麻省理工学院的研究人员展示了首个超低功耗水下联网和通信系统，该系统可在千米范围内传输信号。
这项技术是研究人员几年前开始开发的，其耗电量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，研究人员使这项技术在水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用中变得更加可行。
"几年前，将水下通信的功率降低一百万倍是一个不可思议的想法，但现在却变得切实可行。"电子工程与计算机科学系副教授、麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组主任Fadel Adib说："虽然目前仍需要解决一些有趣的技术挑战，但从我们目前的技术发展和部署来看，已经有了一条清晰的道路。"
水下反向散射技术通过将数据编码在声波中，使声波反射或散射回接收器，从而实现低功耗通信。这些创新使反射信号能够更精确地指向信号源。
由于这种 "逆向性"，信号在错误方向上的散射更少，从而实现了更高效、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，该实验受到了码头长度的限制。
为了更好地了解水下反向散射的极限，研究小组还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们利用实验数据对该模型进行了验证，结果表明，他们的反向定向系统可以在千米范围内进行通信。
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，与他共同撰写SIGCOMM论文的还有前博士后、现密歇根大学助理教授Aline Eid和研究助理Jack Rademacher，以及研究助理Waleed Akbar、Purui Wang和博士后Ahmed Allam。MobiCom的论文也是由共同第一作者Akbar和Allam撰写的。
水下反向散射通信设备利用 "压电 "材料制成的节点阵列来接收和反射声波。这些材料在受到机械力作用时会产生电信号。
当声波撞击节点时，它们会振动并将机械能转化为电荷。节点利用电荷将部分声波能量散射回声源，传输数据，接收器根据反射序列对数据进行解码。
但是，由于背向散射信号会向各个方向传播，只有一小部分能到达声源，从而降低了信号强度，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，在这种设备中，对称的一对天线以这样一种方式连接起来，使阵列能将能量反射回信号来源的方向。
但连接压电节点来制作 Van Atta 阵列会降低其效率。研究人员通过在连接节点对之间放置一个变压器，避免了这一问题。变压器能将电能从一个电路传输到另一个电路，从而使节点能将最大能量反射回能量源。
“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，他们还使用了一种名为跨极性切换的技术，在反射信号中编码二进制数据。每个节点都有一个正极和一个负极（就像汽车电池），因此当两个节点的正极相连，两个节点的负极相连时，反射信号就是 "位1"。
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0”。
“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。
在建造 Van Atta 阵列时，研究人员发现如果连接的节点太近，就会相互屏蔽信号。他们设计了一种节点交错的新设计，使信号可以从任何方向到达阵列。有了这种可扩展的设计，阵列的节点越多，其通信范围就越大。
他们与伍兹霍尔海洋研究所合作，在马萨诸塞州剑桥市查尔斯河和马萨诸塞州法尔茅斯海岸附近的大西洋上进行了 1500 多次实验，对阵列进行了测试。该装置的通信距离达到 300 米，比他们之前展示的距离长 15 倍多。
不过，由于码头空间不够，他们不得不缩短实验时间。
这启发了研究人员建立一个分析模型，以确定这种新型水下反向散射技术的理论和实际通信极限。
在他们小组研究射频识别（RFID）的基础上，研究小组精心制作了一个模型，以捕捉系统参数（如压电节点的大小和信号的输入功率）对设备水下工作范围的影响。
"这不是一种传统的通信技术，因此你需要了解如何量化反射。在这一过程中，不同组件的作用是什么？阿克巴说。
他补充说，例如，研究人员需要推导出一个函数，捕捉特定尺寸的水下压电节点反射出的信号量，这是开发模型的最大挑战之一。
他们利用这些见解创建了一个即插即用的模型，用户可以输入输入功率和压电节点尺寸等信息，并获得显示系统预期范围的输出结果。
他们根据实验数据对模型进行了评估，发现该模型可以准确预测逆向声学信号的范围，平均误差小于 1 分贝。
利用这一模型，他们发现水下反向散射阵列有可能实现千米长的通信距离。
“我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推向我们一直在做的 6G 蜂窝网络领域。对我们来说，这是一件非常有意义的事情，因为我们已经开始看到这种技术非常接近现实。”Adib说。
研究人员计划继续研究水下反向散射 Van Atta 阵列，或许可以使用船只，这样他们就能评估更远的通信距离。同时，他们还打算发布工具和数据集，以便其他研究人员在此基础上开展工作。与此同时，他们也开始向这项技术的商业化迈进。
"射程有限一直是水下反向散射网络的一个公开问题，阻碍了它们在现实世界中的应用。这篇论文使水下通信在实现远距离的同时以最小的能量运行，从而在未来的水下通信领域迈出了重要的一步，"加州大学洛杉矶分校计算机科学助理教授 Omid Abari 说，他没有参与这项工作。"这篇论文首次将 Van Atta Reflector 阵列技术引入水下反向散射环境，并展示了该技术在将通信距离提高几个数量级方面的优势。这可以让无电池水下通信离现实更近一步，从而实现水下气候变化监测和海岸监测等应用"。
参考链接：Device offers long-distance, low-power underwater communication；Demi Xia编译
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