이 장치를 사용하면 장거리 저전력 수중 통신이 가능합니다.

MIT(매사추세츠 공과대학) 연구원들이 최대 1km 거리까지 신호를 전송할 수 있는 세계 최초의 초저전력 수중 통신 및 네트워킹 시스템을 시연했습니다.

연구자들이 몇 년 전부터 개발을 시작한 이 기술은 수중 통신 방식에 사용되는 에너지의 약 100만분의 1을 사용한다. 연구원들은 배터리가 필요 없는 시스템의 연결을 확장함으로써 양식업, 해안 사이클론 예측 및 기후 변화 모델링과 같은 응용 분야에서 이 기술을 더욱 실현 가능하게 만들고 있습니다.

“몇 년 전 매우 흥미진진한 지적 아이디어로 시작된 것, 즉 백만 배 더 낮은 전력으로 수중 통신이 이제는 실용적이고 현실화되었습니다. 아직 해결해야 할 몇 가지 흥미로운 기술적 과제가 있지만 우리가 나아갈 방향은 분명합니다. MIT 미디어 랩의 신호 역학 그룹 이사이자 전기 공학 및 컴퓨터 과학과 부교수인 Fadel Adeeb는 이렇게 말했습니다. “이제 출판이 시작되었습니다.”

수중 후방 산란은 데이터를 수신기를 향해 다시 반사하거나 산란시키는 음파로 인코딩하여 저전력 통신을 가능하게 합니다. 이러한 혁신을 통해 반사된 신호를 소스로 더욱 정확하게 보낼 수 있습니다.

이러한 “역방향”으로 인해 잘못된 방향으로 분산되는 신호가 줄어들어 보다 효율적이고 장거리 통신이 가능해집니다.

강과 바다에서 테스트했을 때 개조 라우터는 이전 장치보다 15배 이상 더 먼 연결 범위를 보여주었습니다. 그러나 실험은 연구자가 이용할 수 있는 정박 기간에 따라 제한되었습니다.

수중 후방 산란의 한계를 더 잘 이해하기 위해 팀은 기술의 최대 범위를 예측하는 분석 모델도 개발했습니다. 실험 데이터를 사용하여 검증된 모델은 역행 유도 시스템이 최대 1km 거리에서 통신할 수 있음을 보여주었습니다.

연구원들은 올해 ACM SIGCOMM 및 MobiCom 컨퍼런스에서 발표될 두 개의 논문에서 이러한 결과를 공유했습니다. 우리는 두 논문의 수석 저자인 Adeeb와 합류했습니다. 시그콤 제지 공동 저자인 전 박사후 연구원이자 현재 미시간 대학교 조교수인 Aline Eid와 연구 조교인 Jack Rademacher가 집필했습니다. 연구원 Waleed Akbar, Purui Wang 및 박사후 연구원 Ahmed Allam 외에도. 그만큼 모비콤페이퍼 또한 주요 저자인 Akbar와 Alam이 작성했습니다.

초음파 통신

수중 후방 산란 통신 장치는 “압전” 재료로 만들어진 노드 세트를 사용하여 음파를 수신하고 반사합니다. 이러한 물질은 기계적 힘이 가해질 때 전기 신호를 생성합니다.

음파가 노드에 부딪히면 진동하고 기계적 에너지를 전하로 변환합니다. 노드는 이 전하를 사용하여 소리 에너지의 일부를 소스로 다시 분산시키고, 반사 시퀀스에 따라 수신기가 디코딩하는 데이터를 전송합니다.

그러나 반환된 신호는 모든 방향으로 이동하기 때문에 일부만 소스에 도달하므로 신호 강도가 감소하고 통신 범위가 제한됩니다.

이 문제를 극복하기 위해 연구원들은 반아타 어레이(van-atta array)라고 불리는 70년 된 무선 장치를 사용했습니다. 이 장치에서는 동일한 쌍의 안테나가 어레이가 원래 방향으로 에너지를 다시 반사하는 방식으로 연결되었습니다.

그러나 Van Atta 매트릭스를 생성하기 위해 압전 노드를 연결하면 효율성이 떨어집니다. 연구원들은 연결된 노드 쌍 사이에 변압기를 배치하여 이 문제를 피했습니다. 한 회로에서 다른 회로로 전기 에너지를 전달하는 변압기를 사용하면 노드가 최대 에너지량을 소스로 다시 반사할 수 있습니다.

“두 노드 모두 수신하고 두 노드 모두 반사하므로 매우 흥미로운 시스템입니다. 이 시스템의 요소 수를 늘리면 훨씬 더 긴 통신 범위를 달성할 수 있는 매트릭스를 구축할 수 있습니다.”라고 Eid는 설명합니다.

