Tương lai không xa, lòng đại dương cũng có Wi-Fi

Trong thời đại kết nối ngày nay, bạn có thể truy cập Internet hầu như ở bất kỳ đâu miễn là thiết bị hỗ trợ kết nối 3G/4G hoặc đơn giản hơn là kết nối Wi-Fi. Tuy nhiên, việc mang Internet mà đặc biệt là kết nối Wi-Fi xuống lòng đại dương chắc hẳn là điều mà bạn sẽ không ngờ tới, nhất là khi việc kết nối dưới môi trường nước luôn tồn tại những trở ngại và khiến không ít người làm công tác nghiên cứu khoa học phải đau đầu.

Nếu như ở trên mặt đất, việc truyền phát vô tuyến trong môi trường không khí ngày nay đã đạt được những thành tựu nhất định, thì tiêu chuẩn truyền phát không dây này lại gặp trở ngại, cụ thể hơn là không thể truyền đi xa trước khi bị môi trường nước hấp thụ hoàn toàn. Qua nhiều năm nghiên cứu và thử nghiệm, các nhà khoa học cũng đã ứng dụng nhiều phương pháp truyền vô tuyến khác nhau và trong đó âm thanh được ưu tiên chọn lựa hơn trong môi trường nước, nhưng việc dùng sóng âm lại không cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao như kết nối không dây Wi-Fi trên mặt đất.

Mới đây, các nhà khoa học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc vương Abdullah (King Abdullah University of Science and Technology - KAUST) tại Ả Rập Saudi đã công bố nghiên cứu, phát triển hệ thống đặc biệt cho phép truyền dữ liệu hoàn toàn không dây (qua kết nối Wi-Fi) ngay dưới lòng đại dương. Các nhà khoa học tại KAUST gọi hệ thống này là Aqua-Fi và đặc biệt là tính tuân thủ hoàn toàn các tiêu chuẩn không dây của chuẩn IEEE 802.11. Nói một cách đơn giản hơn là hệ thống Wi-Fi đặc biệt của các nhà khoa học đất nước dầu mỏ này có thể dễ dàng kết nối và hoạt động như một phần của mạng Internet rộng lớn hiện nay.

Hệ thống Aqua-Fi dùng tia laser để truyền dữ liệu qua môi trường nước biển

Theo giải thích của các nhà khoa học KAUST, hệ thống Aqua-Fi thử nghiệm gồm một smartphone chống nước có khả năng kết nối Wi-Fi với một modem không dây ở dưới nước cơ bản như cách mà người dùng smartphone ngày nay vẫn kết nối Wi-Fi trên bờ. Tuy nhiên, modem của các nhà khoa học tại Đại học KAUST đặc biệt hơn vì được vận hành bởi một máy tính tí hon Raspberry Pi. Nhiệm vụ của chiếc máy tính tí hon này chính là chuyển đổi tín hiệu Wi-Fi thông thường thành tín hiệu quang, trong trường hợp này chính là tia laser. Một khi được chuyển đổi thành công, tia laser này sẽ được phát đến bộ thu gắn trên các phao nổi trên biển và tiếp tục ứng dụng các kỹ thuật kết nối để truyền tới vệ tinh trên quỹ đạo. Để thiết bị ở dưới mặt biển có thể nhận dữ liệu, các nhà khoa học cơ bản chỉ là đảo ngược lại quá trình trên.

Được biết, các nhà khoa học tại Đại học KAUST từng tiến hành nghiên cứu hệ thống Aqua-Fi nói trên từ năm 2017. Tại thời điểm trên, các chuyên gia đã sử dụng tia laser xanh và truyền tải thành công tập tin dung lượng 1,2 gigabit trong môi trường nước hoàn toàn bằng kết nối không dây. Nhưng đối với các nhà khoa học, việc truyền tải vô tuyến không phải sẽ chỉ dừng lại ở việc truyền và nhận tập tin. Chính điều này đã khiến nhóm nghiên cứu tiếp tục đi xa hơn, tiến đến việc xem xét liên lạc hai chiều và xây dựng hẳn một hệ thống cho phép truyền video độ phân giải cao qua môi trường nước.

