设备提供长距离低功耗水下通信

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，该系统可以在千米级距离上传输信号。

研究人员几年前开始开发这项技术，其使用的功率约为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，研究人员使该技术更适合水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用。

“几年前，最初是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——现在已经变得实用且现实。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，有一条明确的道路，”电气工程和计算机科学系副教授兼信号动力学小组主任 Fadel Adib 说。麻省理工学院媒体实验室。

水下反向散射通过将数据编码为反射或散射回接收器的声波来实现低功耗通信。这些创新使反射信号能够更精确地定向到其源头。

由于这种“逆向性”，向错误方向散射的信号更少，从而实现更高效、更远距离的通信。

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

为了更好地了解水下反向散射的局限性，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了该模型，表明他们的逆向系统可以跨公里级距离进行通信。

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，与共同主要作者 Aline Eid(前博士后，现为密歇根大学助理教授)和 Jack Rademacher(研究助理)共同撰写了 SIGCOMM 论文。以及研究助理 Waleed Akbar 和 Purui Wang，以及博士后 Ahmed Allam。MobiCom 论文也是由共同主要作者 Akbar 和 Allam 撰写的。

用声波进行交流

水下反向散射通信设备利用一系列由“压电”材料制成的节点来接收和反射声波。当向这些材料施加机械力时，它们会产生电信号。

当声波撞击节点时，它们会振动并将机械能转换为电荷。节点利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，从而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，其中对称天线对的连接方式使得阵列将能量反射回其来源方向。

但连接压电节点来制作 Van Atta 阵列会降低其效率。研究人员通过在成对的连接节点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，允许节点将最大量的能量反射回源。

“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。当您增加该系统中的元件数量时，您可以构建一个阵列，从而实现更长的通信范围，”Eid 解释道。

此外，他们还使用了一种称为交叉极性切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端子(就像汽车电池)，因此当两个节点的正极端子连接并且两个节点的负极端子连接时，反射信号就是“位一”。

但如果研究人员切换极性，将负极端子和正极端子相互连接，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，它们就会阻塞彼此的信号。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，阵列拥有的节点越多，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 多次实验测试。该设备的通信范围达到了 300 米，比之前展示的范围长了 15 倍多。

然而，由于码头空间不足，他们不得不缩短实验时间。

建模最大

这启发研究人员建立了一个分析模型，以确定这种新型水下反向散射技术的理论和实际通信限制。

在他们小组在 RFID 方面的工作的基础上，该团队精心制作了一个模型，该模型捕捉了系统参数(例如压电节点的尺寸和信号的输入功率)对设备水下操作范围的影响。

“这不是传统的通信技术，因此您需要了解如何量化反射。在此过程中不同组件的作用是什么?” 阿克巴说。