该系统可以用于在跨公里级距离上进行无需电池的水下通信，以帮助监测气候和海岸变化。麻省理工学院的研究人员展示了第一个超低功耗水下联网通信系统，可以在跨公里级距离上传输信号。这项研究人员几年前开始开发的技术，使用的功耗仅为现有水下通信方法的百万分之一。通过扩展无需电池系统的通信范围，研究人员使得该技术更适用于水产养殖、沿海飓风预测和气候变化建模等应用领域。麻省理工学院媒体实验室信号动力学小组的电气工程与计算机科学系副教授Fadel Adib表示：“几年前一个非常激动人心的理论想法——以百万分之一功耗进行水下通信，如今成为了实际和现实的。虽然仍存在一些有趣的技术挑战需要解决，但我们已经看到了从现在到实际应用的明确道路。”

水中背散射的威力

水中背散射通过在反射回接收器的声波中编码数据，实现低功耗通信。这些创新能够更精确地将反射信号定向到其源头。

由于这种“反向定向性”，较少的信号会朝错误的方向散射，从而实现更高效和更远距离的通信。

在一条河流和一个海洋中进行测试时，反向定向设备的通信范围比之前的设备要远15倍以上。然而，这些实验受到研究人员可用的码头长度的限制。

为了更好地了解水中背散射的限制，团队还开发了一个分析模型来预测该技术的最大范围。他们使用实验数据验证了这个模型，结果显示他们的反向定向系统可以在公里级距离上进行通信。

研究人员在两篇论文中分享了这些发现，这些论文将在今年的ACM SIGCOMM和MobiCom会议上展示。SIGCOMM论文的高级作者Adib与合作主要作者Aline Eid（前博士后，现任密歇根大学助理教授）和Jack Rademacher（研究助理），以及研究助理Waleed Akbar和Purui Wang以及博士后Ahmed Allam一起合作撰写。MobiCom论文同样由合作主要作者Akbar和Allam共同编写。

用声波进行通信

水下散射通信设备利用由“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时产生电信号。

当声波击中节点时，它们会振动并将机械能转化为电荷。节点利用这个电荷将部分声能反射回源头，通过反射的顺序解码接收数据。

但是由于散射信号在所有方向上传播，只有很小一部分能够到达源头，从而降低信号强度并限制通信范围。

为了克服这个挑战，研究人员利用了一种称为Van Atta阵列的70年老式无线电设备，通过将对称对的天线连接起来，以使阵列将能量反射回来的方向。

然而，将压电节点连接起来制造Van Atta阵列会降低其效率。研究人员通过在连接的节点之间放置一个变压器来解决这个问题。这个能够将电能从一个电路传递到另一个电路的变压器，使得节点能够将最大数量的能量反射回源头。

“两个节点都在接收和反射，所以这是一个非常有趣的系统。当你增加该系统中的元素数量，你构建了一个可以实现更长通信距离的阵列。”Eid解释道。

此外，他们使用了一种称为交叉极性切换的技术来在反射信号中编码二进制数据。每个节点有一个正极和一个负极（就像汽车电池一样），所以当两个节点的正极连接在一起，负极连接在一起时，反射信号为“1”。

但是，如果研究人员切换极性，将负极和正极连接在一起，那么反射信号就是“0”。

“仅仅把压电节点连接在一起是不够的。通过在两个节点之间交替极性，我们能够将数据传输回远程接收器。”Rademacher解释道。

在构建Van Atta阵列时，研究人员发现，如果连接的节点太近，它们将会阻碍彼此的信号。他们设计了一种新的方案，使用错开的节点，可以使信号从任何方向进入阵列。有了这种可扩展的设计，阵列拥有更多的节点，通信范围就更大。

他们在马萨诸塞州剑桥的查尔斯河和马萨诸塞州法尔茅斯海岸的大西洋海洋与伍兹霍尔海洋研究所合作，在1500多次实验中测试了该阵列。该设备实现了300米的通信范围，比他们之前演示的通信范围长了15倍以上。

然而，他们不得不提前结束实验，因为码头上的空间不足。

建模最大限度

这激发了研究人员建立一个分析模型来确定这种新型水下散射技术的理论和实际通信限制。

在他们团队在射频识别技术方面的工作基础上，研究人员精心构建了一个模型，捕捉了系统参数对设备水下操作范围的影响，比如压电节点的大小和输入功率。

“这不是一种传统的通信技术，所以你需要理解如何量化反射。在这个过程中，各个组件起到了什么作用？”Akbar说道。

例如，研究人员需要推导一个函数，来衡量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，他补充说。

他们利用这些见解创建了一个即插即用的模型，用户可以输入如输入功率和压电节点尺寸等信息，然后获得显示系统预期范围的输出。

他们在实验试验的数据上评估了模型，并发现它可以准确地预测反向声信号的范围，平均误差不到一分贝。

利用这个模型，他们表明水下散射阵列可以潜在地实现公里级的通信范围。

“我们正在创造一种新的海洋技术，并将其推向我们在6G蜂窝网络上所做的事情的领域。对我们来说，这是非常有价值的，因为我们现在看到距离现实非常近了。”Adib说道。

研究人员计划继续研究水下散射Van Atta阵列，可能使用船只评估更长的通信范围。在此过程中，他们打算发布工具和数据集，以便其他研究人员可以在他们的工作基础上进行研究。与此同时，他们开始朝着商业化该技术迈进。

“有限范围一直是水下散射网络中的一个难题，阻碍了它们在现实应用中的使用。这篇论文为水下通信的未来迈出了重要的一步，使它们能够以最小的能量进行运行同时实现长距离通信。”加利福尼亚大学洛杉矶分校计算机科学助理教授Omid Abari说道，他没有参与该研究。“这篇论文是第一篇将Van Atta反射器阵列技术引入水下散射环境并展示其在提高通信范围方面的好处的论文。这可以使无电池水下通信更加接近现实，实现诸如水下气候变化监测和沿海监测之类的应用。”

参考文献:

“Enabling Long-Range Underwater Backscatter via Van Atta Acoustic Networks” by Aline Eid, Jack Rademacher, Waleed Akbar, Purui Wang, Ahmed Allam and F