflector-Array-Technologie erstmals in einer Unterwasser-Rückstreuumgebung vorgestellt und die Vorteile dieser Technologie bei der Vergrößerung der Kommunikationsreichweite um mehrere Größenordnungen demonstriert. Dies kann die batterielose Unterwasserkommunikation der Realität einen Schritt näher bringen und Anwendungen wie die Überwachung des Klimawandels unter Wasser und die Küstenüberwachung ermöglichen.“