एमआईटी के शोधकर्ताओं ने पहली अल्ट्रा-लो-पावर अंडरवाटर नेटवर्किंग और संचार प्रणाली का प्रदर्शन किया है जो एक किलोमीटर रेंज में सिग्नल प्रसारित कर सकता है। तकनीक, जिसे शोधकर्ताओं ने कई साल पहले विकसित करना शुरू किया था, मौजूदा पानी के नीचे संचार विधियों की तुलना में लगभग दस लाख गुना कम बिजली का उपयोग करती है। बैटरी-मुक्त प्रणालियों की संचार सीमा का विस्तार करके, शोधकर्ता प्रौद्योगिकी को जलीय कृषि, तटीय तूफान की भविष्यवाणी और जलवायु परिवर्तन मॉडलिंग जैसे अनुप्रयोगों के लिए अधिक व्यवहार्य बना रहे हैं।
इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर साइंस विभाग में एसोसिएट प्रोफेसर और एमआईटी मीडिया लैब में सिग्नल डायनेमिक्स ग्रुप के निदेशक फादेल अदीब ने कहा, "कुछ साल पहले लाखों गुना कम बिजली पर पानी के नीचे संचार एक बहुत ही रोमांचक विचार था, लेकिन अब यह संभव है। हालांकि अभी भी कुछ दिलचस्प तकनीकी चुनौतियां हैं, जिन्हें हल करने की जरूरत है, अब हम जहां तैनाती के लिए हैं, वहां से एक स्पष्ट रास्ता है।"
यह डिवाइस एक पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर ऐरे है जो बैटरी-मुक्त पानी के नीचे संचार को सक्षम बनाता है। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
अंडरवाटर बैकस्कैटर ध्वनि तरंगों में डेटा को एन्कोड करके कम-शक्ति संचार को सक्षम बनाता है जो फिर रिसीवर पर प्रतिबिंबित या बिखरा हुआ होता है। ये नवाचार प्रतिबिंबित संकेतों को स्रोत तक अधिक सटीक रूप से निर्देशित करने की अनुमति देते हैं।
इस "रिवर्स डायरेक्टिविटी" के कारण, कम सिग्नल गलत दिशा में बिखरता है, जिससे अधिक कुशल, लंबी दूरी के संचार की अनुमति मिलती है। जब नदियों और महासागरों में परीक्षण किया गया, तो रिवर्स-दिशा डिवाइस ने पिछले उपकरणों की तुलना में 15 गुना से अधिक दूरी पर संचार किया। हालाँकि, प्रयोग शोधकर्ताओं के लिए उपलब्ध गोदी की लंबाई के कारण सीमित थे।
पानी के भीतर बैकस्कैटरिंग की सीमाओं को बेहतर ढंग से समझने के लिए, टीम ने प्रौद्योगिकी की अधिकतम सीमा की भविष्यवाणी करने के लिए एक विश्लेषणात्मक मॉडल भी विकसित किया। उन्होंने प्रायोगिक डेटा का उपयोग करके मॉडल को मान्य किया, जिससे पता चला कि उनकी रिवर्स-निर्देशित प्रणाली एक किलोमीटर की सीमा से अधिक संचार कर सकती है।
शोधकर्ताओं ने इन निष्कर्षों को दो पेपरों में साझा किया है जिन्हें इस साल के ACMSIGCOMM और MobiCom सम्मेलनों में प्रस्तुत किया जाएगा। अदीब इन दोनों पत्रों के वरिष्ठ लेखक हैं। उन्होंने पूर्व पोस्टडॉक्टरल साथी एलाइन ईद, जो अब मिशिगन विश्वविद्यालय में सहायक प्रोफेसर हैं, और अनुसंधान सहायक जैक रेडेमाकर, साथ ही अनुसंधान सहायक वलीद अकबर, पुरुई वांग और पोस्टडॉक्टरल साथी अहमद अल्लम के साथ SIGCOMM पेपर का सह-लेखन किया। MobiCom पेपर के सह-प्रथम लेखक भी अकबर और अल्लम हैं।
टीम के तीन सदस्य वुड्स होल रिसर्च इंस्टीट्यूट में प्रयोग करते हैं। छवि स्रोत: शोधकर्ताओं द्वारा प्रदान किया गया
ध्वनि तरंगों का उपयोग करके संचार करें
पानी के नीचे बैकस्कैटर संचार उपकरण ध्वनि तरंगों को प्राप्त करने और प्रतिबिंबित करने के लिए "पीज़ोइलेक्ट्रिक" सामग्री से बने नोड्स की सरणी का उपयोग करते हैं। यांत्रिक बलों द्वारा क्रिया किए जाने पर ये सामग्रियां विद्युत संकेत उत्पन्न करती हैं।
