麻省理工學(xué)院實(shí)現低功耗水下通信

MIT SIGNAL KINETICS LAB

水下傳感器網(wǎng)絡(luò )對于監測漁場(chǎng)、颶風(fēng)預報和探測敵方潛艇等各種應用來(lái)說(shuō)都是非常寶貴的。然而，通過(guò)液體傳輸數據比通過(guò)空氣傳輸要困難得多。麻省理工學(xué)院的工程師們提出了一種解決方案，可以實(shí)現遠程低功耗的水下通信（https://spectrum.ieee.org/new-approach-could-take-underwater-communication-using-light-to-new-depths）。

在海浪下重建物聯(lián)網(wǎng)是一項挑戰，因為大多數無(wú)線(xiàn)技術(shù)所依賴(lài)的無(wú)線(xiàn)電信號在水中傳播不暢。因此，大多數水下通信都是通過(guò)聲學(xué)進(jìn)行的，但產(chǎn)生足以在液體中長(cháng)距離傳播的聲波需要很大的功率。

“It’s a turning point from this being a technology that is intellectually super-interesting that we hope will work, to saying we know that this works, and we have a path to deployment.”
—Fadel Adib, MIT

麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(xué)系副教授、麻省理工大學(xué)媒體實(shí)驗室信號動(dòng)力學(xué)小組主任Fadel Adib說(shuō)，在水下深處給傳感器充電或更換電池是一個(gè)大麻煩。他說(shuō)，這限制了我們在海洋中建立大型傳感器網(wǎng)絡(luò )的能力，這就是為什么他的團隊一直在研究一種低功耗的替代品，這種替代品依賴(lài)于“反向散射（https://spectrum.ieee.org/backscatter-gigabit）”的物理原理。

他們的方法涉及被稱(chēng)為節點(diǎn)的無(wú)電源設備，這些設備從****機接收聲學(xué)信號，以編碼波中信息的方式對其進(jìn)行調制，然后將其反射回來(lái)。以前，他們只實(shí)現了幾米的范圍，因為聲波被反射到各個(gè)方向，所以只有少量信號到達接收器。但該團隊的最新設計能夠將反射引導回接收器，從而將射程提高了15倍，并為數公里的通信打開(kāi)了大門(mén)。

該團隊于2019年首次開(kāi)發(fā)了反向散射通信計劃（https://www.mit.edu/~fadel/papers/PAB-paper.pdf）。它涉及到通過(guò)在吸收聲波或將聲波反彈回接收器之間切換來(lái)對反射信號中的數據進(jìn)行編碼的節點(diǎn)。這可以用于發(fā)送二進(jìn)制數據，反射對應于1，缺少1表示0。調制后的信號由****機旁邊的水中地震檢波器拾取。

被稱(chēng)為換能器的節點(diǎn)用于反射聲信號的部分由壓電材料制成，當機械力施加到壓電材料上時(shí)，壓電材料會(huì )產(chǎn)生電流。這使得節點(diǎn)在吸收模式下可以從輸入信號中獲取能量，其可以用于為開(kāi)關(guān)機構和潛在的傳感器供電，而不需要電池。

Adib說(shuō)，最初方法的主要局限性是沒(méi)有辦法將反射的音頻波引導到接收器。這削弱了返回信號，因此減小了它可以操作的范圍。為了解決這個(gè)問(wèn)題，他們轉向了一個(gè)有70年歷史的Van Atta陣列，該陣列最近被用于增加射頻識別（RFID）標簽的范圍。

它包括創(chuàng )建一個(gè)對稱(chēng)排列的天線(xiàn)陣列，然后用電線(xiàn)將相對的天線(xiàn)對連接起來(lái)。當無(wú)線(xiàn)電波擊中陣列中的一個(gè)天線(xiàn)時(shí)，信號會(huì )被發(fā)送到與其配對的天線(xiàn)，然后重新****。這意味著(zhù)，如果信號首先由最左邊的天線(xiàn)接收，則它首先由最右邊的天線(xiàn)****。因此，陣列中的天線(xiàn)以接收信號的相反順序****信號，從而將信號反射回源。

然而，Adib說(shuō)，將這個(gè)想法轉化到聲學(xué)領(lǐng)域是一項挑戰。這是因為無(wú)論你多么小心地控制它們的制造，每個(gè)壓電換能器的諧振頻率都略有不同。當你將其中兩個(gè)連接起來(lái)時(shí)，這些頻率會(huì )發(fā)生沖突，并顯著(zhù)降低它們反射信號的效率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團隊在每對換能器之間添加了一個(gè)變壓器，這有助于在不影響換能器諧振的情況下在換能器之間傳輸最大功率。

在馬薩諸塞州劍橋市查爾斯河進(jìn)行的四乘二陣列測試中，研究人員表明，他們可以以每秒500比特的速度在300米的往返行程中傳輸數據，這與其他形式的水聲通信相當，只需1.8瓦的功率。該團隊近日在紐約舉行的ACM SIGCOMM（https://conferences.sigcomm.org/sigcomm/2023/）會(huì )議上展示了他們的研究結果（mit.edu/~fadel/papers/VAB-paper.pdf）。

Adib及其同事還創(chuàng )建了一個(gè)模型來(lái)測試該方法的理論極限，并根據實(shí)驗數據進(jìn)行了驗證。在下個(gè)月將在A(yíng)CM MobiCom（https://sigmobile.org/mobicom/2023/）上發(fā)表的一篇論文中，他們表明，應該可以實(shí)現幾公里的射程。

阿拉巴馬大學(xué)電氣和計算機工程副教授A(yíng)ijun Song表示，找到一種將聲學(xué)反向散射信號引導回接收器的方法是一項突破，因為這大大提高了該方法的范圍。他說(shuō)，低功耗和遠程通信的結合“在現實(shí)世界中具有很高的應用潛力”。其中可能包括通過(guò)遠程傳感器或海底結構監測進(jìn)行珊瑚礁健康的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，用于水產(chǎn)養殖或石油和天然氣作業(yè)。

Adib說(shuō)，這項技術(shù)也可能對海軍產(chǎn)生重大影響。這些節點(diǎn)可以用作信標，為無(wú)人機創(chuàng )建一種水下定位系統。他補充道，低功耗、遠程無(wú)源傳感器可能對潛艇的隱蔽性產(chǎn)生重大影響。