« Quay lại

Phát triển năng lực kết nối không dây giữa tầu ngầm và máy bay


Trong một bài báo được trình bày tại hội thảo SIGCOMM, các nhà nghiên cứu của MIT Media Lab đã trình bày thiết kế một hệ thống liên lạc, cho phép chia sẻ dữ liệu trực tiếp giữa các cảm biến dưới nước và trên không. Một máy phát được đạt dưới nước sẽ truyền một tín hiệu sóng âm đến bề mặt nước, gây ra những rung động nhỏ tương ứng với 1s và 0s được truyền đi. Phía trên bề mặt, một máy thu rất nhạy sẽ đọc những phút nhiễu loạn này và giải mã tín hiệu sóng âm.

 


Các nhà nghiên cứu MIT đã tiến một bước quan trọng để giải quyết thách thức lâu dài với công nghệ kết nối không dây: truyền dữ liệu trực tiếp giữa các thiết bị dưới nước và trên không. "Vượt qua ranh giới giữa 2 môi trường không khí - nước là một trở ngại với các tín hiệu không dây. Ý tưởng của chúng tôi là biến đổi các chướng ngại vật thành một phương tiện mà thông qua đó để giao tiếp", Fadel Adib, một trong hai tác giả của nghiên cứu cho biết.

Hiện nay, các cảm biến dưới nước không thể chia sẻ dữ liệu với những cảm biến trên đất liền, vì 2 loại cảm biến này sử dụng các tín hiệu không dây khác nhau chỉ hoạt động được với các thiết bị tương ứng của chúng. Tín hiệu vô tuyến truyền qua không khí sẽ bị ngắt quãng trong nước. Còn đối với tín hiệu âm thanh, hoặc sóng siêu âm được truyền bởi các thiết bị dưới nước sẽ chủ yếu phân tán trên bề mặt nước mà không bao giờ xuyên qua được để truyền vào không khí. Điều này gây ra sự thiếu hiệu quả và các vấn đề khác cho một loạt các ứng dụng, chẳng hạn như thám hiểm đại dương và trao đổi thông tin giữa tàu ngầm với máy bay. 

Chưa có công nghệ nào có thể để gửi tín hiệu truyền thông giữa 2 môi trường không khí và nước. Nếu một tàu ngầm chạy dưới nước, bên dưới một máy bay, thì không có cách nào để 2 phương tiện này giao tiếp với nhau mà không cần tầu ngầm phải nổi lên mặt nước, điều này rất nguy hiểm bởi tầu ngầm sẽ bộc lộ vị trí của mình. Hoặc là khi các thiết bị không người lái dưới nước theo dõi sinh vật biển sẽ cần phải liên tục nổi lên mặt nước để gửi dữ liệu cho các nhà nghiên cứu. Hai nhà khoa học Fadel Adib và Francesco Tonolini của MIT Media Lab đã phát triển một cách để kết nối 2 phương tiện khác biệt này thông qua một cái được họ gọi là "Kết nối tần số âm thanh-vô tuyến" (TARF) Translational Acoustic-RF communication, hoặc TARF. Sử dụng kết hợp sóng âm ở dưới nước và Radar ở trên không, thông tin có thể được truyền đi bằng cách tạo ra những gợn sóng nhỏ trên mặt nước. Hệ thống này vẫn còn trong giai đoạn đầu phát triển. Nhưng nó là cột mốc quan trọng để mở ra những khả năng mới trong việc liên lạc giữa 2 môi trường khí- nước. 

Một ứng dụng đầy hứa hẹn khác là giúp tìm kiếm các máy bay bị mất tích dưới nước. Adib nói: "Các thiết bị truyền âm thanh có thể được gắn trong hộp đen của máy bay", nếu thiết bị này truyền tín hiệu liên tục , bạn sẽ có thể sử dụng hệ thống của chúng tôi để nhận tín hiệu đó". 

Giải mã những rung động
Các giải pháp công nghệ ngày nay cho vấn đề liên lạc không dây này vẫn gặp phải nhiều hạn chế khác nhau. Ví dụ, những chiếc phao được thiết kế để nhận sóng siêu âm, xử lý dữ liệu và gửi tín hiệu vô tuyến đến các thiết bị trên không trung, chúng có thể bị cuốn trôi mất. Bên cạnh đó, để đáp ứng yêu cầu về kĩ thuật, rất nhiều chiếc phao cần được trang trị trên một diện tích lớn-việc này là thiếu thực tế.