जब ध्वनि तरंगें नोड्स से टकराती हैं, तो वे कंपन करती हैं और यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत आवेश में परिवर्तित करती हैं। नोड ध्वनिक ऊर्जा के हिस्से को वापस स्रोत में बिखेरने, डेटा संचारित करने के लिए विद्युत आवेशों का उपयोग करता है, और रिसीवर प्रतिबिंबों के अनुक्रम के आधार पर डेटा को डिकोड करता है। हालाँकि, क्योंकि बैकस्कैटर सिग्नल सभी दिशाओं में फैलते हैं, केवल एक छोटा सा हिस्सा ध्वनि स्रोत तक पहुंचता है, जिससे सिग्नल की शक्ति कम हो जाती है और संचार सीमा सीमित हो जाती है।
इस समस्या को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने वैन अट्टा ऐरे नामक 70 साल पुराने रेडियो उपकरण का लाभ उठाया, जिसमें एंटेना की एक सममित जोड़ी इस तरह से जुड़ी हुई है कि ऐरे सिग्नल के स्रोत की दिशा में ऊर्जा को वापस प्रतिबिंबित करता है।
हालाँकि, वैन आटा सरणी बनाने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक नोड्स को जोड़ने से इसकी दक्षता कम हो जाती है। शोधकर्ताओं ने जुड़े हुए नोड्स के जोड़े के बीच एक ट्रांसफार्मर रखकर इस समस्या से बचा लिया। ट्रांसफार्मर विद्युत ऊर्जा को एक सर्किट से दूसरे सर्किट में स्थानांतरित करते हैं, जिससे नोड्स अधिकतम ऊर्जा को स्रोत पर वापस प्रतिबिंबित कर सकते हैं।
"दोनों नोड्स प्राप्त कर रहे हैं, और दोनों नोड्स प्रतिबिंबित कर रहे हैं, इसलिए यह एक बहुत ही दिलचस्प प्रणाली है," एड बताते हैं। "जैसे-जैसे सिस्टम में तत्वों की संख्या बढ़ती है, आप एक ऐसी सरणी बना सकते हैं जो लंबी संचार दूरी की अनुमति देती है।"
इसके अतिरिक्त, उन्होंने परावर्तित सिग्नल में बाइनरी डेटा को एन्कोड करने के लिए क्रॉस-पोलैरिटी स्विचिंग नामक एक तकनीक का उपयोग किया। प्रत्येक नोड में एक सकारात्मक और एक नकारात्मक टर्मिनल होता है (कार बैटरी की तरह), इसलिए जब दो नोड्स के सकारात्मक टर्मिनल जुड़े होते हैं और दो नोड्स के नकारात्मक टर्मिनल जुड़े होते हैं, तो प्रतिबिंबित संकेत "1 बिट" होता है।
लेकिन यदि शोधकर्ता ध्रुवता को उलट देते हैं और नकारात्मक और सकारात्मक ध्रुवों को एक-दूसरे से जोड़ते हैं, तो परावर्तित संकेत "शून्य" होता है।
रेडेमाकर बताते हैं, "केवल पीजोइलेक्ट्रिक नोड्स को एक साथ जोड़ना पर्याप्त नहीं है। दो नोड्स की ध्रुवता को वैकल्पिक करके, हम डेटा को रिमोट रिसीवर तक वापस भेज सकते हैं।"
वानअट्टा सरणी का निर्माण करते समय, शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि जुड़े हुए नोड्स बहुत करीब थे, तो वे एक-दूसरे के संकेतों को अवरुद्ध कर देंगे। उन्होंने एक नया डिज़ाइन तैयार किया जिसमें नोड्स को आपस में जोड़ा गया है ताकि सिग्नल किसी भी दिशा से सरणी तक पहुंच सकें। इस स्केलेबल डिज़ाइन के साथ, सरणी में जितने अधिक नोड होंगे, संचार रेंज उतनी ही अधिक होगी।
वुड्स होल ओशनोग्राफिक इंस्टीट्यूशन के साथ काम करते हुए, उन्होंने कैम्ब्रिज, मैसाचुसेट्स में चार्ल्स नदी और फालमाउथ, मैसाचुसेट्स के तट पर अटलांटिक महासागर में सरणी के 1,500 से अधिक प्रयोगात्मक परीक्षण किए। डिवाइस की संचार सीमा 300 मीटर है, जो कि उनके द्वारा पहले प्रदर्शित की गई तुलना में 15 गुना अधिक है।
हालाँकि, अपर्याप्त गोदी स्थान के कारण, उन्हें प्रयोग को छोटा करना पड़ा।
