设备提供远距离、低功耗的水下通信

麻省理工学院的研究人员展示了第一个超低功耗水下网络和通信系统，该系统可以跨公里尺度的距离传输信号。

研究人员几年前开始开发的这种技术使用的功率约为现有水下通信方法使用的百万分之一。通过扩大无电池系统的通信范围，研究人员使该技术在水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用中更加可行。

“几年前开始是一个非常令人兴奋的智力想法 – 水下通信功率低一百万倍 – 现在实用和现实。仍然有一些有趣的技术挑战需要解决，但从我们现在的位置到部署有一条清晰的路径，“电气工程和计算机科学系副教授兼麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任Fadel Adib说。

水下反向散射通过对声波中的数据进行编码，将数据反射或散射回接收器，从而实现低功耗通信。这些创新使反射信号能够更精确地指向其源头。

由于这种“逆向性”，更少的信号散射在错误的方向上，从而实现更有效和更远距离的通信。

在河流和海洋中进行测试时，逆向指令装置的通信范围比以前的装置远15倍以上。然而，实验受到研究人员可用码头长度的限制。

为了更好地了解水下反向散射的极限，该团队还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们使用实验数据验证的模型表明，他们的逆向系统可以跨公里尺度的距离进行通信。

研究人员在两篇论文中分享了这些发现，这些论文将在今年的ACM SIGCOMM和MobiCom会议上发表。两篇论文的资深作者Adib加入了SIGCOMM论文，共同主要作者Aline Eid，前博士后，现在是密歇根大学的助理教授，以及研究助理Jack Rademacher;以及研究助理Waleed Akbar和Purui Wang，以及博士后Ahmed Allam。MobiCom的论文也是由共同主要作者Akbar和Allam撰写的。

与声波通信

水下反向散射通信设备利用由“压电”材料制成的一系列节点来接收和反射声波。当对这些材料施加机械力时，会产生电信号。

当声波撞击节点时，它们会振动并将机械能转换为电荷。节点使用该电荷将一些声能散射回源，传输接收器根据反射序列解码的数据。

但由于反向散射信号向各个方向传播，只有一小部分到达信号源，降低了信号强度并限制了通信范围。

为了克服这一挑战，研究人员利用了一种已有70年历史的无线电设备，称为Van Atta阵列，其中对称的天线对的连接方式使阵列将能量反射回其来源的方向。

但是连接压电节点以形成Van Atta阵列会降低其效率。研究人员通过在连接的节点对之间放置变压器来避免这个问题。变压器将电能从一个电路传输到另一个电路，允许节点将最大能量反射回源。

“两个节点都在接收，两个节点都在反射，所以这是一个非常有趣的系统。随着系统中元素数量的增加，您可以构建一个阵列，使您能够实现更长的通信范围，“Eid 解释道。

此外，他们使用了一种称为跨极性切换的技术来编码反射信号中的二进制数据。每个节点都有一个正极和一个负极（如汽车电池），因此当连接两个节点的正极和连接两个节点的负极时，反射信号是“位一”。

但是，如果研究人员切换极性，并且负极和正极相互连接，那么反射就是“位零”。

“仅仅将压电节点连接在一起是不够的。通过交替两个节点之间的极性，我们能够将数据传输回远程接收器，“Rademacher 解释道。

在构建Van Atta阵列时，研究人员发现，如果连接的节点太近，它们会相互阻挡信号。他们设计了一种具有交错节点的新设计，使信号能够从任何方向到达阵列。通过这种可扩展的设计，阵列具有的节点越多，其通信范围就越大。

他们与伍兹霍尔海洋研究所合作，在马萨诸塞州剑桥的查尔斯河和马萨诸塞州法尔茅斯海岸附近的大西洋进行了1，500多次实验试验。该设备实现了300米的通信范围，比之前演示的时间长15倍以上。

然而，他们不得不缩短实验时间，因为他们在码头上的空间用完了。

建模最大值

这激发了研究人员建立一个分析模型，以确定这种新的水下反向散射技术的理论和实践通信极限。

在他们小组在RFID工作的基础上，该团队精心制作了一个模型，该模型捕获了系统参数（如压电节点的大小和信号的输入功率）对设备水下操作范围的影响。

“它不是一种传统的通信技术，所以你需要了解如何量化反射。不同组件在该过程中的作用是什么？阿克巴说。

例如，研究人员需要推导出一个函数，以捕获从具有特定尺寸的水下压电节点反射的信号量，这是开发模型的最大挑战之一，他补充说。

他们利用这些见解创建了一个即插即用模型，用户可以输入输入功率和压电节点尺寸等信息，并接收显示系统预期范围的输出。

他们根据实验试验的数据评估了该模型，发现它可以准确预测逆向声学信号的范围，平均误差小于一分贝。

使用这个模型，他们表明水下反向散射阵列可以潜在地实现数公里长的通信范围。

“我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推向我们为6G蜂窝网络所做的事情的领域。对我们来说，这是非常有益的，因为我们现在开始看到这一点非常接近现实，“阿迪布说。

研究人员计划继续研究水下反向散射范阿塔阵列，也许使用船只，以便他们可以评估更长的通信范围。在此过程中，他们打算发布工具和数据集，以便其他研究人员可以在他们的工作基础上进行构建。与此同时，他们开始走向这项技术的商业化。

“有限的范围一直是水下反向散射网络中的一个开放问题，阻止它们在实际应用中使用。这篇论文在水下通信的未来向前迈出了重要的一步，使它们能够以最小的能量运行，同时实现远距离，“加州大学洛杉矶分校计算机科学助理教授Omid Abari说，他没有参与这项工作。“该论文是第一篇将Van Atta反射器阵列技术引入水下反向散射设置的论文，并展示了其在将通信范围提高几个数量级方面的好处。这将使无电池水下通信更接近现实，从而实现水下气候变化监测和沿海监测等应用。

这项研究部分由海军研究办公室、斯隆研究奖学金、国家科学基金会、麻省理工学院媒体实验室和海洋利用多尔蒂主席资助。