TARF bao gồm một máy phát âm thanh dưới nước gửi tín hiệu sóng âm bằng loa âm thanh tiêu chuẩn. Các tín hiệu sóng âm này di chuyển như sóng áp suất của các tần số khác nhau tương ứng với các bit dữ liệu khác nhau. Ví dụ, khi máy phát muốn gửi 0, nó có thể truyền sóng đi với tốc độ 100 hertz; cho 1, nó có thể truyền sóng 200 hertz. Khi tín hiệu chạm vào bề mặt, nó gây ra những gợn sóng nhỏ trong nước, chỉ cao vài micromet, tương ứng với những tần số đó.

Để đạt được tốc độ dữ liệu cao, hệ thống truyền nhiều tần số cùng một lúc, xây dựng trên một sơ đồ âm điệu được sử dụng trong truyền thông không dây, được gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (orthogonal frequency-division multiplexing). Điều này cho phép các nhà nghiên cứu truyền tải hàng trăm bit cùng một lúc.

Ở trên không được trang bị một loại radar tần số cực cao, có thể xử lý tín hiệu trong phổ sóng milimet của truyền dẫn không dây, từ 30 đến 300 gigahertz. (Đây là băng tần mạng không dây tần số cao 5G sắp tới sẽ đi vào hoạt động).

Radar thu tín hiệu trông giống như một cặp nón, phát ra những tín hiệu vô tuyến chạm tới bề mặt nước đang gợn sóng, những tín hiệu vô tuyến này sau đó phản xạ trở lại radar. Do cách tín hiệu va chạm với các dao động ở bề mặt nước, tín hiệu được trả về với một biên độ dao động hơi khác với lúc tín hiệu được phát đi, tương ứng chính xác với bit dữ liệu được gửi bởi tín hiệu sóng âm. Ví dụ, dao động trên mặt nước đại diện cho 0 bit sẽ làm biên độ dao động của tín hiệu phản xạ rung ở 100 hertz.

"Sự phản xạ ra-đa sẽ thay đổi một chút bất cứ khi nào có bất kỳ hình thức dịch chuyển nào trên mặt nước", Adib nói. "Bằng cách nhìn vào những thay đổi dao động nhỏ bé này, chúng ta có thể nhận ra các dao động tương ứng với những tín hiệu sóng siêu âm".

Lắng nghe những âm thanh nhỏ nhất
Một thách thức chính là việc giúp radar xác định được bề mặt nước. Để làm như vậy, các nhà nghiên cứu sử dụng một công nghệ phát hiện những phản xạ trong một môi trường và sắp xếp những phản xạ này dựa theo khoảng cách và độ mạnh. Bởi vì khi tiếp xúc với mặt nước, tín hiệu sẽ có những phản xạ mạnh mẽ nhất, do vậy radar sẽ xác định được khoảng cách đến bề mặt. Khi khoảng cách này được thiết lập, rada sẽ phóng to các rung động ở khoảng cách vừa được xác định đó, và bỏ qua tất cả các nhiễu loạn lân cận khác.

Thách thức lớn tiếp theo là bắt được sóng micromet, trong khi sóng này bị bao quanh bởi các sóng tự nhiên lớn hơn nhiều. Những gợn sóng đại dương nhỏ nhất vào những ngày biển lặng, được gọi là sóng mao dẫn, chỉ cao khoảng 2 cm, nhưng lớn hơn 100.000 lần so với những rung động. Ở một số vùng biển khác có thể tạo ra sóng lớn hơn 1 triệu lần so với những rung động. Adib nói: "Điều này ảnh hưởng đến các rung động âm thanh nhỏ ở bề mặt nước". "Như thể ai đó đang la hét trong khi bạn đang cố gắng nghe ai đó thì thầm".