सिमुलेशन अधिकतम
इसने शोधकर्ताओं को इस नई अंडरवाटर बैकस्कैटर तकनीक की सैद्धांतिक और व्यावहारिक संचार सीमाओं को निर्धारित करने के लिए एक विश्लेषणात्मक मॉडल बनाने के लिए प्रेरित किया। रेडियो फ्रीक्वेंसी आइडेंटिफिकेशन (आरएफआईडी) में अपने समूह के शोध के आधार पर, अनुसंधान टीम ने डिवाइस के पानी के नीचे ऑपरेटिंग रेंज पर पीजोइलेक्ट्रिक नोड्स के आकार और सिग्नल की इनपुट शक्ति जैसे सिस्टम मापदंडों के प्रभाव को पकड़ने के लिए एक मॉडल तैयार किया।
"यह एक पारंपरिक संचार तकनीक नहीं है, इसलिए आपको यह समझने की ज़रूरत है कि प्रतिबिंबों की मात्रा कैसे निर्धारित की जाए। इस प्रक्रिया में विभिन्न घटकों की क्या भूमिकाएँ हैं?" अकबर ने कहा. उदाहरण के लिए, शोधकर्ताओं को एक ऐसा फ़ंक्शन प्राप्त करने की आवश्यकता थी जो एक विशिष्ट आकार के पानी के नीचे पीज़ोइलेक्ट्रिक नोड से परिलक्षित सिग्नल की मात्रा को कैप्चर करता हो, जो मॉडल को विकसित करने में सबसे बड़ी चुनौतियों में से एक था।
उन्होंने प्लग-एंड-प्ले मॉडल बनाने के लिए इन अंतर्दृष्टि का उपयोग किया जहां उपयोगकर्ता इनपुट पावर और पीज़ोइलेक्ट्रिक नोड आकार जैसी जानकारी दर्ज कर सकते हैं और एक आउटपुट प्राप्त कर सकते हैं जो सिस्टम की अपेक्षित सीमा दिखाता है।
उन्होंने प्रयोगात्मक डेटा के आधार पर मॉडल का मूल्यांकन किया और पाया कि मॉडल 1 डीबी से कम की औसत त्रुटि के साथ व्युत्क्रम ध्वनिक संकेतों की सीमा का सटीक अनुमान लगा सकता है। इस मॉडल का उपयोग करके, उन्होंने पाया कि पानी के नीचे बैकस्कैटर सरणी में किलोमीटर लंबी संचार दूरी हासिल करने की क्षमता है।
अदीब ने कहा, "हम एक नई समुद्री तकनीक बना रहे हैं और इसे 6जी सेल्युलर नेटवर्क के दायरे में ला रहे हैं, जो हम कर रहे हैं।" "यह हमारे लिए बहुत सार्थक बात है क्योंकि अब हम इस तकनीक को वास्तविकता के बहुत करीब देखना शुरू कर रहे हैं।"
शोधकर्ताओं ने शायद जहाजों का उपयोग करके पानी के नीचे बैकस्कैटर वानअट्टा सरणी का अध्ययन जारी रखने की योजना बनाई है, ताकि वे लंबी संचार सीमाओं का मूल्यांकन कर सकें। साथ ही, वे टूल और डेटासेट जारी करने की भी योजना बना रहे हैं ताकि अन्य शोधकर्ता उन पर निर्माण कर सकें। साथ ही, वे प्रौद्योगिकी के व्यावसायीकरण की ओर भी बढ़ने लगे हैं।
"अंडरवाटर बैकस्कैटर नेटवर्क के लिए सीमित रेंज एक खुला मुद्दा रहा है, जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में उनके उपयोग में बाधा बन रहा है।" यूसीएलए में कंप्यूटर विज्ञान के सहायक प्रोफेसर ओमिद अबरी ने कहा: "यह पेपर पानी के भीतर संचार को न्यूनतम ऊर्जा के साथ संचालित करते हुए लंबी दूरी के संचरण को प्राप्त करने में सक्षम बनाता है, इस प्रकार भविष्य में पानी के नीचे संचार को सक्षम बनाता है।" यह पेपर संचार के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम आगे बढ़ाता है। यह पेपर पहली बार पानी के नीचे बैकस्कैटर वातावरण में वानएटारिफ्लेक्टर ऐरे तकनीक का परिचय देता है और परिमाण के कई क्रमों द्वारा संचार सीमा बढ़ाने में इस तकनीक के फायदों को प्रदर्शित करता है। यह बैटरी-मुक्त पानी के भीतर संचार को वास्तविकता के एक कदम करीब ला सकता है, जिससे पानी के नीचे जलवायु परिवर्तन की निगरानी और तटीय निगरानी जैसे अनुप्रयोग सक्षम हो सकते हैं।"