MITの研究者らは、キロメートルの範囲にわたって信号を送信できる初の超低電力水中ネットワーキングおよび通信システムを実証した。研究者が数年前に開発を始めたこの技術は、既存の水中通信方法に比べて消費電力が約100万分の1である。研究者らは、バッテリー不要のシステムの通信範囲を拡張することで、この技術を水産養殖、沿岸ハリケーン予測、気候変動モデリングなどの用途でより実現可能にしています。
「100万分の1の電力での水中通信は、ほんの数年前には非常にエキサイティングなアイデアでしたが、今では実現可能です。解決すべき興味深い技術的課題はまだいくつかありますが、現状から導入までの明確な道筋はあります」と、電気工学・コンピュータサイエンス学科の准教授であり、MITメディアラボの信号ダイナミクスグループのディレクターであるファデル・アディブ氏は述べた。
このデバイスは、バッテリー不要の水中通信を可能にする圧電センサーアレイです。画像出典：研究者提供
水中後方散乱は、データを音波にエンコードし、反射または散乱して受信機に戻ることにより、低電力通信を可能にします。これらの革新により、反射信号をより正確に信号源に導くことが可能になります。
この「逆指向性」により、間違った方向に散乱される信号が少なくなり、より効率的で長距離の通信が可能になります。川や海洋でテストしたところ、逆方向デバイスは以前のデバイスの 15 倍以上の範囲で通信できました。ただし、実験は研究者が利用できるドックの長さによって制限されました。
水中後方散乱の限界をより深く理解するために、チームは技術の最大射程を予測する分析モデルも開発しました。彼らは実験データを使用してモデルを検証し、逆方向システムがキロメートルの範囲にわたって通信できることを示しました。
研究者らはこれらの発見を、今年の ACMSIGCOMM および MobiCom カンファレンスで発表される 2 つの論文で共有しました。 Adib は、これら 2 つの論文の上級著者です。同氏は、元博士研究員で現在ミシガン大学助教授の Aline Eid 氏、研究助手の Jack Rademacher 氏、研究助手の Waleed Akbar 氏、Purui Wang 氏、博士研究員の Ahmed Allam 氏と SIGCOMM 論文の共著者です。 MobiCom 論文の共同筆頭著者も Akbar と Allam です。
3 人のチームメンバーがウッズホール研究所で実験を行っています。画像出典：研究者提供
音波を使って通信する
水中後方散乱通信デバイスは、「圧電」材料で作られたノードのアレイを利用して音波を受信および反射します。これらの材料は、機械的な力が作用すると電気信号を生成します。
音波がノードに当たると、ノードが振動し、機械エネルギーが電荷に変換されます。ノードは電荷を使用して音響エネルギーの一部を音源に散乱させてデータを送信し、受信機は一連の反射に基づいてデータを復号します。ただし、後方散乱信号は全方向に伝播するため、音源に到達するのはごく一部だけであり、信号強度が低下し、通信範囲が制限されます。
この問題を克服するために、研究者らは、Van Atta アレイと呼ばれる 70 年前の無線装置を利用しました。このアレイでは、アレイが信号源の方向にエネルギーを反射するように、対称的な 1 対のアンテナが接続されています。
ただし、圧電ノードを接続して Van Atta アレイを形成すると、効率が低下します。研究者らは、接続されたノードのペアの間に変圧器を配置することで、この問題を回避しました。変圧器は電気エネルギーをある回路から別の回路に転送し、ノードが最大のエネルギーを電源に反射できるようにします。
「両方のノードが受信し、両方のノードが反射しているので、非常に興味深いシステムです」とエドは説明します。 「システム内の要素の数が増えると、より長い通信距離を可能にするアレイを構築できます。」
さらに、クロス極性スイッチングと呼ばれる技術を使用して、反射信号内のバイナリ データをエンコードしました。各ノードにはプラス端子とマイナス端子があるため (車のバッテリーと同様)、2 つのノードのプラス端子が接続され、2 つのノードのマイナス端子が接続されると、反射信号は「1 ビット」になります。
しかし、研究者が極性を逆にして、負極と正極を互いに接続すると、反射信号は「ゼロ」になります。
「単に圧電ノードを接続するだけでは十分ではありません。2 つのノードの極性を交互に変えることで、リモートの受信機にデータを送り返すことができます」と Rademacher 氏は説明します。
VanAtta アレイを構築する際、研究者らは、接続されたノードが近すぎると、互いの信号をブロックしてしまうことを発見しました。彼らは、信号がどの方向からでもアレイに到達できるようにノードがインターリーブされる新しい設計を考案しました。このスケーラブルな設計では、アレイ内のノードが増えるほど通信範囲が広がります。
彼らはウッズホール海洋研究所と協力して、マサチューセッツ州ケンブリッジのチャールズ川とマサチューセッツ州ファルマス沖の大西洋でアレイの1,500以上の実験テストを実施した。このデバイスの通信距離は 300 メートルで、これは以前に実証されたものの 15 倍以上です。
しかし、ドックのスペースが不十分だったため、実験を短縮する必要がありました。
シミュレーションの最大値
これに触発されて、研究者らは、この新しい水中後方散乱技術の理論的および実際的な通信限界を決定するための分析モデルを構築することにしました。研究チームは、無線周波数識別 (RFID) に関するグループの研究に基づいて、圧電ノードのサイズや信号の入力電力などのシステム パラメーターがデバイスの水中動作範囲に及ぼす影響を捉えるモデルを作成しました。
「これは従来の通信技術ではないため、反射を定量化する方法を理解する必要があります。このプロセスにおけるさまざまなコンポーネントの役割は何ですか?」アクバル氏は語った。たとえば、研究者は、特定のサイズの水中の圧電ノードから反射される信号の量を捕捉する関数を導き出す必要がありましたが、これはモデル開発における最大の課題の 1 つでした。
彼らはこれらの洞察を利用して、ユーザーが入力電力や圧電ノードのサイズなどの情報を入力し、システムの予想範囲を示す出力を取得できるプラグアンドプレイ モデルを作成しました。
彼らは実験データに対してモデルを評価し、このモデルが平均誤差 1 dB 未満で逆音響信号の範囲を正確に予測できることを発見しました。このモデルを使用して、彼らは水中後方散乱アレイが数キロメートルもの通信距離を達成できる可能性があることを発見しました。
アディブ氏は、「われわれは新たな海洋技術を開発し、それをわれわれが取り組んできた6Gセルラーネットワークの領域に押し込んでいる」と述べた。 「私たちは今、このテクノロジーを現実に非常に近いものとして認識し始めているので、これは私たちにとって非常に意味のあることです。」
研究者らは、より長い通信距離を評価できるよう、おそらく船舶を使用して、水中後方散乱 VanAtta アレイの研究を継続する予定です。同時に、他の研究者がそれらを基にして構築できるように、ツールとデータセットをリリースすることも計画しています。同時に実用化に向けた動きも始まっている。
「水中後方散乱ネットワークでは範囲が限られていることが未解決の問題であり、現実世界のアプリケーションでの使用を妨げています。」 UCLAのコンピューターサイエンス助教授オミッド・アバリ氏は、「この論文により、水中通信が最小限のエネルギーで動作しながら長距離伝送を実現できるようになり、将来の水中通信が可能になる」と述べた。この論文は、コミュニケーションの分野において重要な一歩を踏み出しました。この論文では、VanAttaReflector アレイ技術を水中後方散乱環境に初めて導入し、通信範囲を数桁拡大するこの技術の利点を実証します。これにより、バッテリー不要の水中通信が現実に一歩近づき、水中気候変動監視や沿岸監視などの用途が可能になります。」