Mỹ nghiên cứu phát triển công nghệ liên lạc vô tuyến dưới nước – trên không

Cột mốc quan trọng

Một thực tế là tới nay, các cảm biến dưới mặt nước không thể chia sẻ thông tin trực tiếp với các cảm biến trên đất liền và trên không, do các phương tiện hoạt động trong 2 môi trường khác nhau sử dụng các tín hiệu vô tuyến có cấu trúc khác nhau.

Tín hiệu vô tuyến truyền trong không khí không thể tồn tại lâu trong nước mà bị tán xạ mất tích. Ngược lại sóng thủy âm phát ra dưới ngầm khi gặp mặt nước đều phản xạ lại và không đi xuyên qua. Đây thực sự là thách thức lớn trong thông tin liên lạc giữa các trang thiết bị trong 2 môi trường khác nhau, gây khó khăn cho liên kết phối hợp hoạt động của các hệ thống trang thiết bị trên mặt nước và dưới ngầm như thám hiểm đáy đại dương hay thông tin liên lạc giữa tàu ngầm với máy bay trên không.

Tại hội thảo tuần qua của Hiệp hội Máy tính về Truyền thông dữ liệu (SIGCOMM), các nhà nghiên cứu MIT Media Lab trong một bản báo cáo giới thiệu thiết kế của một hệ thống, giải quyết vấn đề truyền dẫn thông tin theo phương thức mới: Một máy phát tín hiệu thủy âm (sonar) đến bề mặt nước, gây ra những rung động nhỏ tương ứng với ký tự 0 và 1 trong hệ nhị phân. Trên bề mặt nước là một máy thu có độ nhạy cao thu những xung động này và và giải mã tín hiệu sonar.

Nghiên cứu truyền dẫn tín hiệu không dây của nhóm MIT Media Lab. Video MIT Media Lab

PGS Fadel Adib, lãnh đạo nghiên cứu này cho biết: “Việc các tín hiệu không dây vượt qua giới hạn mặt nước – không khí gặp trở ngại lớn. Ý tưởng của chúng tôi là biến vật cản trở thành phương tiện để tương tác, vượt qua giới hạn việc truyền tín hiệu không dây giữa môi trường nước và không khí”. Ông là đồng tác giả của bản báo cáo với sinh viên vừa tốt nghiệp của mình,  Francesco Tonolini

Theo ông Adib, hệ thống giải mã âm thanh tần số vô tuyến TARF (Translational Acoustic-RF Communication) dù mới ở giai đoạn đầu quá trình nghiên cứu nhưng có những kết quả tốt, đánh dấu cột mốc quan trọng mở ra khả năng kết nối thông tin liên lạc dưới nước với trên không.

Ứng dụng của hệ thống liên lạc này vô cùng đa dạng. Nếu hệ thống này được đưa vào thực tế khai thác sử dụng, các tàu ngầm quân sự sẽ không cần phải nổi lên mặt nước để liên lạc với máy bay, tránh bộc lộ bí mật cho đến việc các nhà nghiên cứu không cần đợi những thiết bị lặn ngầm theo dõi sinh vật biển tự động trồi lên mặt nước để thu thập dữ liệu.

Ngoài ra, công nghệ này còn có thể hỗ trợ tìm kiếm các máy bay mất tích dưới nước. Ông Adib tin rằng, tích hợp nguồn phát tín hiệu âm thanh trong hộp đen máy bay sẽ giúp rút ngắn thời gian tìm kiếm nếu máy bay gặp sự cố và rơi xuống biển.

Giải mã tín hiệu sonar trên mặt nước

Các phương tiện lặn ngầm hiện nay sử dụng một số công nghệ vượt qua giới hạn của các tín hiệu vô tuyến trong hai môi trường. Ví dụ, gắn thiết bị thu và xử lý tín hiệu sonar lên phao và thiết bị phát sẽ gửi tín hiệu vô tuyến tới phương tiện bay trên không.

Nhưng trên mặt biển rộng, thiết bị này dễ bị trôi theo sóng và thất lạc cùng với phao, rất khó định vị vị trí phát. Giải pháp này cũng hoàn toàn không khả thi nếu sử dụng để truyền tín hiệu sonar trên một vùng rộng lớn, ví dụ như các tàu ngầm liên lạc với các phương tiện trên mặt nước và trên không.

TARF bao gồm một máy phát thủy âm (sonar) dưới nước, phát tín hiệu sonar bằng loa phát thủy âm tiêu chuẩn. Các tín hiệu được truyền dưới dạng sóng xung động có tần số khác nhau tương ứng với ký tự 0 và 1 trong hệ nhị phân. Khi tín hiệu chạm đến bề mặt nước sẽ tạo ra những gợn sóng nhỏ lăn tăn trên nước, chiều cao sóng khoảng vài micromet theo tần số âm thanh phát ra.

Để đạt tốc độ truyền tải dữ liệu cao và chính xác, MIT Media Lab thiết kế hệ thống với khả năng truyền đi nhiều tần số âm thanh cùng lúc, dựa trên sơ đồ điều chế tín hiệu, được sử dụng trong thông tin vô tuyến không dây, còn được gọi là phương pháp “ghép kênh phân chia tần số trực giao” (OFDM), cho phép truyền hàng trăm bit cùng một lúc.

Các nhà nghiên cứu MIT Media Lab đưa lên không trung một loại radar tần số siêu cao mới, có chức năng thu và xử lý tín hiệu sóng milimet truyền không dây với phổ tần số từ 30 - 300GHz (đây là dải băng tần mạng không dây 5G tần số cao sẽ đưa vào khai thác sử dụng).

