麻省理工學(xué)院實(shí)現(xiàn)低功耗水下通信

MIT SIGNAL KINETICS LAB

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)于監(jiān)測(cè)漁場(chǎng)、颶風(fēng)預(yù)報(bào)和探測(cè)敵方潛艇等各種應(yīng)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(xué)院的工程師們提出了一種解決方案，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)無線技術(shù)所依賴的無線電信號(hào)在水中傳播不暢。因此，大多數(shù)水下通信都是通過聲學(xué)進(jìn)行的，但產(chǎn)生足以在液體中長(zhǎng)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(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授、麻省理工大學(xué)媒體實(shí)驗(yàn)室信號(hào)動(dòng)力學(xué)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(gè)大麻煩。他說，這限制了我們?cè)诤Ｑ笾薪⒋笮蛡鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的能力，這就是為什么他的團(tuán)隊(duì)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(diǎn)的無電源設(shè)備，這些設(shè)備從****機(jī)接收聲學(xué)信號(hào)，以編碼波中信息的方式對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，然后將其反射回來。以前，他們只實(shí)現(xiàn)了幾米的范圍，因?yàn)槁暡ū环瓷涞礁鱾€(gè)方向，所以只有少量信號(hào)到達(dá)接收器。但該團(tuán)隊(duì)的最新設(shè)計(jì)能夠?qū)⒎瓷湟龑?dǎo)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(tuán)隊(duì)于2019年首次開發(fā)了反向散射通信計(jì)劃（https://www.mit.edu/~fadel/papers/PAB-paper.pdf）。它涉及到通過在吸收聲波或?qū)⒙暡ǚ磸椈亟邮掌髦g切換來對(duì)反射信號(hào)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的節(jié)點(diǎn)。這可以用于發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)，反射對(duì)應(yīng)于1，缺少1表示0。調(diào)制后的信號(hào)由****機(jī)旁邊的水中地震檢波器拾取。

被稱為換能器的節(jié)點(diǎn)用于反射聲信號(hào)的部分由壓電材料制成，當(dāng)機(jī)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(jié)點(diǎn)在吸收模式下可以從輸入信號(hào)中獲取能量，其可以用于為開關(guān)機(jī)構(gòu)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(dǎo)到接收器。這削弱了返回信號(hào)，因此減小了它可以操作的范圍。為了解決這個(gè)問題，他們轉(zhuǎn)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(shí)別（RFID）標(biāo)簽的范圍。

它包括創(chuàng)建一個(gè)對(duì)稱排列的天線陣列，然后用電線將相對(duì)的天線對(duì)連接起來。當(dāng)無線電波擊中陣列中的一個(gè)天線時(shí)，信號(hào)會(huì)被發(fā)送到與其配對(duì)的天線，然后重新****。這意味著，如果信號(hào)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(hào)的相反順序****信號(hào)，從而將信號(hào)反射回源。

然而，Adib說，將這個(gè)想法轉(zhuǎn)化到聲學(xué)領(lǐng)域是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)闊o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(dāng)你將其中兩個(gè)連接起來時(shí)，這些頻率會(huì)發(fā)生沖突，并顯著降低它們反射信號(hào)的效率。為了解決這個(gè)問題，該團(tuán)隊(duì)在每對(duì)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(cè)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(dāng)，只需1.8瓦的功率。該團(tuán)隊(duì)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(jié)果（mit.edu/~fadel/papers/VAB-paper.pdf）。

Adib及其同事還創(chuàng)建了一個(gè)模型來測(cè)試該方法的理論極限，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在下個(gè)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(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)幾公里的射程。

阿拉巴馬大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程副教授Aijun Song表示，找到一種將聲學(xué)反向散射信號(hào)引導(dǎo)回接收器的方法是一項(xiàng)突破，因?yàn)檫@大大提高了該方法的范圍。他說，低功耗和遠(yuǎn)程通信的結(jié)合“在現(xiàn)實(shí)世界中具有很高的應(yīng)用潛力”。其中可能包括通過遠(yuǎn)程傳感器或海底結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)進(jìn)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(xiàng)技術(shù)也可能對(duì)海軍產(chǎn)生重大影響。這些節(jié)點(diǎn)可以用作信標(biāo)，為無人機(jī)創(chuàng)建一種水下定位系統(tǒng)。他補(bǔ)充道，低功耗、遠(yuǎn)程無源傳感器可能對(duì)潛艇的隱蔽性產(chǎn)生重大影響。