近日，麻省理工学院(MIT)的研究人员展示了一种超低功耗的水下网络和通信系统，该系统可以在公里级距离上传输信号，并且其使用的功率仅为当前使用的水下通信方法的百万分之一。
由于无线电波在穿过水的时候会迅速衰减，所以水下通信通常依靠声音信号，声波在水中比空气中传播得更快、更远，对于水下通信来说用声波传输信号是一种发送数据的高效方法。但利用声波传输信号也会带来巨大的能耗问题，因为制造声波远比制造无线电波更加费电。
而该通信系统主要是基于MIT在2020年开发的水下反向散射定位（Underwater Backscatter Localization，UBL）设备，这种设备本身并不发出声音信号，而是反射来自周围环境的调制信号，这样就可以“零能耗”地为研究人员提供定位信息，这也是该通信系统能实现如此低功耗的原因之一。
图片来源：MIT
水下反向散射设备是利用一系列由“压电”材料制成的节点来接收和反射声波的。压电材料是指受到机械压力（例如受到振动的声波撞击）作用时，会产生电荷的晶体材料。压电传感器可以利用声波撞击产生的这些电荷将一些声波选择性地反射回环境中。接收器将这种被称为“反向散射”的反射序列转换成一连串的1（反射声波）和0（未反射声波）的模式。由此产生的二进制代码可以携带海洋温度或盐度信息。
而这也存在一个问题，由于反向散射的信号会向各个方向传播，只有一小部分能够到达声源，所以信号强度较低，通信范围也较小。为此研究人员采用了一种已有70年历史的无线电设备，名为范阿塔天线阵(Van Atta array)，这种设备中对称天线对的连接方式使得阵列可以将能量反射回其来源的方向。
图片来源：MIT
在构建Van Atta阵时，研究人员发现，如果连接的节点太近，它们就会阻塞彼此的信号。为此，他们还设计了一种具有交错节点的新设计，使信号能够从任何方向到达阵列，通过这种可扩展的设计，阵列拥有的节点越多，其通信范围就越大。在该研究团队实际进行的1,500多次实验中，该设备的通信范围达到了300米，比之前展示的范围扩大了15倍多。
同时，受到这个发现的启发，研究人员制作了一个模型，用以捕捉系统参数，如压电节点的大小和信号的输入功率，来分析系统参数对于设备在水下工作范围的影响，根据模型的预测这种水下通信系统可以实现跨公里级距离的通信。
研究人员计划继续对该技术进行实验验证，使用船只对该通信系统进行测试，评估其在实际应用中的通信范围，未来该项技术有望用于水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用。
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