Новая технология для беспроводного интернета под водой на базе лазера: как работает и кому нужна

Автор оригинала: Michael Koziol
Aqua-Fi — это новая технология для скоростного беспроводного интернета под водой. Обычный Wi-Fi в этих условиях бессилен.

Подводные телекоммуникации всегда были проблемой. Радиосигналы, повсеместно распространенный беспроводной стандарт, в этом случае непригодны для использования, так как их полностью поглощает вода. Акустические передатчики (например, гидролокатор) работают под водой лучше, но они страдают от очень низкой скорости передачи данных. Неплохо было бы использовать Wi-Fi под водой, правда?



Система Aqua-Fi использует Wi-Fi модуль компьютера Raspberry Pi, который преобразует сигнал и передаёт его лазеру. А лазер в свою очередь передаёт сигнал на ретранслятор, который находится на поверхности воды.

Исследователи из Университета науки и технологий имени Короля Абдаллы (KAUST) в Тувале (Саудовская Аравия) разработали подводный Wi-Fi. Система, которую они называют Aqua-Fi, использует комбинацию лазеров и некоторых готовых компонентов для создания двунаправленного беспроводного соединения для подводных устройств. Система полностью соответствует беспроводным стандартам IEEE 802.11, что означает, что она может легко подключаться и функционировать как часть более крупной сети.

Вот как это работает. Допустим, у вас есть подводное устройство, которое должно передавать данные (для исследователей KAUST это были водонепроницаемые смартфоны). Затем они использовали обычный сигнал Wi-Fi, чтобы подключить это устройство к подводному «модему». В качестве модема они использовали Raspberry Pi, который преобразовывал беспроводной сигнал в оптический (в данном случае — в лазерный). Лазер посылал свой сигнал на приёмник (реле), прикреплённый к бую на поверхности воды.

Как всё начиналось?


Aqua-Fi — продолжение работы, которую исследователи KAUST начали в 2017 году, когда использовали синий лазер для передачи 1,2-гигабитного файла под водой. Но Басем Шихада, доцент кафедры информатики в KAUST и один из участников проекта Aqua-Fi, решил, что это не так масштабно, как хотелось бы: «Кому интересно передавать только один файл? Давайте сделаем нечто большее».

И тогда команда начала изучать двунаправленную связь для создания системы, способной передавать видео высокого разрешения.

Шихада говорит, что для него было важно использовать уже готовые компоненты: «Мое первое правило: я не хочу, чтобы что-то было [сделано специально для этого]». Единственным исключением стала схема для Raspberry Pi, которая преобразует беспроводной сигнал в оптический сигнал и наоборот.

Сначала команда использовала светодиоды вместо лазеров, но обнаружила, что светодиоды не были достаточно мощными для высоких скоростей передачи данных. Со светодиодами луч был ограничен расстоянием около 7 метров и скоростью передачи данных около 100 килобит в секунду. Когда они перешли на синий и зелёный лазеры, они достигли 2,11 мегабит в секунду на расстоянии 20 метров.


Два студента в KAUST разговаривают по скайпу, используя Aqua-Fi. Каждый телефон на краю чёрного ящика подключен к подводному Raspberry Pi, и зелёный лазер несколько раз отражается (кратно длине ящика), проходя расстояние в 20 метров.

Даже с учётом ограничений Raspberry Pi, исследователи KAUST смогли использовать Aqua-Fi для звонков по Skype и передачи файлов.

Какие-то проблемы?


Шихада говорит, что в настоящее время система ограничена возможностями Raspberry Pi. Команда дважды сжигала пользовательскую схему, отвечающую за преобразование оптических и беспроводных сигналов, когда пыталась использовать слишком мощный лазер. Для того, чтобы эта установка включала более мощные лазеры, которые могут передавать дальше (в метрах) и больше (в мегабитах), Raspberry Pi необходимо заменить на специальный оптический модем.

