麻省理工学院的突破性水下通信系统使用最小的功率在千米范围内传输信号。利用水下后向散射和创新的设计原理，该技术在水产养殖、气候建模和飓风预测方面具有潜在的应用前景。

该系统可用于无电池水下通信跨越千米的距离，以帮助mo监测气候和海岸变化。

麻省理工学院的研究人员展示了首个超低功耗水下网络和通信系统，该系统可以在公里级距离上传输信号。

这项研究人员几年前开始开发的技术，使用的功率大约是现有水下通信方法的百万分之一。通过扩大无电池系统的通信范围，研究人员已经使这项技术在水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用中更加可行。

“几年前开始的一个非常令人兴奋的智力想法——以低一百万倍的功率进行水下通信——现在已经成为现实。麻省理工学院媒体实验室电子工程与计算机科学系副教授、信号动力学小组主任Fadel Adib说:“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道路。”

该装置是一组压电换能器，可以实现无电池水下通信。图片来源:研究人员提供

水下反向散射的力量

水下反向散射通过对声波中的数据进行编码，并将其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它们的来源。

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

当在河流和海洋中进行测试时，反向定向设备的通信范围比以前的设备远15倍以上。然而，实验受到研究人员可用的码头长度的限制。

为了更好地理解水下反向散射的限制，该团队还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们用实验数据验证了这个模型，表明他们的反向指令系统可以跨越千米的距离进行通信。

研究人员在两篇论文中分享了这些发现，这两篇论文将在今年的ACM SIGCOMM和MobiCom会议上发表。Adib是这两篇论文的资深作者，在SIGCOMM的论文中加入了共同主要作者Aline Eid(前博士后，现为密歇根大学助理教授)和Jack Rademacher(研究助理);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。

三名队员在伍兹霍尔研究所进行实验。图片来源:研究人员提供

用声波交流

水下反向散射通信设备利用一组由“压电”材料制成的节点来接收和反射声波。当机械力施加在这些材料上时，它们会产生电信号。

当声波撞击节点时，它们振动并将机械能转化为电荷。节点利用这些电荷将一些声波能量散射回源，传输数据，接收器根据反射序列解码。

但由于后向散射信号是向四面八方传播的，只有一小部分到达源，从而降低了信号强度，限制了通信范围。

为了克服这一挑战，研究人员利用了一种有70年历史的无线电设备，称为Van Atta阵列，其中对称的天线对以这样一种方式连接，该阵列将能量反射回其来自的方向。

然而，将压电节点连接成Van Atta阵列会降低它们的效率。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，允许节点将最大的能量反射回源。

“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。当你增加系统中元素的数量时，你就建立了一个阵列，可以实现更长的通信范围，”Eid解释说。

此外，他们还使用了一种叫做交叉极性转换的技术来对反射信号中的二进制数据进行编码。每个节点都有一个正极和一个负极(就像汽车电池一样)，所以当两个节点的正极连接起来，两个节点的负极连接起来时，反射的信号就是“位一”。

但如果研究人员改变极性，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解释说。

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。他们设计了一种新的交错节点设计，使信号能够从任何方向到达阵列。有了这种可扩展的设计，一个数组拥有的节点越多，它的通信范围就越大。

他们与伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)合作，在马萨诸塞州剑桥的查尔斯河(Charles River)和马萨诸塞州法尔茅斯(Falmouth)海岸附近的大西洋，对该阵列进行了1500多次试验。该设备实现了300米的通信距离，比之前展示的距离长15倍以上。

然而，他们不得不缩短实验时间，因为他们用光了码头上的空间。

建模最大值

这启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际通信极限。

基于他们在射频识别方面的研究成果，该团队精心制作了一个模型，该模型捕捉了系统参数(如压电节点的大小和信号的输入功率)对设备水下工作范围的影响。

“这不是一种传统的通信技术，所以你需要了解如何量化反射。在这个过程中，不同组件的作用是什么?”阿克巴说。

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

他们利用这些见解创建了一个即插即用模型，用户可以在其中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。

他们根据实验数据对模型进行了评估，发现它可以准确地预测逆行声信号的范围，平均误差小于1分贝。

利用这个模型，他们展示了水下反向散射阵列可以潜在地实现长达数公里的通信范围。

“我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推进到我们为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，可能会使用船只，这样他们就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开发。与此同时，他们正开始向这项技术的商业化迈进。

“在水下反向散射网络中，有限的范围一直是一个悬而未决的问题，阻碍了它们在实际应用中的应用。加州大学洛杉矶分校计算机科学助理教授奥米德·阿巴里(Omid Abari)没有参与这项工作，他说:“这篇论文在水下通信的未来迈出了重要的一步，使它们能够以最小的能量运行，同时实现长距离通信。”“这篇论文首次将Van Atta反射器阵列技术引入水下后向散射设置，并展示了其在提高通信范围方面的优势。这可以使无电池水下通信更接近现实，实现水下气候变化监测和海岸监测等应用。”

引用:

由SIGCOMM的Aline Eid、Jack Rademacher、Waleed Akbar、Purui Wang、Ahmed Allam和Fadel Adib撰写的“通过Van Atta声学网络实现远程水下反向散射”。PDF

《水下后向散射信道:理论、链路预算和实验验证》，作者:Waleed Akbar、Ahmed Allam和Fadel Adib, MobiCom。PDF

这项研究的部分资金是由海军研究办公室、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Doherty主席资助的。