MIT 연구원들이 1km 범위에 걸쳐 신호를 전송할 수 있는 최초의 초저전력 수중 네트워킹 및 통신 시스템을 시연했습니다. 연구진이 수년 전부터 개발을 시작한 이 기술은 기존 수중 통신 방식보다 약 100만분의 1 적은 전력을 사용한다. 연구자들은 배터리가 없는 시스템의 통신 범위를 확장함으로써 양식업, 해안 허리케인 예측 및 기후 변화 모델링과 같은 응용 분야에서 이 기술을 더욱 실현 가능하게 만들고 있습니다.

"수백만 배 적은 전력을 사용하는 수중 통신은 불과 몇 년 전에는 매우 흥미로운 아이디어였지만 지금은 실현 가능합니다. 여전히 해결해야 할 몇 가지 흥미로운 기술적 과제가 있지만 현재 우리가 배포할 방향은 분명합니다."라고 MIT 미디어 랩의 신호 역학 그룹 이사이자 전기 공학 및 컴퓨터 과학과 부교수인 Fadel Adib는 말했습니다.

이 장치는 배터리 없이 수중 통신을 가능하게 하는 압전 센서 어레이입니다. 이미지 출처: 연구진 제공

수중 후방 산란은 데이터를 음파로 인코딩한 다음 반사되거나 다시 수신기로 분산시켜 저전력 통신을 가능하게 합니다. 이러한 혁신을 통해 반사된 신호를 소스로 더욱 정확하게 보낼 수 있습니다.

이러한 "역방향 지향성"으로 인해 잘못된 방향으로 산란되는 신호가 줄어들어 보다 효율적이고 장거리 통신이 가능해집니다. 강과 바다에서 테스트했을 때 역방향 장치는 이전 장치보다 15배 이상 범위에서 통신했습니다. 그러나 실험은 연구자가 사용할 수 있는 도크의 길이에 따라 제한되었습니다.

수중 후방 산란의 한계를 더 잘 이해하기 위해 팀은 기술의 최대 범위를 예측하는 분석 모델도 개발했습니다. 그들은 실험 데이터를 사용하여 모델을 검증했으며, 역방향 시스템이 킬로미터 범위에서 통신할 수 있음을 보여주었습니다.

연구원들은 올해 ACMSIGCOMM 및 MobiCom 컨퍼런스에서 발표될 두 개의 논문에서 이러한 결과를 공유했습니다. Adib은 이 두 논문의 수석 저자입니다. 그는 전 박사후 연구원이자 현재 미시간 대학의 조교수인 Aline Eid, 연구 조교인 Jack Rademacher, 연구 조교인 Waleed Akbar, Purui Wang 및 박사후 연구원인 Ahmed Allam과 함께 SIGCOMM 논문을 공동 집필했습니다. MobiCom 논문의 공동 첫 번째 저자는 Akbar와 Allam입니다.

세 명의 팀원이 우즈홀 연구소에서 실험을 진행하고 있습니다. 이미지 출처: 연구진 제공

음파를 사용하여 의사소통

수중 후방 산란 통신 장치는 "압전" 재료로 만들어진 노드 배열을 활용하여 음파를 수신하고 반사합니다. 이러한 물질은 기계적 힘에 의해 작용할 때 전기 신호를 생성합니다.

음파가 노드에 부딪히면 진동하고 기계적 에너지를 전하로 변환합니다. 노드는 전하를 사용하여 음향 에너지의 일부를 소스로 다시 분산시켜 데이터를 전송하고, 수신기는 일련의 반사를 기반으로 데이터를 디코딩합니다. 그러나 후방 산란된 신호는 모든 방향으로 전파되므로 음원에 도달하는 신호의 양은 극히 일부에 불과하여 신호 강도가 감소하고 통신 범위가 제한됩니다.

이 문제를 극복하기 위해 연구원들은 Van Atta 어레이라고 불리는 70년 된 무선 장치를 활용했습니다. 이 장치에는 대칭 안테나 쌍이 어레이가 에너지를 신호 소스 방향으로 다시 반사하는 방식으로 연결되어 있습니다.

그러나 압전 노드를 연결하여 Van Atta 어레이를 형성하면 효율성이 떨어집니다. 연구원들은 연결된 노드 쌍 사이에 변압기를 배치하여 이 문제를 피했습니다. 변압기는 한 회로에서 다른 회로로 전기 에너지를 전달하여 노드가 최대 에너지를 소스로 다시 반사할 수 있도록 합니다.

"두 노드 모두 수신하고, 두 노드 모두 반영하므로 매우 흥미로운 시스템입니다."라고 Ed는 설명합니다. "시스템의 요소 수가 증가함에 따라 더 긴 통신 거리를 허용하는 어레이를 구축할 수 있습니다."

