麻省理工學院實現(xiàn)低功耗水下通信

MIT SIGNAL KINETICS LAB

水下傳感器網(wǎng)絡對于監(jiān)測漁場、颶風預報和探測敵方潛艇等各種應用來說都是非常寶貴的。然而，通過液體傳輸數(shù)據(jù)比通過空氣傳輸要困難得多。麻省理工學院的工程師們提出了一種解決方案，可以實現(xiàn)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(zhàn)，因為大多數(shù)無線技術所依賴的無線電信號在水中傳播不暢。因此，大多數(shù)水下通信都是通過聲學進行的，但產(chǎn)生足以在液體中長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

麻省理工學院電氣工程與計算機科學系副教授、麻省理工大學媒體實驗室信號動力學小組主任Fadel Adib說，在水下深處給傳感器充電或更換電池是一個大麻煩。他說，這限制了我們在海洋中建立大型傳感器網(wǎng)絡的能力，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為節(jié)點的無電源設備，這些設備從****機接收聲學信號，以編碼波中信息的方式對其進行調(diào)制，然后將其反射回來。以前，他們只實現(xiàn)了幾米的范圍，因為聲波被反射到各個方向，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(shù)公里的通信打開了大門。

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

被稱為換能器的節(jié)點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，壓電材料會產(chǎn)生電流。這使得節(jié)點在吸收模式下可以從輸入信號中獲取能量，其可以用于為開關機構和潛在的傳感器供電，而不需要電池。

Adib說，最初方法的主要局限性是沒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。為了解決這個問題，他們轉向了一個有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)建一個對稱排列的天線陣列，然后用電線將相對的天線對連接起來。當無線電波擊中陣列中的一個天線時，信號會被發(fā)送到與其配對的天線，然后重新****。這意味著，如果信號首先由最左邊的天線接收，則它首先由最右邊的天線****。因此，陣列中的天線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，將這個想法轉化到聲學領域是一項挑戰(zhàn)。這是因為無論你多么小心地控制它們的制造，每個壓電換能器的諧振頻率都略有不同。當你將其中兩個連接起來時，這些頻率會發(fā)生沖突，并顯著降低它們反射信號的效率。為了解決這個問題，該團隊在每對換能器之間添加了一個變壓器，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(shù)據(jù)，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)建了一個模型來測試該方法的理論極限，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。在下個月將在ACM MobiCom（https://sigmobile.org/mobicom/2023/）上發(fā)表的一篇論文中，他們表明，應該可以實現(xiàn)幾公里的射程。

阿拉巴馬大學電氣和計算機工程副教授Aijun Song表示，找到一種將聲學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，低功耗和遠程通信的結合“在現(xiàn)實世界中具有很高的應用潛力”。其中可能包括通過遠程傳感器或海底結構監(jiān)測進行珊瑚礁健康的無線數(shù)據(jù)傳輸，用于水產(chǎn)養(yǎng)殖或石油和天然氣作業(yè)。

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