Trước khi đưa vào sử dụng tia laser để truyền dữ liệu không dây trong môi trường nước biển, các nhà khoa học đã dùng các đèn LED trong hệ thống Aqua-Fi của mình. Tuy vậy, nghiên cứu cho thấy đèn LED thực tế không đủ công suất cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao. Với các đèn LED, hệ thống Aqua-Fi chỉ có thể truyền chùm sáng trong phạm vi 7m và tốc độ chỉ giới hạn ở mức 100 kilobit/giây. Khi quyết định nâng cấp hệ thống lên sử dụng tia laser xanh dương và xanh lục, hệ thống Aqua-Fi có thể truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 2,11 megabit/giây trong phạm vi đến 20m.

Basem Shihada - Phó giáo sư khoa học máy tính tại KAUST và cũng là người trong nhóm nghiên cứu dự án Aqua-Fi cho biết giới hạn hiện giờ của hệ thống này chính là máy tính tí hon Raspberry Pi. Nhóm nghiên cứu từng đốt cháy một bo mạch Raspberry Pi khi thử nghiệm tia laser cường độ quá mạnh. Vị phó giáo sư này cho biết thêm để có thể thiết lập được tia laser mạnh hơn, có thể phát đi xa và truyền dữ liệu nhiều hơn, Raspberry Pi hẳn sẽ phải thay thế bằng một modem quang riêng biệt.

Điều duy nhất cản trở việc thương mại hóa hệ thống Aqua-Fi chính không nằm ở vấn đề bo mạch Raspberry Pi

Tuy còn gặp chút trở ngại với bo mạch máy tính tí hon, nhưng hệ thống Aqua-Fi của các nhà nghiên cứu Đại học KAUST đã có thể truyền tải tốt tập tin cũng như cuộc gọi Skype. Hiện tại, điều duy nhất cản trở việc thương mại hóa hệ thống Aqua-Fi chính không nằm ở vấn đề bo mạch Raspberry Pi. Các nhà khoa học cho biết việc canh chỉnh tia laser mới là phần phức tạp nhất. Bởi vì, theo nhóm nghiên cứu, tia laser rất chính xác, nhưng những vùng nước hỗn loạn nhẹ cũng có thể đánh bật chùm tia và đương nhiên cản trở quá trình truyền tải dữ liệu. Nhóm đang tiếp tục cân nhắc lựa chọn hai giải pháp để khắc phục tình trạng này.

Thứ nhất, các nhà khoa học của KAUST dùng một kỹ thuật tương tự như hệ thống photonic fence vốn được phát triển dùng để diệt muỗi bằng tia laser. Với giải pháp này, hệ thống Aqua-Fi sẽ dùng một loại laser cường độ thấp để quét các bộ thu. Một khi kết nối được thiết lập, một bộ phát laser cường độ cao khác sẽ được dùng để truyền dữ liệu. Nếu như môi trường nước làm sai lệch quá trình truyền dữ liệu, bộ phát tia laser cường độ cao sẽ tự ngắt và laser cường độ thấp hướng dẫn sẽ thiết lập lại quá trình tìm kiếm. 

Giải pháp thứ hai mà nhóm nghiên cứu quan tâm chính là ứng dụng một mảng nhỏ các bộ thu theo mô hình (Multiple In, Multiple Out), dùng nhiều anten để phát và thu nhận tín hiệu của kết nối không dây để duy trì kết nối cho hệ thống Aqua-Fi.

Theo giới quan sát, nghiên cứu của các nhà khoa học tại Đại học KAUST thực sự có rất nhiều tiềm năng, nhất là khi nhu cầu bảo tồn dưới nước để theo dõi từ xa các sinh vật biển và rạn san hô đang ngày càng cao. Việc kết nối và truyền tải video không dây dưới đại dương tương lai sẽ rất hữu ích cho các nhà bảo tồn. Không chỉ dừng lại ở đây, hệ thống Aqua-Fi cũng còn hứa hẹn mang lại nhiều tiềm năng cho các công ty công nghệ lớn. Đơn cử, Microsoft đang nghiên cứu khả năng lắp đặt các trung tâm dữ liệu ngoài khơi và cả dưới mặt nước. Nếu đặt những trung tâm dữ liệu dưới đáy đại dương, giới nghiên cứu tin rằng có thể giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cho việc làm mát hệ thống cũng như chi phí năng lượng nếu có thể chuyển động năng của sóng biển thành điện. Cuối cùng, nếu các trung tâm dữ liệu được đặt ở đáy biển, đương nhiên ở đó cũng sẽ phải cần kết nối Internet.

QL