또한 그들은 반사된 신호의 이진 데이터를 인코딩하기 위해 교차 극성 전환이라는 기술을 사용했습니다. 각 노드에는 양극 단자와 음극 단자(자동차 배터리처럼)가 있으므로 두 노드의 양극 단자를 연결하고 두 노드의 음극 단자를 연결하면 반사되는 신호는 "1비트"입니다.

그러나 연구진이 극성을 바꾸어 음극과 양극을 서로 연결하면 반사된 신호는 '0'이 된다.

"단순히 압전 노드를 서로 연결하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 두 노드의 극성을 교대로 사용하면 데이터를 원격 수신기로 다시 전송할 수 있습니다."라고 Rademacher는 설명합니다.

VanAtta 어레이를 구축할 때 연구원들은 연결된 노드가 너무 가까우면 서로의 신호를 차단한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 신호가 어떤 방향에서도 어레이에 도달할 수 있도록 노드가 인터리브되는 새로운 디자인을 고안했습니다. 이 확장 가능한 설계를 사용하면 어레이에 노드가 많을수록 통신 범위가 넓어집니다.

그들은 Woods Hole Oceanographic Institution과 협력하여 매사추세츠 주 케임브리지의 찰스 강과 매사추세츠 주 팰머스 해안의 대서양에서 어레이에 대한 1,500회 이상의 실험 테스트를 수행했습니다. 이 장치의 통신 범위는 300m로 이전에 시연했던 것보다 15배 이상 길다.

하지만 도크 공간이 부족해 실험 시간을 단축할 수밖에 없었다.

시뮬레이션 최대

이는 연구원들이 이 새로운 수중 후방 산란 기술의 이론적이고 실제적인 통신 한계를 결정하기 위한 분석 모델을 구축하도록 영감을 주었습니다. 연구팀은 무선 주파수 식별(RFID)에 대한 그룹의 연구를 바탕으로 압전 노드의 크기, 신호의 입력 전력과 같은 시스템 매개변수가 장치의 수중 작동 범위에 미치는 영향을 포착하는 모델을 만들었습니다.

"이것은 전통적인 통신 기술이 아니므로 반사를 정량화하는 방법을 이해해야 합니다. 이 프로세스에서 다양한 구성 요소의 역할은 무엇입니까?" 악바르가 말했다. 예를 들어, 연구자들은 특정 크기의 수중 압전 노드에서 반사되는 신호의 양을 포착하는 함수를 도출해야 했는데, 이는 모델 개발의 가장 큰 과제 중 하나였습니다.

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

그들은 실험 데이터에 대해 모델을 평가한 결과 모델이 1dB 미만의 평균 오류로 역음향 신호의 범위를 정확하게 예측할 수 있음을 발견했습니다. 이 모델을 사용하여 그들은 수중 후방 산란 배열이 수 킬로미터 길이의 통신 거리를 달성할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 발견했습니다.

"우리는 새로운 해양 기술을 개발하고 이를 우리가 해왔던 6G 셀룰러 네트워크 영역으로 밀어넣고 있습니다"라고 Adib은 말했습니다. "이제 이 기술이 현실에 매우 가깝게 보이기 시작했기 때문에 이는 우리에게 매우 의미 있는 일입니다."

연구원들은 더 긴 통신 범위를 평가할 수 있도록 선박을 사용하여 수중 후방 산란 VanAtta 배열을 계속 연구할 계획입니다. 동시에 다른 연구자들이 이를 기반으로 구축할 수 있도록 도구와 데이터세트도 출시할 계획입니다. 동시에, 그들은 또한 기술의 상용화를 향해 움직이기 시작했습니다.

"제한된 범위는 수중 후방 산란 네트워크의 공개 문제로, 실제 응용 프로그램에서의 사용을 방해합니다." UCLA 컴퓨터과학과 오미드 아바리(Omid Abari) 조교수는 “이 논문을 통해 수중 통신이 최소한의 에너지로 작동하면서 장거리 전송이 가능해 미래 수중 통신이 가능해진다”고 말했다. 이 논문은 커뮤니케이션 분야에서 중요한 진전을 이뤘습니다. 이 문서에서는 수중 후방 산란 환경에 VanAttaReflector 배열 기술을 처음으로 소개하고 통신 범위를 몇 배나 늘리는 데 있어 이 기술의 장점을 보여줍니다. 이를 통해 배터리 없는 수중 통신이 현실화되고 수중 기후 변화 모니터링 및 해안 모니터링과 같은 애플리케이션이 가능해집니다."