أظهر باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أول نظام اتصالات وشبكات تحت الماء منخفض الطاقة يمكنه نقل الإشارات على مسافة كيلومتر واحد. وتستخدم هذه التكنولوجيا، التي بدأ الباحثون في تطويرها منذ عدة سنوات، طاقة أقل بنحو مليون مرة من وسائل الاتصال الموجودة تحت الماء. ومن خلال توسيع نطاق الاتصالات للأنظمة الخالية من البطاريات، يجعل الباحثون هذه التكنولوجيا أكثر جدوى لتطبيقات مثل تربية الأحياء المائية، والتنبؤ بالأعاصير الساحلية، ونمذجة تغير المناخ.

قال فاضل أديب، الأستاذ المشارك في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ومدير مجموعة Signal Dynamics في مختبر الوسائط بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "كانت الاتصالات تحت الماء بطاقة أقل بمليون مرة فكرة مثيرة للغاية قبل بضع سنوات فقط، لكنها الآن ممكنة. وبينما لا تزال هناك بعض التحديات التقنية المثيرة للاهتمام التي تحتاج إلى حل، إلا أن هناك طريقًا واضحًا من حيث نحن الآن إلى النشر".

الجهاز عبارة عن مجموعة مستشعرات كهرضغطية تتيح إجراء اتصالات تحت الماء بدون بطارية. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين

يتيح التشتت الخلفي تحت الماء اتصالات منخفضة الطاقة عن طريق تشفير البيانات في موجات صوتية تنعكس بعد ذلك أو تنتشر مرة أخرى إلى جهاز الاستقبال. تسمح هذه الابتكارات بتوجيه الإشارات المنعكسة بشكل أكثر دقة إلى المصدر.

وبسبب هذا "الاتجاه العكسي"، يتم تشتيت إشارة أقل في الاتجاه الخاطئ، مما يسمح باتصالات أكثر كفاءة وأطول مدى. عند اختباره في الأنهار والمحيطات، قام جهاز الاتجاه العكسي بالاتصال بأكثر من 15 ضعف نطاق الأجهزة السابقة. ومع ذلك، كانت التجارب محدودة بسبب طول الرصيف المتاح للباحثين.

ومن أجل فهم أفضل لحدود التشتت الخلفي تحت الماء، قام الفريق أيضًا بتطوير نموذج تحليلي للتنبؤ بالمدى الأقصى للتكنولوجيا. لقد تحققوا من صحة النموذج باستخدام بيانات تجريبية، موضحين أن نظامهم الموجه عكسيًا يمكنه التواصل عبر نطاق كيلومتر واحد.

شارك الباحثون هذه النتائج في ورقتين سيتم تقديمهما في مؤتمري ACMSIGCOMM وMobiCom لهذا العام. أديب هو المؤلف الرئيسي لهاتين الورقتين. شارك في تأليف ورقة SIGCOMM مع زميلة ما بعد الدكتوراه السابقة ألين عيد، وهي الآن أستاذ مساعد في جامعة ميشيغان، ومساعد الباحث جاك راديماخر، بالإضافة إلى مساعدي الباحثين وليد أكبر، وبوروي وانغ، وزميل ما بعد الدكتوراه أحمد علام. المؤلفون الأوائل المشاركون في ورقة MobiCom هم أيضًا أكبر وعلام.

يقوم ثلاثة من أعضاء الفريق بإجراء تجارب في معهد وودز هول للأبحاث. مصدر الصورة: مقدمة من الباحثين

التواصل باستخدام الموجات الصوتية

تستخدم أجهزة الاتصالات ذات التشتت الخلفي تحت الماء صفائف من العقد المصنوعة من مواد "كهرضغطية" لاستقبال الموجات الصوتية وعكسها. تنتج هذه المواد إشارات كهربائية عند التأثير عليها بواسطة قوى ميكانيكية.

عندما تضرب الموجات الصوتية العقد، فإنها تهتز وتحول الطاقة الميكانيكية إلى شحنات كهربائية. تستخدم العقدة الشحنات الكهربائية لتشتيت جزء من الطاقة الصوتية مرة أخرى إلى المصدر، ونقل البيانات، ويقوم جهاز الاستقبال بفك تشفير البيانات بناءً على تسلسل الانعكاسات. ومع ذلك، نظرًا لأن الإشارات المتناثرة تنتشر في جميع الاتجاهات، فإن جزءًا صغيرًا فقط يصل إلى مصدر الصوت، مما يقلل من قوة الإشارة ويحد من نطاق الاتصال.

للتغلب على هذه المشكلة، استفاد الباحثون من جهاز راديو عمره 70 عامًا يسمى مصفوفة فان أتا، حيث يتم توصيل زوج متماثل من الهوائيات بطريقة تجعل المصفوفة تعكس الطاقة مرة أخرى في اتجاه مصدر الإشارة.

ومع ذلك، فإن توصيل العقد الكهرضغطية لتشكيل مصفوفة Van Atta يقلل من كفاءتها. وقد تجنب الباحثون هذه المشكلة عن طريق وضع محول بين أزواج من العقد المتصلة. تقوم المحولات بنقل الطاقة الكهربائية من دائرة إلى أخرى، مما يسمح للعقد بعكس الحد الأقصى من الطاقة إلى المصدر.

"كلا العقدتين تتلقيان، وكلا العقدتين تنعكسان، لذا فهو نظام مثير للاهتمام للغاية"، يوضح إد. "مع زيادة عدد العناصر في النظام، يمكنك بناء مصفوفة تسمح بمسافات اتصال أطول."

