麻省理工学院实现低功耗水下通信

MIT SIGNAL KINETICS LAB

水下传感器网络对于监测渔场、飓风预报和探测敌方潜艇等各种应用来说都是非常宝贵的。然而，通过液体传输数据比通过空气传输要困难得多。麻省理工学院的工程师们提出了一种解决方案，可以实现远程低功耗的水下通信（https://spectrum.ieee.org/new-approach-could-take-underwater-communication-using-light-to-new-depths）。

在海浪下重建物联网是一项挑战，因为大多数无线技术所依赖的无线电信号在水中传播不畅。因此，大多数水下通信都是通过声学进行的，但产生足以在液体中长距离传播的声波需要很大的功率。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授、麻省理工大学媒体实验室信号动力学小组主任Fadel Adib说，在水下深处给传感器充电或更换电池是一个大麻烦。他说，这限制了我们在海洋中建立大型传感器网络的能力，这就是为什么他的团队一直在研究一种低功耗的替代品，这种替代品依赖于“反向散射（https://spectrum.ieee.org/backscatter-gigabit）”的物理原理。

他们的方法涉及被称为节点的无电源设备，这些设备从发射机接收声学信号，以编码波中信息的方式对其进行调制，然后将其反射回来。以前，他们只实现了几米的范围，因为声波被反射到各个方向，所以只有少量信号到达接收器。但该团队的最新设计能够将反射引导回接收器，从而将射程提高了15倍，并为数公里的通信打开了大门。

该团队于2019年首次开发了反向散射通信计划（https://www.mit.edu/~fadel/papers/PAB-paper.pdf）。它涉及到通过在吸收声波或将声波反弹回接收器之间切换来对反射信号中的数据进行编码的节点。这可以用于发送二进制数据，反射对应于1，缺少1表示0。调制后的信号由发射机旁边的水中地震检波器拾取。

被称为换能器的节点用于反射声信号的部分由压电材料制成，当机械力施加到压电材料上时，压电材料会产生电流。这使得节点在吸收模式下可以从输入信号中获取能量，其可以用于为开关机构和潜在的传感器供电，而不需要电池。

Adib说，最初方法的主要局限性是没有办法将反射的音频波引导到接收器。这削弱了返回信号，因此减小了它可以操作的范围。为了解决这个问题，他们转向了一个有70年历史的Van Atta阵列，该阵列最近被用于增加射频识别（RFID）标签的范围。

它包括创建一个对称排列的天线阵列，然后用电线将相对的天线对连接起来。当无线电波击中阵列中的一个天线时，信号会被发送到与其配对的天线，然后重新发射。这意味着，如果信号首先由最左边的天线接收，则它首先由最右边的天线发射。因此，阵列中的天线以接收信号的相反顺序发射信号，从而将信号反射回源。

然而，Adib说，将这个想法转化到声学领域是一项挑战。这是因为无论你多么小心地控制它们的制造，每个压电换能器的谐振频率都略有不同。当你将其中两个连接起来时，这些频率会发生冲突，并显著降低它们反射信号的效率。为了解决这个问题，该团队在每对换能器之间添加了一个变压器，这有助于在不影响换能器谐振的情况下在换能器之间传输最大功率。

在马萨诸塞州剑桥市查尔斯河进行的四乘二阵列测试中，研究人员表明，他们可以以每秒500比特的速度在300米的往返行程中传输数据，这与其他形式的水声通信相当，只需1.8瓦的功率。该团队近日在纽约举行的ACM SIGCOMM（https://conferences.sigcomm.org/sigcomm/2023/）会议上展示了他们的研究结果（mit.edu/~fadel/papers/VAB-paper.pdf）。

Adib及其同事还创建了一个模型来测试该方法的理论极限，并根据实验数据进行了验证。在下个月将在ACM MobiCom（https://sigmobile.org/mobicom/2023/）上发表的一篇论文中，他们表明，应该可以实现几公里的射程。

阿拉巴马大学电气和计算机工程副教授Aijun Song表示，找到一种将声学反向散射信号引导回接收器的方法是一项突破，因为这大大提高了该方法的范围。他说，低功耗和远程通信的结合“在现实世界中具有很高的应用潜力”。其中可能包括通过远程传感器或海底结构监测进行珊瑚礁健康的无线数据传输，用于水产养殖或石油和天然气作业。

Adib说，这项技术也可能对海军产生重大影响。这些节点可以用作信标，为无人机创建一种水下定位系统。他补充道，低功耗、远程无源传感器可能对潜艇的隐蔽性产生重大影响。