Một ứng dụng đầy hứa hẹn khác là hỗ trợ tìm kiếm các máy bay bị mất tích dưới biển. Thiết bị tín hiệu truyền âm Acoustic có thể được lắp đặt trong một hộp đen máy bay, ông Adib nói. Nếu thiết bị bắt đầu truyền tín hiệu liên tục, các phương tiện cứu hộ có thể sử dụng hệ thống nhận tín hiệu và định vị được vị trí chiếc hộp đen máy bay, từ đó nhanh chóng tìm ra máy bay mất tích.

Lắng nghe “những xao động thủy âm”

Nhiệm vụ then chốt đầu tiên khi phát triển TARF là hỗ trợ radar nhận diện chính xác xung động thủy âm trên mặt nước. Các nhà nghiên cứu MIT sử dụng công nghệ, cho phép phát hiện những phản xạ trên môi trường xung quanh, phân nhóm theo khoảng cách và công suất. Do nước có khả năng phản xạ cao nhất trong môi trường của hệ thống, radar sẽ xác định được khoảng cách đến bề mặt. Sau khi xác định được khoảng cách, radar sẽ được phóng to khả năng quét để ưu tiên phát hiện xung động trên mặt nước, đồng thời bỏ qua nhiễu động trên môi trường xung quanh.

Thách thức tiếp theo là, hệ thống TARF phải có khả năng phân biệt giữa xung động trên mặt nước chỉ cao cỡ vài micromet và những đợt sóng tự nhiên cao hơn rất nhiều. Theo ông Adib, đợt sóng nhỏ nhất trên đại dương cao khoảng 2 cm, lớn hơn gấp 100.000 lần so với độ cao rung động của thủy âm truyền tín hiệu. Trong thời điểm biển động, những đợt sóng cao hơn gấp hàng triệu lần. Các hiện tượng tự nhiên này gây nhiễu loạn cho những xao động thủy âm trên mặt nước. Ông Adib mô tả  “Điều này giống như có nhiều người đang hét lên khi bạn cố lắng nghe tiếng thì thầm của ai đó vậy”.

Để giải quyết khó khăn này, các nhà nghiên cứu MIT Media Lab phát triển hàng loạt thuật toán phân tích tín hiệu tinh vi. Trong khi sóng tự nhiên chỉ tạo ra tín hiệu với tần số 1-2 Hz, tương đương 1-2 đợt sóng mỗi giây, thì sóng sona có tần số 100-200 Hz, nhanh hơn gấp hàng trăm lần. Do đó, thuật toán mới sẽ ưu tiên xử lý các xung động nhanh trên mặt nước và bỏ qua các đợt sóng chậm chạp.

Thử nghiệm thực tế trong môi trường nước – trên không

Hệ thống TARF được các nhà nghiên cứu MIT Media Lab thử nghiệm 500 lần trong khuôn viên Viện Công nghệ Massachusetts.

Khi thử nghiệm trong bể tích trữ nước, thiết bị phát đặt dưới mặt nước khoảng 5 - 70cm và thiết bị thu trên mặt nước từ 20 - 40cm. Khi thử nghiệm trong bể bơi, thiết bị phát được ngâm dưới 3,5m nước và thiết bị thu cao hơn mặt nước 30cm. Trong suốt cuộc thử nghiệm thứ 2, nhiều người bơi tạo ra những đợt sóng cao khoảng 16cm.

Các nhà nghiên cứu thử nghiệm phát tin hiệu vô tuyến dưới nước (water-wireless). Ảnh Scitechdaily

Kết quả thử nghiệm cho thấy, TARF có thể giải mã chính xác những thông điệp dưới nước như câu: “Xin chào!”, với tốc độ lên tới hàng trăm bit mỗi giây, ngang với tốc độ liên lạc tiêu chuẩn dưới nước. “Ngay cả khi có nhiều người bơi lội xung quanh, gây nhiễu loạn, chúng tôi vẫn có thể giải mã các tín hiệu này nhanh chóng và chính xác”, Phó Giáo sư Adib khẳng định.

Nhưng thử nghiệm hệ thống không thành công khi có những đợt sóng cao hơn 16cm. Các nhà nghiên cứu MIT Media Lab tiếp tục hoàn thiện để hệ thống có thể hoạt động trong điều kiện khó khăn hơn. “Để hệ thống thực sự phát huy hiệu quả, chúng tôi cần TARF hoạt động trong tất cả điều kiện thời tiết và môi trường”, ông Adib nhấn mạnh.

“TARF là hệ thống đầu tiên chứng minh có thể truyền âm thanh từ dưới nước tới không trung thông qua radar”, Phó Giáo sư Khoa học Máy tính Aaron Schulman thuộc Đại học California nhận định: “Tôi hy vọng công nghệ radar - âm thanh mới này sẽ mang lại lợi ích cho các nhà nghiên cứu đại dương học, đồng thời truyền cảm hứng cho cộng đồng khoa học nghiên cứu phát triển, đưa công nghệ sáng tạo vào thực tế khai thác sử dụng”.

Các nhà nghiên cứu MIT Media Lab hy vọng có thể phát triển được hệ thống kết nối liên lạc vô tuyến trực tiếp giữa tàu ngầm không người lái và máy bay, thông qua hệ thống thu nhận và giải mã thời gian thực những tín hiệu sonar được khuếch đại.