بالإضافة إلى ذلك، استخدموا تقنية تسمى تبديل القطبية المتقاطعة لتشفير البيانات الثنائية في الإشارة المنعكسة. تحتوي كل عقدة على طرف موجب وطرف سالب (مثل بطارية السيارة)، لذلك عندما يتم توصيل الأطراف الموجبة للعقدتين وتوصيل الأطراف السالبة للعقدتين، تكون الإشارة المنعكسة "1 بت".

لكن إذا عكس الباحثون القطبية وربطوا القطبين السالب والموجب ببعضهما البعض، فإن الإشارة المنعكسة تكون "صفر".

"لا يكفي مجرد توصيل العقد الكهرضغطية معًا. فمن خلال تبديل قطبية العقدتين، يمكننا نقل البيانات مرة أخرى إلى جهاز الاستقبال البعيد"، يشرح راديماخر.

عند بناء مصفوفة VanAtta، اكتشف الباحثون أنه إذا كانت العقد المتصلة قريبة جدًا، فإنها ستحجب إشارات بعضها البعض. لقد ابتكروا تصميمًا جديدًا يتم فيه تشذير العقد بحيث يمكن للإشارات الوصول إلى المصفوفة من أي اتجاه. باستخدام هذا التصميم القابل للتطوير، كلما زاد عدد العقد في المصفوفة، زاد نطاق الاتصال.

ومن خلال العمل مع معهد وودز هول لعلوم المحيطات، أجروا أكثر من 1500 اختبار تجريبي للمصفوفة على نهر تشارلز في كامبريدج، ماساتشوستس، وفي المحيط الأطلسي قبالة ساحل فالماوث، ماساتشوستس. يحتوي الجهاز على نطاق اتصال يصل إلى 300 متر، وهو أطول بأكثر من 15 مرة مما أظهروه سابقًا.

ومع ذلك، نظرًا لعدم كفاية مساحة الرصيف، اضطروا إلى تقصير التجربة.

محاكاة الحد الأقصى

ألهم هذا الباحثين لبناء نموذج تحليلي لتحديد حدود الاتصال النظرية والعملية لتقنية التشتت الخلفي تحت الماء الجديدة. بناءً على أبحاث مجموعتهم في تحديد الترددات الراديوية (RFID)، قام فريق البحث بصياغة نموذج لالتقاط تأثير معلمات النظام، مثل حجم العقد الكهرضغطية وقوة إدخال الإشارة، على نطاق التشغيل تحت الماء للجهاز.

"هذه ليست تكنولوجيا اتصالات تقليدية، لذا عليك أن تفهم كيفية قياس الانعكاسات. ما هي أدوار المكونات المختلفة في هذه العملية؟" قال أكبر. على سبيل المثال، احتاج الباحثون إلى استخلاص دالة تلتقط كمية الإشارة المنعكسة من عقدة كهرضغطية تحت الماء ذات حجم معين، وهو ما كان أحد أكبر التحديات في تطوير النموذج.

لقد استخدموا هذه الأفكار لإنشاء نموذج التوصيل والتشغيل حيث يمكن للمستخدمين إدخال معلومات مثل طاقة الإدخال وحجم العقدة الكهرضغطية والحصول على مخرجات توضح النطاق المتوقع للنظام.

قاموا بتقييم النموذج مقابل البيانات التجريبية ووجدوا أن النموذج يمكنه التنبؤ بدقة بنطاق الإشارات الصوتية العكسية بمتوسط ​​خطأ أقل من 1 ديسيبل. وباستخدام هذا النموذج، وجدوا أن مصفوفات التشتت الخلفي تحت الماء لديها القدرة على تحقيق مسافات اتصال يبلغ طولها كيلومترات.

وقال أديب: "نحن نبتكر تكنولوجيا جديدة للمحيطات وندفعها إلى عالم شبكات الجيل السادس الخلوية التي كنا نقوم بها". "إنه أمر ذو معنى كبير بالنسبة لنا لأننا بدأنا الآن نرى هذه التكنولوجيا قريبة جدًا من الواقع."

يخطط الباحثون لمواصلة دراسة مصفوفة VanAtta المتناثرة تحت الماء، وربما باستخدام السفن، حتى يتمكنوا من تقييم نطاقات الاتصال الأطول. وفي الوقت نفسه، يخططون أيضًا لإصدار أدوات ومجموعات بيانات حتى يتمكن الباحثون الآخرون من البناء عليها. وفي الوقت نفسه، بدأوا أيضًا في التحرك نحو تسويق التكنولوجيا.

"لقد كان النطاق المحدود مشكلة مفتوحة لشبكات التشتت الخلفي تحت الماء، مما يعيق استخدامها في تطبيقات العالم الحقيقي." وقال أوميد أباري، الأستاذ المساعد لعلوم الكمبيوتر في جامعة كاليفورنيا: "هذه الورقة تمكن الاتصالات تحت الماء من تحقيق الإرسال لمسافات طويلة مع العمل بأقل قدر من الطاقة، وبالتالي تمكين الاتصالات تحت الماء في المستقبل". تتخذ هذه الورقة خطوة مهمة إلى الأمام في مجال الاتصالات. تقدم هذه الورقة تقنية مجموعة VanAttaReflector في بيئة التشتت الخلفي تحت الماء لأول مرة وتوضح مزايا هذه التقنية في زيادة نطاق الاتصال بعدة أوامر من حيث الحجم. وهذا يمكن أن يجعل الاتصالات تحت الماء بدون بطارية أقرب إلى الواقع، مما يتيح تطبيقات مثل مراقبة تغير المناخ تحت الماء ومراقبة السواحل.