Но всё ещё существует большая проблема, которую необходимо решить, чтобы сделать такую ​​систему, как Aqua-Fi, коммерчески жизнеспособной. Нет, это не замена Raspberry Pi. Всё не так просто: настройка лазера остаётся самой сложной задачей. Поскольку лазеры очень точны, даже легкие колебания воды могут сбить луч с курса.

Исследователи KAUST рассматривают два варианта решения этой проблемы. Во-первых, можно использовать технику, аналогичную «фотонному забору», разработанному для уничтожения комаров. Направляющий лазер малой мощности будет сканировать реле. Когда соединение будет установлено, он сообщит другому лазеру с более высокой мощностью, что можно начать отправку данных. Если волны снова сместят систему, мощный лазер отключится, вновь активизируется вспомогательный направляющий лазер, и начнёт новый поиск.

Другой вариант — MIMO-подобное решение, использующее небольшой набор реле. Если лазерный излучатель немного сдвигается из-за волн, он всё равно будет поддерживать соединение.

MIMO — метод пространственного кодирования сигнала, позволяющий увеличить полосу пропускания канала, в котором передача данных и приём данных осуществляются системами из нескольких антенн (Википедия).

Кому это надо?


Зачем кому-то нужен Интернет под водой? Во-первых, существует большая потребность в сохранении и передаче больших файлов, например, в сфере дистанционного наблюдения за морской жизнью и коралловыми рифами. Видео высокой чёткости, собираемое и передаваемое беспроводными подводными камерами, может быть чрезвычайно полезным для защитников природных ресурсов.

Это также полезно для индустрии высоких технологий. Такие компании, как Microsoft, изучают возможность размещения дата-центров в море и под водой. Размещение центров обработки данных на дне океана может, возможно, сэкономить деньги как на охлаждении оборудования, так и на затратах на энергию. Особенно, если кинетическую энергию волн удастся собрать и преобразовать в электричество. Ну а раз дата-центры будут находиться под водой, то там же должен быть и интернет.



На правах рекламы


Встречайте! Впервые в России — эпичные серверы!
Мощные серверы на базе новейших процессоров AMD EPYC. Частота процессора до 3.4 GHz. Максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe!

VDSina.ru — хостинг серверов
Серверы в Москве и Амстердаме

Похожие публикации

Комментарии 21

    0
    очень интересно как 2,5 ГГц распространяются в соленой воде.
      +3
      WiFi очень плохо распространяется. С гоупро теряется связь, если опустить ее в соленую воду на пару десятков сантиметров
      +3

      Все же, по-видимому, остаётся проблема банально мутной воды — или есть способы бороться с этим?

        +3
        Припоминаю, что даже в абсолютно чистой воде луч либо рассеивается, либо поглощается и предел распространения, ЕМНИП, метров 70.
        Подозреваю, что в любом случае есть предел, дальше которого связь светом не работает.
        +3
        В случае с нырялкой в Красном море, где прозрак и по 30 метров — норма, вопрос один: как оптический модем на баллоне будет целиться в оптический модем, вывешенный на конце под яхтой?

        В случае нырялки в карьерах Подмосковья, где своих пальцев не сосчитать, никакой лазер не поможет.
          +1

          Банально, с модуляциеей сигналов иметь D140dB реальность. СТАТЕЙКА — детский лепет и бред кривой кобылы.

          +3
          imageВ чём смысл этой картинки? Водолазы должны плавать всегда под одним углом, чтобы их лазер указывал точно на приемник? :)
          Причём в тексте про водолазов вообще ни слова.
            0

            Я так понимаю, что лазер всё же рассеивается, поэтому требования к точности снижаются, плюс приёмник – некий шарик, видимо, тоже способствует снижению чувствительности к отклонению луча.


            В оригинальной статье, про водолазов, кстати, тоже ни слова. Возможно, они просто как иллюстрация, а, может, что-то вырезали перед публикацией. Можно фантазировать, что у водолаза лазер крепится на поворачивающейся сфере, например, а трекер инерционный.