또한 그들은 이진 데이터를 반사 신호로 인코딩하기 위해 교차 극성 전환이라는 기술을 사용했습니다. 각 노드에는 양극 단자와 음극 단자(예: 자동차 배터리)가 있으므로 두 노드의 양극 단자가 연결되고 두 노드의 음극 단자가 연결될 때 반사되는 신호는 “1비트”입니다.

그러나 연구자들이 극성을 바꾸고 대신 음극과 양극 단자가 서로 연결되면 반전은 “0 비트”가 될 것입니다.

“압전 노드를 함께 연결하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 두 노드 사이의 극을 전환함으로써 데이터를 원격 수신기로 다시 전송할 수 있습니다”라고 Rademacher는 설명합니다.

연구진은 Van Atta 어레이를 구축할 때 연결된 노드가 너무 가까우면 서로의 신호를 차단한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 신호가 모든 방향에서 매트릭스에 도달할 수 있도록 노드가 겹치는 새로운 디자인을 만들었습니다. 이러한 확장 가능한 설계를 통해 어레이에 노드가 많을수록 통신 범위가 더 커집니다.

그들은 Woods Hole Oceanographic Institution과 협력하여 매사추세츠 주 케임브리지의 찰스 강과 매사추세츠 주 팰머스 해안의 대서양에서 1,500회 이상의 실험 시험을 통해 어레이를 테스트했습니다. 이 장치는 이전에 시연했던 것보다 15배 더 긴 최대 300m의 통신 범위를 달성했습니다.

그러나 보도에 공간이 부족했기 때문에 시험 기간을 단축해야 했습니다.

맥스 모델링

이는 연구원들이 새로운 수중 후방 산란 기술의 이론적, 실제적 통신 한계를 결정하기 위한 분석 모델을 구축하도록 영감을 주었습니다.

RFID 장치에 대한 그룹의 작업을 기반으로 팀은 압전 노드의 크기 및 신호의 입력 에너지와 같은 시스템 매개변수가 장치의 수중 작동 범위에 미치는 영향을 포착하는 모델을 신중하게 만들었습니다.

“전통적인 통신 기술이 아니기 때문에 반사율을 측정하는 방법을 이해해야 합니다. 이 과정에서 다양한 구성 요소의 역할은 무엇입니까?” 악바르는 말합니다.

예를 들어, 연구자들은 주어진 크기의 수중 압전 노드에서 반사되는 신호의 양을 포착하는 함수를 추출해야 했는데, 이는 모델 개발의 가장 큰 과제 중 하나였습니다.

그들은 이러한 아이디어를 사용하여 사용자가 입력 전력 및 압전 노드 치수와 같은 정보를 입력하고 시스템의 예상 범위를 보여주는 출력을 수신할 수 있는 플러그 앤 플레이 모델을 만들었습니다.

그들은 파일럿 실험의 데이터를 기반으로 모델을 평가한 결과 1데시벨 미만의 평균 오류로 역행 오디오 신호의 범위를 정확하게 예측할 수 있음을 발견했습니다.

이 모델을 사용하여 그들은 수중 후방 산란 배열이 최대 1km의 통신 범위를 달성할 수 있음을 보여주었습니다.

Adib은 “우리는 바다를 위한 새로운 기술을 개발하고 이를 6G 셀룰러 네트워크를 위해 해왔던 영역으로 밀어넣고 있습니다. 이제 우리가 이것을 보기 시작했기 때문에 우리에게는 매우 보람 있는 일입니다.”라고 말했습니다. 현실에 가깝다”

연구원들은 더 긴 통신 범위를 평가할 수 있도록 보트를 사용하여 수중 Van Atta 어레이를 계속 연구할 계획입니다. 그 과정에서 그들은 다른 연구자들이 자신의 연구를 기반으로 구축할 수 있도록 도구와 데이터세트를 공개할 계획입니다. 동시에, 그들은 이 기술의 상용화를 향해 움직이기 시작했습니다.

“제한된 범위는 수중 후방 산란 네트워크의 공개 문제로, 실제 응용 프로그램에서의 사용을 불가능하게 합니다. 이 논문은 장거리 통신을 달성하면서 최소한의 전력으로 작동할 수 있도록 함으로써 수중 통신의 미래를 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. “라고 Omid는 말합니다. “이 논문은 수중 후방 산란 설정에 Van Atta Reflector 기술을 처음으로 도입했으며 통신 범위를 기하급수적으로 향상시키는 이점을 입증했습니다. 이를 통해 배터리 없는 수중 통신이 현실화되고 수중 기후 변화 모니터링 및 해안 모니터링과 같은 애플리케이션이 가능해집니다.”

이 연구는 Office of Naval Research, Sloan Research Fellowship, National Science Foundation, MIT Media Laboratory 및 Doherty Chair in Ocean Use의 일부 자금 지원을 받았습니다.