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu tinh vi. Những con sóng tự nhiên xảy ra ở khoảng tần số 1 hoặc 2 hertz , tương ứng với một con sóng hoặc hai con sóng di chuyển qua vùng tín hiệu mỗi giây. Tuy nhiên, các dao động sóng âm từ 100 đến 200 hertz, nhanh gấp hàng trăm lần sóng tự nhiên. Vì sự khác biệt về tần số này, thuật toán sẽ chạy quét trên các sóng chuyển động nhanh trong khi bỏ qua các sóng chậm hơn.

Thử nghiệm thực tế
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm TARF hơn 500 lần trong một bể chứa nước và trong hai hồ bơi khác nhau trên khuôn viên của MIT.

Trong bể, radar được đặt ở khoảng cách từ 20 cm đến 40 cm trên bề mặt nước, và máy phát sóng âm thanh được đặt từ 5 cm đến 70 cm bên dưới bề mặt nước. Trong các hồ bơi, radar được đặt cách bề mặt khoảng 30 cm, trong khi máy phát được đặt khoảng 3,5 mét bên dưới. Trong những thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu cũng đã cho nhiều người bơi cùng lúc để tạo ra những con sóng cao khoảng 16 cm.

Trong cả hai cài đặt thử nghiệm ở bể và hồ bơi, TARF có thể giải mã chính xác nhiều dữ liệu khác nhau - chẳng hạn như câu, "Xin chào! từ dưới nước"- với hàng trăm bit mỗi giây, tương tự như tốc độ dữ liệu chuẩn cho giao tiếp dưới nước. Adib nói: "Ngay cả khi có những người bơi lội xung quanh gây nhiễu động dòng nước, chúng tôi vẫn có thể giải mã những tín hiệu này một cách nhanh chóng và chính xác".

Tuy nhiên, ở những con sóng cao hơn 16 cm, hệ thống không thể giải mã tín hiệu. Các bước tiếp theo của nghiên cứu sẽ là tinh chỉnh hệ thống để có thể làm việc trong vùng nước bất ổn hơn. "Hệ thống có thể làm việc tốt trong những ngày biển lặng và giải quyết một số nhiễu động sóng nước. Nhưng để làm cho hệ thống được đưa vào sử dụng thực tế, chúng tôi phải đảm bảo nó có thể hoạt động mọi lúc mọi nơi", Adib cho biết.

Aaron Schulman, một trợ lý giáo sư về khoa học máy tính và kỹ thuật tại Đại học California ở San Diego, cho biết: "TARF là hệ thống đầu tiên chứng minh rằng có thể nhận được tín hiệu âm thanh từ dưới nước bằng radar được đặt trên không". Ông hy vọng rằng "công nghệ âm thanh - radar mới này sẽ mang lại lợi ích cho các nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực phụ thuộc vào âm thanh dưới nước (ví dụ, sinh học biển), và sẽ truyền cảm hứng cho cộng đồng khoa học để nghiên cứu các cách tạo ra các liên kết âm thanh thực tế và mạnh mẽ mới".

Các nhà nghiên cứu cũng hy vọng rằng hệ thống của họ cuối cùng có thể cho phép một máy bay hoặc thiết bị không người lái bay bay gần mặt nước để liên tục nhận và giải mã tín hiệu sóng siêu âm. Nghiên cứu được hỗ trợ một phần bởi Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ.

Tin khác

Liên kết website Liên kết website

  Cổng Thông tin điện tử  SỞ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ TỈNH NGHỆ AN


Cơ quan chủ quản: Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Nghệ An. 

Số 75 Nguyễn Thị Minh Khai, TP. Vinh, Nghệ An

Điện thoại: 02383.844500 - Fax: 02383.598478

Email: khcn@khcn.nghean.gov.vn


Cơ quan thiết lập: Trung tâm Thông tin KHCN và Tin học Nghệ An
Số 75A Nguyễn Thị Minh Khai, TP. Vinh, Nghệ An
Điện thoại: 02383.837448 - 02383566380.   Email: webkhcnnghean@gmail.com
Người chịu trách nhiệm: Võ Hải Quang, Giám đốc TT Thông tin KHCN và Tin học Nghệ An
Giấy phép thiết lập số: 23/GP-TTĐT ngày 28/3/2017 do Sở TT&TT Nghệ An cấp

 

 

@ Ghi rõ nguồn ngheandost.gov.vn khi phát hành lại thông tin từ website này.