            +3
            <joke водолазам тоже нужен доступ в тиндер </joke
            Вообще подводные ДЦ как конечная цель — слишком натянута. Для ДЦ важна скорость и пропускная способность канала, и для ДЦ проще и правильнее будет просто кинуть оптическую магистраль по дну.
            Передача данных с автономных подводных зондов? Так они вроде сейчас всё равно управляются по проводу (если управляются с поверхности) и по проводу же идет и телеметрия вся.
            Единственный хоть как-то оправданный случай применения — передача данных от полностью автономного бота, но и это как-то натянуто.
              +2
              дата центр с вайфаем во внешний мир? это они здорово придумали :)
                +1

                Это уже было/есть и даже в "промышленном исполнении": раз и два .

                  –1
                  В современных кораблях, самое действенное средство от лазерного пучка — распыление воды в виде пара. Как это может под водой эффективно, что то передавать — вообще загадка.
                  Дистилят, разве что может помочь.
                    +3
                    Над водой взметаются фонтанчики, аппарат быстро погружается.
                    Фонтанчики опадают, остаются только бугорки на воде. Сквозь рябь аппарат
                    кажется желтой кляксой. Он разворачивается носом вниз и быстро исчезает из
                    виду.
                    — У меня всегда сердце екает, когда такая дорогая штуковина уходит
                    невесть куда, — задумчиво говорит Дуг Шафто.
                    Вода вокруг начинает лучиться жутким противоестественным светом, как
                    радиация в дешевом ужастике.
                    — С ума сойти! Лазер? — спрашивает Рэнди.
                    — Установленный в основании корпуса, — говорит Дуг. — Легко
                    пробивает даже бурную воду.
                    — В каком диапазоне он может передавать?
                    — Сейчас Ами видит у себя на экране вполне приличное монохромное
                    видео, если ты об этом. Все цифровое. Все пакетное. Если какие нибудь данные
                    не проходят, картинка рябит, но совсем не пропадает.

                    © Neal Stephenson, «Cryptonomicon» 1999
                      0
                      В статье куча ссылок разной степени очевидности и полезности, однако на самое главное сослаться почему-то забыли. Было бы неплохо ещё сравнить с подходом к беспроводной передаче данных посредством магнитной индукции.
                        +3
                        14.10.03
                        Из-за перемешивания холодных и теплых слоев воды вышел из строя лазерный передатчик. Радио не работает из-за сильных естественных помех. Сидим без связи. Клюворылкинс, наш связист, в унынии.

                        16.10.03
                        Пошли просить помощи у русских. Капитан Моржов привязал записку к резиновому мячику и отпустил его. Мячик уплыл вверх. Через полчаса сверху упал кирпич с привязанным ответом. Моржов дал нам несколько мячиков и просил, чтобы кирпичи не выбрасывали, они — флотское имущество. С Клюворылкинсом случилась истерика.
                          +1

                          Интересно, а как лазер ведет себя в реальной водной среде, где слои, течения, кавитация, поверхностное волнение и др. (все, что создает многолучевость)?.

                            +1
                            Лазер, как и любые оптические системы, работают только в прямой видимости.
                            Если видимость вообще есть.

                            Пока альтернативе ультразвуку в беспроводных подводных системах связи не видать. Ну хоть со скоростью звука в воде повезло.
                              +1
                              А как-же ЗЕВС?
                                0
                                Оно для передачи данных не эффективно, т. к. крайне узкая полоса пропускания.
                                Если только для каких то единичных-разовых команд, как его скорее всего и используют.
                                  0
                                  Смотря каких данных. Для какой-нить телеметрии вполне. И потом вы утверждали что альтернатив нет. А они есть. Другое дело что такая вундервафля энергию жрёт как не в себя.
                              0

                              Может быть Джеймс Кэмерон в своём Аватаре 2 что-то наработал на проблему позиционирования? У него там первый качественный подводный захват движения.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое